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3.原子的核式结构模型
第四章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.知道阴极射线的概念,了解电子的发现过程,知道电子是原子的组成部分。
2.了解α粒子散射实验,知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容。
1.通过了解电子的发现过程,体验科学探究精神。
2.通过对卢瑟福的原子核式结构模型的学习,体会科学思维过程。
自主预习 新知导学
一、电子的发现
1.阴极射线。
科学家在研究稀薄气体放电时发现,当玻璃管内的气体足够稀薄时,阴极就发出一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光,这种射线称为 阴极射线 。
2.电子的发现。
(1)汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的 偏转 情况断定,它的本质是带负电 (选填“正电”或“负电”)的粒子流,并求出了这种粒子的比荷。
(2)汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的电荷量,证明这种粒子电荷量的大小与氢离子大致相同。后来,组成阴极射线的粒子被称为电子。
(3)电子电荷的精确测定是由密立根通过 “油滴实验”做出的。电荷是量子化的,即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
二、原子的核式结构模型
1.汤姆孙认为原子是一个 球体 , 正电荷 弥漫性地 均匀 分布在整个球体内,电子 镶嵌 其中。
2.α粒子散射实验。
(1)α粒子散射实验装置由 α粒子源 、金箔 、显微镜 、荧光屏等几部分组成,实验时从α粒子放射源到荧光屏这段路程处于真空中。
(2)实验现象:
①绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿 原来 的方向前进;
②少数α粒子发生了 大角度 偏转;极少数偏转的角度甚至 大于90°,它们几乎被“ 撞了回来 ”。
(3)实验意义:卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构 模型。
(4)α粒子散射实验能不能观察到原子的实际结构
答案：α粒子散射实验并不能观察到原子的实际结构,它只能根据α粒子通过金箔时的散射情况,推断出金原子的核式结构模型。
3.卢瑟福的核式结构模型:
1911年卢瑟福提出了自己的原子结构模型。他设想:原子中带正电部分的体积很小,但几乎占有全部 质量 , 电子 在正电体的外面运动。
4.原子核的电荷与尺度:
对于一般的原子核,实验确定的核半径的数量级为 10-15 m,而整个原子半径的数量级是10-10 m。
5.原子中的原子核所带的电荷量有何特点
答案：原子核带正电,所带电荷量与核外电子所带的电荷量绝对值相等。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)组成阴极射线的粒子是电子。( )
(2)电子是原子的组成部分,电子电荷量可以取任意数值。( )
(3)α粒子带有一个单位的正电荷,质量为氢原子质量的2倍。( )
(4)α粒子散射实验证实了汤姆孙的枣糕式原子模型。( )
(5)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小,电子在正电体外面运动。( )
(6)对于一般的原子,由于原子核很小,所以内部十分空旷。( )
√
√
√
×
×
×
2.按照汤姆孙的模型,α粒子穿过金箔时,α粒子的受力有什么特点
答案：按照汤姆孙的模型,正电荷均匀分布在整个原子中,当α粒子穿过原子时,受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡。
合作探究 释疑解惑
知识点一
电子的发现
【问题引领】
如图所示,在阴极和阳极之间加上高电压,阴极射线从阴极射线管中的阴极发出,射向阳极。
根据带电粒子在电、磁场中的运动规律,哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的正负
提示：带电粒子垂直进入匀强电场时,正负电荷的偏转方向不同,偏转方向与电场强度方向相同(相反)的粒子带正(负)电,不带电者不偏转。
带电粒子垂直进入匀强磁场时,做匀速圆周运动,所受的洛伦兹力提供向心力,根据左手定则可知其电性。
【归纳提升】
1.对阴极射线本质的认识——两种观点
(1)电磁波说认为这种射线是一种电磁辐射。
(2)粒子说认为这种射线是一种带电粒子流。
2.阴极射线带电性质的判断方法
(1)方法一:在阴极射线所经区域加上电场,通过打在荧光屏上的亮点位置的变化和电场的情况确定带电的性质。
