第四章 原子结构和波粒二象性
第三节 原子的核式结构模型
[核心素养·明目标]
核心素养 学习目标
物理观念 知道阴极射线及本质，了解电子及其比荷，知道原子的核式结构模型及原子核的电荷量与尺度。
科学思维 知道电子的电荷量、原子的核式结构模型，能够通过科学推理解决相关的问题。
科学探究 探究阴极射线的本质，理解粒子散射实验，揭示实验本质，得出结论，体会科学家的探索方法，提高观察与实验的能力。
科学态度与责任 通过学习体验科学家探索科学的艰辛，坚持实事求是的科学态度，培养积极探索科学的兴趣。
知识点一 电子的发现
情景导学：
如图所示为汤姆孙的气体放电管。
(1)在金属板D1、D2之间加上如图所示的电场时，发现阴极射线向下偏转，说明它带什么性质的电荷？
(2)在金属板D1、D2之间单独加哪个方向的磁场，可以让阴极射线向上偏转？
答案提示:(1)阴极射线向下偏转，与电场线方向相反，说明阴极射线带负电。
(2)由左手定则可得，在金属板D1、D2之间单独加垂直纸面向外的磁场，可以让阴极射线向上偏转。
1.汤姆孙的探究：
(1)让阴极射线分别通过电场和磁场,根据偏转情况,证明它是带负电的粒子流并求出了它的比荷。
(2)换用不同材料的阴极做实验,所得比荷的数值都相同。证明这种粒子是构成各种物质的共有成分。
(3)进一步研究新现象,不论是由于正离子的轰击,紫外光的照射,金属受热还是放射性物质的自发辐射,都能发射同样的带电粒子——电子。由此可见,电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。
(4)结论
①阴极射线是带电粒子流，带负电。
②不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分，比最轻的氢原子的质量还要小得多，汤姆孙把这种带电粒子称为电子。
2.密立根“油滴实验”：
(1)精确测定电子电荷。(2)电荷是量子化的。
3.电子的有关常量:
4.汤姆孙原子模型:汤姆孙于1898年提出了原子模型,他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,有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。
知识点二 原子的核式结构模型
情景导学：
如图所示为1909年英国物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：
(1)什么是α粒子？
(2)实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？
(3)实验现象如何？
(4)少数α粒子发生大角度散射的原因是什么？
答案提示：(1)α粒子(He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核。质量是电子质量的7300倍。
(2)①α粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子。
②带荧光屏的显微镜：观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光。
实验过程：α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子会改变原来的运动方向。带有显微镜的荧光屏可以沿题图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目。
(3)α粒子散射实验的实验现象：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°。
(4)α粒子带正电，α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射。
知识点二 α粒子散射实验
1.α粒子散射实验
(1)实验装置
(2)实验方法：在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po)，它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上。α粒子穿过金箔后，打到环形荧光屏上，产生一个个闪烁的光点，这些光点可用显微镜观察到。
(3)实验结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被原路弹回，α粒子被反射回来的概率有。
2.卢瑟福原子模型
(1)核式结构模型
①原子内部有一个很小的核，称为原子核，原子的全部正电荷及几乎全部的质量都集中在原子核内，电子在原子核外面运动。
②原子核式结构模型又被称为行星模型。
(2)原子的大小
①原子直径数量级：10－10m。
②原子核直径数量级：10－15m。
思考：α粒子散射实验用的是金箔等重金属箔，而没有用轻金属箔，例如铝箔。除了金的延展性好，可以把金箔做得非常薄这个原因以外，你认为还有什么原因？
答案提示：金原子的质量比α粒子质量大得多，且几乎全部集中在金原子核内，当α粒子穿过金原子区域，靠近金原子核时，其作用力对α粒子运动方向影响很大，而对金原子影响小，便于观察。注意：我们不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。
易错混点1.阴极射线原理及比荷的测定方法
易错混点辨析：
1.阴极射线
(1)阴极射线的产生机理
通常情况下，气体是不导电的。但在强电场中，气体能够被电离而导电。在研究气体放电时，一般都用玻璃管中的稀薄气体。当玻璃管中的气体足够稀薄时，阴极发出的某种射线射在玻璃管壁上而发出荧光，人们把这种射线称为阴极射线。
(2)阴极射线的本质是电子流。
2.带电粒子比荷的测定
(1)让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场，如图甲所示，使其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(qvB＝qE)，得到粒子的运动速度v＝。
(2)撤去电场，如图乙所示，保留磁场，让粒子在匀强磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即qvB＝m，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径R。
(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式
＝。
3.测定带电粒子比荷的方法
1．利用磁偏转测比荷
由qvB＝m得＝，只需知道磁感应强度B、带电粒子的初速度v和偏转半径R即可。
2．利用电偏转测比荷
偏转量y＝at2＝()2，故＝。所以在偏转电场的U、d(平行板电容器两极板间的距离)、L(平行板电容器极板的长度)已知时，只需测量粒子进入偏转电场的初速度v和y即可。
3．利用加速电场测比荷
由动能定理得qU＝mv2，因此＝，在U已知时，只需测出粒子出加速电场时的速度v即可。以上三种方法中都需要测出粒子的运动速度v。粒子的运动速度v通常用速度选择器来测定，如图所示，让带电粒子通过正交的电磁场，让其做匀速直线运动，根据二力平衡即F洛＝F电(qvB＝qE)得到粒子的运动速度v＝。
