电子的发现

电子的发现 18(1 电子的发现 一、目标 1(了解阴极射线及电子发现的过程。 2(知道汤姆孙研究阴极射线发现电子的实验及理论推导。 3.培养学生对问的分析和解决能力，初步了解原子不是最小不可分割的粒子。 4.理解人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证发展的过程(根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说(人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐渐认识原子的。 二、重难点 重点:电子的发现，即汤姆孙实验的相关原理。 难点:汤姆孙实验原理的应用，求比荷。 三、教学过程 1(阴极射线 问题1:如何得到阴极射线,其本质是什么, 科学家在研究气体导电时发现了辉光放电现象。 史料:1858年德国物理学家普吕克尔较早发现了气体导电时的辉光放电现象。德国物理学家戈德斯坦研究辉光放电现象时认为这是从阴极发出的某种射线引起的。所以他把这种未知射线称之为阴极射线。 对于阴极射线的本质，有大量的科学家作出大量的科学研究，主要形成了两种观点。 (1)电磁波说:代表人物， 赫兹 。认为这种射线的本质是 电磁辐射 。 (2)粒子说:代表人物， 汤姆孙 。认为这种射线的本质是一种 带电微粒 。 问题2:你能否一个实验来进行阴极射线的研究，能通过实验现象来说明这种射线是一种电磁波还是一种高速带电粒子流。 根据带电粒子在电场和磁场中的运动规律(复习带电粒子在电场、磁场中运动的相关知识) 2(汤姆孙的研究(教材的思考与讨论) 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。 实验装置如图所示， 磁场 ， , S A, C Y CC1 2 ， , 从高压电场的阴极发出的阴极射线，穿过CC后沿直线打在荧光屏A,上。 12 问题1(思考与讨论1):当在平行极板上加一如图所示的电场，发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏，则可判定，阴极射线带有 负 电荷。 问题2(思考与讨论2、3):为使阴极射线不发生偏转，则请思考可在平行极板区域采取什么措施。 EU加一个垂直纸面向里的匀强磁场。qE=qBV V,,BBd 问题3(思考与讨论4):利用磁场使带电的阴极射线发生偏转，能否根据磁场的特点和带电粒子在磁场中的运动规律来计算阴极射线的比荷, 2quv1vumm2,mv,qu; qBV,m; ; ,222mBr2rqBBqd 3.电子 ,191.电子的电荷量 e,1.60217733×10C 2.第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理学家密立根利用油滴实验测量出的。 3.密立根通过实验还发现，电荷具有量子化的特征。即任何电荷只能是e的整数倍。 ,314.电子的质量 m,9.1093897×10kg 阅读书本:P49科学足迹 四(应用 例:优化学案p39例2 注:本节优化学案的习题多为带电粒子在电、磁场中的运动，主要为汤姆孙实验模型、密里根实验模型、求比荷。 五(科学漫步 六(小结 18.2原子的核式结构模型 一、目标 (1)知道卢瑟福,粒子散射实验。 (2)知道原子的核式结构模型。 (3)理解卢瑟福的原子核式结构学说对,粒子散射实验的解释。 二、重难点 , 粒子散射实验 三、引入 复习:1、阴极射线是什么, 2、电子是谁发现的,它的电量和质量分别为多少, 问题:通常情况下，物质是不带电的，因此，原子应该是电中性的。既然电子是带负电的，质量又很小，那么原子中一定还有带 正电 的部分，它具有大部分的原子质量。那么原子中带正电的部分以及带负电的电子可能是如何分布的, 请你根据这些推测来设计一种原子模型 , 四、新课教学 1、汤姆孙的原子模型 (1)带着猜想，阅读第一自然段，完成刚才的问题。 (2)汤姆孙的“西瓜模型” 2、,粒子散射实验 汤姆孙的原子模型提出后，他的学生卢瑟福想用实验的方法来加以论证。由于原子是微小的，无法直接观察它的内部结构，卢瑟福发现研究原子的有效办法是利用高能粒子去碰撞原子，引起某些可能观察到的现象，从分析这些现象的过程中逐步探索认识原子的内部结构和规律。在这样的思想方法的指导下1909-1911年卢瑟福和他的助手盖革，学生马斯登等做了用,粒子轰击金箔的实验，也就是著名的,粒子散射实验。 