(2)方法二:在阴极射线所经区域加一磁场,根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质。
3.实验结果
根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况,判断出阴极射线是粒子流,并且带负电。
【典型例题】
【例题1】 (多选)汤姆孙的气体放电管的示意图如图所示,不考虑电子重力,下列说法正确的是( )
A.若在D1、D2之间不加电场和磁场,则阴极射线应打到最右端的P1点
B.若在D1、D2之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向下偏转
C.若在D1、D2之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向上偏转
D.若在D1、D2之间加上垂直于纸面向里的磁场,则阴极射线不偏转
AC
解析：若在D1、D2之间不加电场和磁场,由于惯性,阴极射线应打到最右端的P1点,A正确。阴极射线是电子流,带负电,若在D1、D2之间加上竖直向下的电场,则电场力向上,故阴极射线应向上偏转,B错误,C正确。若在D1、D2之间加上垂直于纸面向里的磁场,根据左手定则,电子受到的洛伦兹力向下,故阴极射线向下偏转,D错误。
误区警示 阴极射线的本质是电子流,电子在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于其所受重力,故研究电场力(或洛伦兹力)对电子运动的影响时,一般不考虑重力的影响。
【变式训练1】 (多选)一只阴极射线管,左侧不断有电子射出,若在管的正下方放一通电直导线AB,发现射线径迹下偏,如图所示。则( )
A.导线中的电流由A流向B
B.导线中的电流由B流向A
C.若要使电子束的径迹向上偏,可以通过改变AB中电流的方向来实现
D.电子的径迹与AB中电流的方向无关
BC
解析：从阴极射线管中射出的阴极射线是带负电的电子流,在导线AB形成的磁场中向下偏转,由左手定则可知磁场是垂直于纸面向里的,根据安培定则可知导线AB中的电流是由B流向A的,A错,B对。通过改变AB中的电流方向可以改变磁场方向,从而使阴极射线的受力方向向上,使电子束的径迹向上偏,C对。由此可知电子束的径迹与AB中的电流方向即AB形成的磁场方向有关,D错。
【问题引领】
知识点二
原子的核式结构模型
1.汤姆孙发现电子后提出了“枣糕”原子模型,卢瑟福为寻找实验依据设计进行了α粒子散射实验。α粒子散射实验有何意义
2.α粒子散射实验的结果为何可以说明原子核尺度很小,但几乎占有全部质量
提示：1.否定了汤姆孙的原子结构模型。卢瑟福提出了原子的核式结构模型。
2.α粒子散射实验中,绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进,说明带正电荷部分很小,少数α粒子被“撞了回来”说明遇到了质量很大的部分。
【归纳提升】
1.实验现象。
(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。
(2)少数α粒子发生较大的偏转。
(3)极少数α粒子偏转角度超过90°,有的几乎达到180°。
2.原子核的组成:原子核由质子和中子组成,原子核的电荷数等于原子核的质子数。
3.原子内的电荷关系:原子核的电荷数与核外的电子数相等,非常接近原子序数。
4.原子核的大小:原子的半径数量级为10-10 m,原子核半径的数量级为10-15 m,原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一,体积只相当于原子体积的10-15。
【典型例题】
【例题2】 (多选)卢瑟福对α粒子散射实验的解释是( )
A.使α粒子产生偏转的主要原因是原子中电子对α粒子的作用力
B.使α粒子产生偏转的力是库仑力
C.原子核很小,α粒子接近它的机会很小,所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进
D.能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子
解析：原子核带正电,与α粒子之间存在库仑力,当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转,电子对它的影响可忽略,故A错,B对。由于原子核非常小,绝大多数粒子经过时离原子核较远因而运动方向几乎不变,只有离原子核很近的α粒子受到的库仑力较大,方向改变较多,故C、D对。
BCD
科学思维 α粒子散射实验是得出原子核式结构模型的实验基础,对实验现象的分析是建立卢瑟福核式结构模型的关键。通过对α粒子散射实验这一宏观探测,间接地构建出原子结构的微观图景。
【变式训练2】 (多选)卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有( )
