人教2003课标版《2原子的核式结构模型》优质课教案设计

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2．过程与方法

（1）通过对ɑ粒子散射实验结果的讨论与交流，培养学生对现象的分析中归纳中得出结论的逻辑推理能力。

（2）通过核式结构模型的建立，体会建立模型研究物理问题的方法，理解物理模型的演化及其在物理学发展过程中的作用。

（3）了解研究微观现象

3．情感、态度与价值观

（1）通过对原子模型演变的历史的学习，感受科学家们细致、敏锐的科学态度和不畏权威、尊重事实、尊重科学的科学精神。

（2）通过对原子结构的认识的不断深入，使学生认识到人类对微观世界的认识是不断扩大和加深的，领悟和感受科学研究方法的正确使用对科学发展的重要意义。

重点难点

1.在教学中渗透和让学生体会物理学研究方法，渗透三个物理学方法：模型方法，黑箱方法和微观粒子的碰撞方法；

2.引导学生小组自主思考讨论在于对ɑ粒子散射实验的结果分析从而得出原子的核式结构；

教学过程

师：同学们好

生：老师你好！

师：这节课我们学习原子核式结构模型。说到原子，大家都不陌生，因为我们初中学过，原子里面有个原子核，但是学了这个之后同学们有没有想过，这个结论是科学家1911年得出来的，以当时有限的科学技术，根本看不到原子，那同学们有没想过，他们怎么判断出原子核的呢？即使后面利用扫描隧道显微镜，也只能看到原子的表面，无法看到内部结构。所以这节课我们就沿着前人的足迹去看一下他们在发现有原子核的过程中看到了什么东西。

板书一、历史的回顾

我们先来回忆一下上一节的内容。1897年，汤姆逊发现了电子，给人们打开了一个新的观察视角。因为在之前，我们认为原子是最小的结构了，但之后，发现了作为原子内部的电子。而由于原子是中性的，电子带负电，所以原子内部一定有带正电的物质来中和电子的负电。所以汤姆逊进一步想研究电子和带正电的物质是如何构成原子结构的，于是有了枣糕模型，也叫葡萄干、蛋糕模型，或者叫做汤姆逊模型。他认为正电荷均匀的分布在整球体当中，而负电荷就点缀在其中，像个西瓜一样，正电荷军训分布在这个瓜瓤里面，而负电荷像瓜子一样点缀其中。图中的白色部分就是我们的正电荷，中间的黑点就是我们的负电荷。正电荷像浓稠的液体一样分布在其中，而电子是悬浮于液体当中，它们就如同盐巴放在汤中一样，分不出彼此的。

这个模型在当时来说是很成功的，十分完美，因为首先，他解释了为什么原子是电中性的；另外，他也解答了电子是怎么分布的问题；第三，他还解释了原子为什么发光，我们在日常生活中有很多原子发光的现象，比如日光灯的启动器里面，氖气经高压发光。由于负电子悬浮在正电子的浓稠液体中，负电子可以来回的移动，在移动中原子就发光了。最关键的是，汤姆逊根据该模型，计算出了原子的尺寸在一亿分之一厘米，跟我们现在原子的半径在10-10m是相同的，数量级能算到相同是很了不起的。最后一点，最神的是，他还把化学上的问题解释了，他认为原子中电子的个数就等于原子的序数，这跟我们现在正电荷等于原子序数是吻合的，凭借着这些理论，汤姆逊在当时的地位变得很高，以他为首的剑桥物理学派获得全世界的尊重，无数的物理学家拜倒在他的枣糕下。但他根本不知道他的好日子快结束了，因为在1895年他收了一个学生，即卢瑟福，卢瑟福从新西兰提前毕业，考到了剑桥大学。

当时汤姆逊是卡文迪许实验室的主任，他将卢瑟福招来做他的研究生。卢瑟福这个人很神，他被称为近代原子核物理学之父。为什么这么称呼他呢，第一，他在我们的放射性研究和原子结构上作出了非常突出的贡献，他被授予过男爵，但是他的出生是非常卑微的，是一个农民的孩子。第二，他死后与牛顿和法拉第并葬，并排埋葬，生的时候没在一起，死的时候在一起了，还在一排。在招卢瑟福当研究生后的一年，汤姆逊安排给他一个工作，导致汤姆逊的地位到头了。1896年，贝克勒尔发现了放射性，汤姆逊敏感的觉得这是一个物理学的前沿，就叫卢瑟福去研究下放射性原子放出来的到底是什么东西。卢瑟福很能干的研究出来了α射线和β射线，在1908年的时候，卢瑟福确定了α射线就是高速的He粒子流，即 。所以卢瑟福得出 ， ， 。由以上的α粒子特性，就可以得出它是高能的，可以使荧光物质发光，即达到荧光屏上可以发出亮点。凭借这些发现，卢瑟福获得了1908年的诺贝尔化学奖，这也说明了理学不分家，学好了物理还可以得化学奖。