问题1.如何利用α粒子散射实验检验原子的内部结构，以及α粒子散射实验怎样推翻了汤姆生的原子模型说。 问题2.观察到的实验现象如何, (1)绝大多数的,粒子穿过金箔后 仍沿原来的方向 ; (2)少数粒子发生了 较大偏转 ; (3)极少数粒子(约有1/8000)的偏转角,超过90?，甚至有个别粒子 偏转超过90度，被反弹回来 。 问题3. 实验现象分析 (1)按照汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内。请分析:, 粒子穿过金箔，受到电荷的作用力后，沿哪些方向前进的可能性较大，最不可能沿哪些方向前进, 电子的质量很小，, 粒子与之碰撞根本不会改变其运动方向，, 粒子穿过原子时，原子内部的电荷均匀分布，故, 粒子受到原子中两侧的正电荷的斥力绝大部分被抵消，因而,粒子偏转的力不可能很大，, 粒子不可能有很大的偏转角度，沿直线前进的可能性最大。 (2),粒子大多数沿原来的方向前进的原因是什么,发生大角度散射现象的原因是什么, 问题4.实验结论是什么, (1) 否定了汤姆孙的原子结构模型。 (2) 提出原子的核式结构模型: 思考: (1)、在α粒子散射实验中，为什么不用铁板、纸张、铅箔，而是用“金箔”呢,实验中利用了金箔的哪些特性, 金的延展性好，核电荷量大，核质量大 (2)α 粒子散射实验的装置必须置于真空中吗, 要排除其他一切原子的干扰，如果在空气中会存在空气分子的干扰，就无法验证偏转是因金原子还是空气中的其他粒子的影响。 原子核的电荷与尺度 3、 (1).原子是由 原子核 与 核外电子 组成，Z是 原子序数 也是 原子核的电荷数 ，它表示 原子核的电荷是一个垫子电荷的多少倍 。Z是没有单位的，或者说Z的单位是1。 (2).原子核是由 质子 和 中子 组成 (3).电荷数= 质子数 = 电子数 = 原子序数 (4).原子核大小的估计 -1510,粒子散射的实验的数据，可以估计原子核的半径约为 m，不同元素原子核的 -1010半径略有不同。原子半径约为 m，原子核半径只相当于原子半径的十万分之一。 五、小结 18.3氢原子光谱 一、目标 1(了解光谱的定义和分类。 2(了解氢原子光谱的实验规律，知道巴耳末系。 3(了解经典原子理论的困难。 二、重难点 重点:光谱 难点:氢原子光谱的实验 三、教学过程 1、引入 问题:α粒子散射的实验使我们知道原子具有贺式结构，但电子在核的周围怎样运动,它的能量怎样变化, 2、光谱:用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长和强度分布的记录。 问题1:什么是线状谱，具有什么特点,怎样可以产生,什么是连续谱，具有什么特点,怎样产生的, 线状谱:由一条条不连续的亮线组成，由稀薄气体或金属蒸汽产生线状普，各种原子发射的光谱都是线状普。 连续谱:光谱由连在一起的光带组成，由炽热的固体、液体及高压气体发光产生的光谱为包含一切波长的色光的连续谱。 :如何进行光谱分析, 问题2 (1)每种原子都有自己的特征谱线，根据元素的特征谱线分析鉴别物质和化学组成。 -1010(2)光谱分析具有很高的灵敏度，样本中元素含量达到就可以被检测到。 3、氢原子光谱的实验规律 问题1:气体放电管的工作原理是怎样的, 玻璃管中的稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离，成为自由移动的正负电荷，于是气体变成导体，导电时会发光，从氢气放电管可以获得氢原子光谱。 问题2:巴耳末系的公式是怎样的,如何理解公式中的n，说明了氢原子光谱有什么特点, 111,R,() n=3, 4, 5....... 22,n2 7,110mR为里德伯常量，测得值R=1.10×;n只能取整数，不能取连续值，反映了氢 原子的线状谱，即辐射波长的分立特征。 除巴耳末系外(可见光区)，后来发现了氢光谱在红外区和紫外区的其他谱线系，也都 满足与巴耳末系类似的公式 4、卢瑟福原子核式模型的困难 问题:经典物理学在解释氢原子光谱时遇到了什么困难 (1)经典物理学无法解释原子的稳定性。 (2)经典物理学无法解释原子光谱的分立特征。 四、小结 18.4波尔的原子模型 一、目标 1.了解玻尔原子理论的主要内容; 2.了解能级、能量量子化以及基态、激发态的概念。 3.通过玻尔理论的学习，进一步了解氢光谱的产生。 