A.原子的中心有个核,叫原子核
B.原子的正电荷均匀分布在整个原子中
C.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内
D.带负电的电子在核外运动
解析：由卢瑟福原子核式结构理论可知,在原子的中心有一个很小的核,叫作原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,带负电的电子在核外运动,所以,B选项错误,A、C、D选项正确。
ACD
课堂小结
随堂练习
1.(阴极射线)阴极射线管中的高电压的作用是( )
A.使管内气体电离
B.使管内产生阴极射线
C.使管中障碍物的电势升高
D.使电子加速
解析：在阴极射线管中,阴极处于炽热状态而发射的电子通过高压加速获得能量,与玻璃发生碰撞而产生荧光,故D正确。
D
2.(阴极射线的实质)关于阴极射线的实质,下列说法正确的是( )
A.阴极射线实质是氢原子
B.阴极射线实质是电磁波
C.阴极射线实质是电子
D.阴极射线实质是X射线
解析：阴极射线是原子受激发射出的电子,所以C正确。
C
3.(原子的核式结构模型)(多选)根据卢瑟福的原子核式结构理论,下列对原子结构的认识正确的是( )
A.原子中绝大部分是空的,原子核很小
B.电子在核外运动,库仑力提供向心力
C.原子的全部正电荷都集中在原子核里
D.原子核的直径大约为10-10 m
解析：卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型,提出了关于原子的核式结构学说,并估算出原子核半径的数量级为10-15 m,原子半径的数量级为10-10 m,原子半径是原子核半径的十万倍,所以原子内部是十分“空旷”的,核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引而绕核运动,所以A、B、C正确,D错误。
ABC
4.(α粒子散射实验)(多选)关于α粒子的散射实验,下列说法正确的是
( )
A.该实验说明原子中正电荷是均匀分布的
B.α粒子发生大角度散射的主要是原子中原子核的作用
C.只有少数α粒子发生大角度散射的原因是原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上
D.卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子核式结构理论
解析：在α粒子散射实验中,有少数α粒子发生大角度偏转说明原子内有一质量很大的物质存在,这一物质带有较大的正电荷,且体积很小,但不能说明原子中正电荷是均匀分布的,故A错误,B、C正确。卢瑟福依据α粒子散射实验的现象提出了原子的核式结构理论,D正确。
BCD
本 课 结 束3.原子的核式结构模型
课后训练 巩固提升
基础巩固
1.卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用α粒子轰击金箔,实验中发现α粒子( )
A.全部穿过或发生很小偏转
B.绝大多数穿过,只有少数发生较大偏转,有的甚至被弹回
C.绝大多数发生很大偏转,甚至被弹回,只有少数穿过
D.全部发生很大偏转
答案：B
解析：卢瑟福的α粒子散射实验结果是绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,只有少数发生了较大角度偏转,并且有极少数α粒子偏转角超过了90°,有的甚至被弹回,故选项B正确,选项A、C、D错误。
2.(多选)关于电荷量,下列说法正确的是( )
A.物体的电荷量可以是任意值
B.物体的电荷量只能是某些值
C.物体的电荷量的最小值为1.6×10-19 C
D.一个物体带1.6×10-9 C的正电荷,这是它失去了1010个电子的缘故
答案：BCD
解析：电子的电荷量是1.6×10-19 C,物体的电荷量只能是它的整数倍,所以选项A错误,选项B、C正确。一个物体带正电,是因为失去电子的缘故,计算可得选项D正确。
3.卢瑟福预想到原子核内除质子外,还有中子的事实依据是( )
A.电子数与质子数相等
B.原子核的质量大约是质子质量的整数倍
C.原子核的核电荷数只是质量数的一半或少一些
D.质子和中子的质量几乎相等
答案：C
解析：卢瑟福发现质子后,设想原子核只由质子组成,但核电荷数只是质量数的一半或少一些,这与假设相矛盾,因此他又设想原子核内除质子外还有不带电的中子存在,所以选项C正确。
4.(多选)下列说法正确的是( )
A.电子的发现说明原子是可以再分的
B.在强电场中气体能够被电离而导电
C.阴极射线的实质是电磁波
D.阴极射线在真空中通过磁场时速度方向一定发生偏转
答案：AB
解析：电子的发现说明原子可以再分,A正确。在强电场中气体能够被电离而导电,B正确。阴极射线的本质是电子流,C错误。当射线速度方向与磁场方向平行时,射线速度方向不发生偏转,D错误。