板书二、α粒子散射实验

按理说，获得了这样的成就就可以满足了，但他没有，他敏感的认识到要利用α粒子的速度是光速的1/10的特点，因为这给研究原子提供了一个新的方法。他本来是想研究原子核的，但你老在外面看是看不清楚的，看了别人也不信，最好的方法是把它打开，那如何打开呢？于是他想到了利用这个高能粒子去打破原子。就像用锤子或机关炮去砸开物体一样，即用α高能粒子去冲击靶原子，通过研究撞出来的碎片和原子的运动轨迹来探讨原子的结构，1919年，卢瑟福用他的α机关炮打氮原子，打出了质子。而1932年，他的学生查德威克也利用α粒子打击原子发现了中子，并因此在1935年获得了诺贝尔物理学奖，中子的发现为我们人类利用核能提供了前提条件。那他是如何把他的老师打下去的呢？他同样也是利用了他的α机关炮，这就是著名的α粒子散射实验，这个实验物理化学上都很重要，也是在物理学史上十大最美丽的实验之一，以后要学物理的话可以去发现其它九个是什么。

这个实验其实看着也很简单，首先，利用放射性元素放出α粒子，这里的放射性元素可以是大家比较熟悉的铀和镭，铀是核电站要用的，而镭是居里夫人发现的。图中放射性元素的外面是一个铅盒，即 。为什么用铅包裹放射性元素呢？你如果关注新闻的话，会知道最近日本地震引发的海啸，使福岛的核电站发生了核泄漏，而其中的工作人员穿的防辐射服，大多都是铅做的，为什么要用铅做防辐射服呢？你们看铅的原子系数和质量数都很大，即它的密度大，而且便宜，所以密度大可以防辐射。因此当我们把铅包裹着放射性元素之后，给放射性元素留一条缝，就如同给他的机关炮加了个准心，想打哪儿就打哪儿。α粒子要出来的时候只能从这条缝出来，其它地方是不是被挡住了，这就是铅盒的作用。然后让它轰击金箔。

为什么要打价格比较贵的金呢？第一个原因，卢瑟福想通过α粒子去撞击金原子看它的结构，那只能撞一次就好，若撞击二次，就会把第一次的结果给掩盖住，我们是想研究单个原子的结构，就要跟单个原子发生碰撞，所以就要把箔做得越薄越好，如果金箔只有一个原子那么厚，那么是最理想的，但实际是不可能的，但是金箔的延展性很好，相比于其它金属可以做出很薄的金箔，而越薄，同一层上的原子就越少，实验效果就越好。金箔可以做出1μm的厚度来，即10-6m 。其次，金箔的化学性质稳定，打到荧光屏上不会和我们的荧光屏发生反应，可以保持原子的相对独立性。第三，由于金的电荷量为79，带电量很大，即其库仑力很大，那么在轰击的过程中，排斥力明显，偏转角度大，散射明显。最后一点，为什么要用金箔而不用其它金属呢？举例来说，若用绳子吊一个乒乓球和吊一个玻璃球，用锤子去砸，哪个会被砸破？是不是乒乓球会被撞飞，玻璃球会被砸破。同样的道理，金的质量大，密度大，不会被撞飞，而会被撞碎，符合我们的实验要求。实验仪器除了铅盒和金箔以外，还包括放大镜和荧光屏，放大镜放大实验便于观察。实验环境要求整个实验装置要放在真空中，原因是α粒子带两个单位的电荷，易使空气电离，消耗能量，飞不了多远，顶多几厘米，而在真空中不存在电离，α粒子就可以飞很远。请同学们仔细看这个装置，它可以绕轴3600旋转，可以全方位观察。

卢瑟福做这个实验的时候其实也没想过要得到什么结果，能得到结果，还是要多亏他的两个学生，一个是盖格，一个是马斯顿，讲他们是希望你们像他们两个学习，我们刚才说了，自从卢瑟福成为“打砸专业户”之后，α粒子轰击过各种元素的原子，但都没砸出什么有用的成绩，自从有一天，作为师哥的盖格带着他的师弟马斯顿去找卢瑟福，说，我们是搞打砸输出的，讲究技术，能不能安排点实验让马斯顿学点技术，卢瑟福就想到让马斯顿来轰击金属箔，我不期望你们能轰击出什么结果，就是练一练观察技术。因为这个实验观察起来是很痛苦的，碰撞过程我们无法看到的，只能通过碰撞的结果来推断碰撞过程，具体来说，就是通过观察打在荧光屏上闪光点的次数来确定α粒子的个数。而且是用放大镜来观察，玩过望远镜的都知道，连续观看半个小时的望远镜是会头晕的一件事。而马斯顿这么一观察，还真观察到了一个结果：绝大多数的α粒子会穿过金箔，只有极少数会反弹回来。卢瑟福看到这个结果之后，一开始不相信，他想了很久，他想很久的原因，首先是以他的智商他很容易就意识到，如果实验结果成立，他老是汤姆逊的枣糕模型肯定要被掀翻到地上，没人再要了；第二个，他也在犹豫要不要说出来，就老师的感觉来说，觉得卢瑟福还是很感谢汤姆逊的，卢瑟福出身是很卑微的，他是作为英国在新西兰的移民去的新西兰，而他拿到剑桥大学的全额奖学金多亏了他的老师汤姆逊，对汤姆逊是有感情的。

如果同学们看到这个结果，或者说你也通过千辛万苦的观察发现这个结果，你能想到什么？能否用汤姆逊的枣糕模型来解释这个结果么？

如果按照枣糕模型，粒子在原子附近飞行或者穿过原子的时候，有没有可能发生大角度的偏转，你认为原子的正电荷应该是怎么分布的。α粒子出现大角度的散射是不是碰到电子产生的偏转？给同学们一个提醒，电子的质量是质子质量的1/1836。