二、重难点 波尔原子理论的基本假设、波尔理论对氢光谱的解释 三、教学过程 1、引入新课 复习提问: 1(α粒子散射实验的现象是什么, 2(原子核式结构学说的内容是什么, 3(卢瑟福原子核式结构学说与经典电磁理论的矛盾 电子绕核运动(有加速度) 辐射电磁波 频率等于绕核运行的频率 能量减少、轨道半径减少 频率变化 电子沿螺旋线轨道落入原子核 原子光谱应为连续光谱 (矛盾:实际上是不连续的亮线) 原子是不稳定的 (矛盾:实际上原子是稳定的) 为了解决上述矛盾，丹麦物理学家玻尔，在1913年提出了自己的原子结构假说。 2、玻尔的原子理论的三种假设 (1)能级(定态)假设:原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。(本假设是针对原子稳定性提出的) (2)跃迁假设:原子从一种定态(设能量为E)跃迁到另一种定态(设能量为E)nm时，它辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即 (h为普朗克恒量)(本假设针对线状谱提出) h,,E,Emn (3)轨道量子化假设:原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。(针对原子核式模型提出，是能级假设的补充) 2(氢原子的能级图 从玻尔的基本假设出发，运用经典电磁学和经典力学的理论，可以计算氢原子中电子的可能轨道半径和相应的能量。 2(1)氢原子的大小:氢原子的电子的各条可能轨道的半径r: r=nr， nn1 r代表第一条(离核最近的一条)可能轨道的半径 1 -10r=0.53×10 m 1 -10例:n=2， r=2.12×10 m 2 (2)氢原子的能级:?原子在各个定态时的能量值E称为原子的能级。它对应电子在n 2各条可能轨道上运动时的能量E(包括动能和势能) E=E/n n=1，2，3，?????? nn1 E代表电子在第一条可能轨道上运动时的能量 1 E=-13.6eV 1 注意:计算能量时取离核无限远处的电势能为零，电子带负电，在正电荷的场中为负值，电子的动能为电势能绝对值的一半，总能量为负值。 例:n=2，E=-3.4eV， n=3，E=-1.51eV， n=4，E=-0.85eV，„„ 234 氢原子的能级图如图所示。 3(玻尔理论对氢光谱的解释 (1)基态和激发态 基态:在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态，叫基态。 激发态:原子处于较高能级时，电子在离核较远的轨道上运动，这种定态，叫激发态。 (2)原子发光:原子从基态向激发态跃迁的过程是吸收能量的过程。原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，吸收或辐射的能量恰等于发生跃迁的两能级之差。 说明:氢原子中只有一个核外电子，这个电子在 某个时刻只能在某个可能轨道上，或者说在某个时间 内，由某轨道跃迁到另一轨道——可能情况只有一种。 可是，通常容器盛有的氢气，总是千千万万个原子在 一起，这些原子核外电子跃迁时，就会有各种情况出 现了。但是这些跃迁不外乎是能级图中表示出来的那 些情况。 4. 波尔模型的局限性 (1 ) 保留了经典粒子的观念，仍然把电子的运动看成经典力学描述下的轨道运动。 (2)原子中的电子的坐标没有确定的值，只能说某时刻在某点附近单位体积内出现的概率为多少，而不能把电子的运动看做一个具有确定坐标的质点的轨道运动。 (3)电子云 四、小结 本节内容是本章的重点，也是难点。 提纲 第一阶段:发现电子，认识到原子内部也有结构。 发现阴极射线 ? 阴极射线的本质——电磁辐射,带电微粒, ? 电子的发现 汤姆孙的实验——射线粒子的电荷量与氢离子一样 ? 对其他的现象研究(光电效应、密里根油滴实验等)， 电子的电荷量、质量、比荷 ? 电子是原子的组成部分 第二阶段:推测原子中电荷的分布，认识到原子的核式结构。 汤姆孙的糟糕模型 ? 被α粒子散射实验否定 ? 原子的核式结构模型 实验现象的分析 ? 卢瑟福作出假设——核式结构 ? 原子核的电荷与尺度 第三阶段:在对电子的研究当中，经典电磁理论遇到的矛盾。 光谱(线状光谱、连续光谱、光谱分析) ? 氢原子的光谱 氢原子光谱的实验规律 ? 经典理论的困难 第四阶段:波尔的新观念 ? 波尔的新观念——轨道和能量的量子化(三种假设) ? 数学推理和实验事实(氢光谱实验、弗兰克—赫兹实验) 波尔的原子模型 ? 氢原子的能级图，对氢光谱的解释 ? 波尔模型的局限性