5.根据α粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。右图为原子核式结构模型的α粒子散射图景。图中实线表示α粒子的运动轨迹。其中一个α粒子在从a运动到b、再运动到c的过程中(α粒子在b点时距原子核最近),下列判断正确的是( )
A.α粒子的动能先增大后减小
B.α粒子的电势能先增大后减小
C.α粒子的加速度先变小后变大
D.电场力对α粒子先做正功后做负功
答案：B
解析：α粒子从a经b到达c的过程中,电场力先做负功后做正功,D错误。α粒子的动能先减小后增大,A错误。α粒子的电势能先增大后减小,B正确。α粒子的加速度先变大后变小,C错误。
6.如图所示,电子以初速度v0从O点沿OO'进入长为l、板间距离为d、电势差为U的平行板电容器中,出电场时打在屏上P点,经测量O'、P间的距离为y0,求电子的比荷。
答案：
解析：由于电子进入电场中做类平抛运动,沿电场线方向做初速度为零的匀加速直线运动,满足y0=at2=,则。
能力提升
1.下列说法正确的是( )
A.汤姆孙精确地测出了电子的电荷量e=1.602×10-19 C
B.电子电荷量的精确值是卢瑟福测出的
C.物体所带电荷量可以是任意值
D.物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍
答案：D
解析：密立根通过油滴实验精确测得了电子的电荷量并提出了电荷量是量子化的,A、B错误。物体所带电荷量的最小值是e,所带电荷量只能是元电荷的整数倍,C错误,D正确。
2.(多选)关于α粒子散射实验的说法正确的是( )
A.少数α粒子发生大角度偏转,是因为它碰到了原子中的电子
B.α粒子在靠近原子核时,库仑斥力对它做负功,它的动能转化为电势能
C.α粒子距离原子核最近时,加速度一定等于零,此时系统总能量最大
D.卢瑟福根据α粒子散射实验的现象,否定了汤姆孙的原子模型,提出原子核式结构模型
答案：BD
解析：由于电子质量远小于α粒子质量,因而大多数α粒子沿直线运动,A错。α粒子距原子核最近时,加速度最大,电势能最大,总能量不变,C错。
3.(多选)1897年,英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的探究,最终发现了电子,被称为“电子之父”。下列关于电子的说法正确的是( )
A.目前公认的电子电荷量e的值为1.6×10-19 C
B.不同物质中具有不同的电子
C.电子质量是质子质量的1 836倍
D.电子是一种粒子,是比原子更基本的物质单元
答案：AD
解析：目前公认的电子电荷量e的值为1.6×10-19 C,A对。汤姆孙用不同的材料作阴极,都能发现阴极射线且阴极射线均为同一物质——电子,B错。根据对电子比荷的测定可知,电子电荷量和氢原子核的电荷量相同,电子的质量远小于质子质量,是质子质量的,说明电子有质量和电荷量,是一种粒子,并且电子是比原子更基本的物质单元,C错,D对。
4.(多选)右图为α粒子散射实验中α粒子穿过某一原子核附近时的示意图,A、B、C三点分别位于两个等势面上,则以下说法正确的是( )
A.α粒子在A点的速度比在B点的速度小
B.α粒子在B点的速度最大
C.α粒子在A、C点的速度大小相等
D.α粒子在B点的速度比在C点的速度小
答案：CD
解析：由A到B,库仑力做负功,动能减小,则α粒子在A点的动能大于在B点的动能,在A点的速度大于在B点的速度,故A、B错误。由A运动到C,库仑力做功为零,则动能不变,所以α粒子在A、C点的速度大小相等,故C正确。由B到C,库仑力做正功,根据动能定理知,动能增大,则α粒子在C点的速度大于在B点的速度,故D正确。
5.如图所示,有一电子(电荷量为e)经电压为U0的电场加速后,进入两块间距为d、电压为U的平行金属板间,若电子从两板正中间垂直于电场方向射入,且正好能穿过电场,求:
(1)金属板的长度;
(2)电子穿出电场时的动能。
答案：(1)d (2)eU0+e
解析：(1)设电子质量为m, 被加速后速度大小为v0,电子在加速电场中,
由动能定理得eU0=
在偏转电场中,电子做类平抛运动,设加速度为a,金属板长度为l,由于电子恰好射出电场,所以有e=ma l=v0t d=at2
联立解得l=d。
(2)设电子穿过电场时的动能为Ek,
根据动能定理Ek=eU0+e。
6.下图为汤姆孙用来测定电子比荷的装置。当极板P和P'间不加偏转电压时,电子束打在荧光屏的中心O点处,形成一个亮点;加上偏转电压U后,亮点偏离到O'点,O'点到O点的竖直距离为d,水平距离可忽略不计;此时在P与P'之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场,调节磁感应强度,当其大小为B时,亮点重新回到O点。已知极板水平方向长度为l1,极板间距为b,极板右端到荧光屏的距离为l2。
(1)求打在荧光屏O点的电子的速度大小。
(2)推导出电子比荷的表达式。
答案：(1) (2)
解析：(1)电子在正交的匀强电场和匀强磁场中做匀速直线运动,
有Bev=Ee=e 解得v=。
(2)由d=可得 。