例1.在再现汤姆孙测阴极射线比荷的实验中,采用了如图所示的阴极射线管,从C出来的阴极射线经过A、B间的电场加速后,水平射入长度为L的D、G平行板间,接着在荧光屏F中心出现荧光斑。若在D、G间加上方向向上、场强为E的匀强电场,阴极射线将向下偏转;如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画),荧光斑恰好回到荧光屏中心,接着再去掉电场,阴极射线向上偏转,偏转角为θ,试解决下列问题:
(1)说明阴极射线的电性。
(2)说明图中磁场沿什么方向。
(3)根据L、E、B和θ,求出阴极射线的比荷。
解析：(1)由于阴极射线在电场中向下偏转,因此阴极射线受电场力方向向下,又由于匀强电场方向向上,则电场力的方向与电场方向相反,所以阴极射线带负电。
(2)由于所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力,而与电场力平衡,由左手定则得磁场的方向垂直纸面向外。
(3)设此射线带电量为q,质量为m,当射线在D、G间做匀速直线运动时,
有qE=Bqv。
当射线在D、G间的磁场中偏转时,有
Bqv=
同时又有L=r·sinθ,如图所示,
解得=。
例2.(多选)如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是( )
A.若在D1、D2两极板之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的中心P1点
B.若在D1、D2两极板之间仅加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转
C.若在D1、D2两极板之间仅加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转
D.若在D1、D2两极板之间仅加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转
解析：选AC。阴极射线是电子流，当D1、D2两极板之间不加电场和磁场时，因电子所受的重力可以忽略不计，阴极射线不发生偏转，将打到最右端的中心P1点，选项A正确；阴极射线在电场中偏转时应偏向D1、D2带正电的极板一侧，选项C正确，B错误；加上与电子运动方向垂直的磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力作用，要发生偏转，选项D错误。
易错易混点2.对α粒子散射实验的理解
易错易混点辨析：
1.α粒子散射实验现象的分析
(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。
(2)少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量比它本身大得多的物质的作用。汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射。
(3)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内。
2.汤姆孙原子模型与卢瑟福原子模型的区别
汤姆孙的“葡萄干面包”模型 卢瑟福的原子核式结构模型
分布情况 正电荷和质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中。 正电荷和几乎全部质量集中在原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内。
α粒子的受力情况 α粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零。 少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小。
α粒子偏转情况 不会发生大角度偏转，更不会被弹回。 绝大多数α粒子运动方向不变；少数α粒子发生较大的偏转；极少数α粒子偏转角度超过90°，有的甚至被弹回。
分析结论 不符合α粒子散射现象。 符合α粒子散射现象。
电子的存在状态 电子在原子内均匀分布。 电子绕原子核高速运动。
3.核式结构的三个要点
(1)电荷分布：正电荷全部在核内，负电荷全部在核外。
(2)质量分布：原子的质量绝大部分在核内，核外电子质量很小。
(3)空间分布：原子核的体积远小于原子的体积，原子的体积是原子核体积的几千亿倍。
例3.如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况。下列说法中正确的是( )
A.在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多
B.在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光
C.卢瑟福选用不同重金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似
D.α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹
解析:选C。α粒子散射实验现象：绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子有大角度偏转，所以A处观察到的屏上的闪光次数多，B处观察到的屏上的闪光次数少，所以选项A、B错误；α粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，所以选项D错误，C正确。
例5.如图所示是英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔的实验装置，下列关于该实验的描述正确的是 ( )
A.α粒子轰击金箔的实验不需要在真空条件下完成
B.该实验揭示了原子有核式结构
C.实验结果表明绝大多数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转
D.该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性
解析：选B。为了避免其他原子的影响，α粒子轰击金箔的实验需要在真空条件下完成，故A错误；α粒子的散射实验说明原子中绝大部分是空的，揭示了原子具有核式结构，故B正确；α粒子的散射实验观测到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，故C错误；通过该实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，同时否定了汤姆孙原子模型，故D错误。
例6.(多选)卢瑟福提出的原子核式结构学说包括下列哪些内容( )
A.原子中心有一个很小的核
B.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
C.原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上
D.带负电的电子在核外空间绕原子核旋转
解析：选ABD。卢瑟福提出的原子核式结构模型是：原子中心有一个很小的原子核，它集中了原子的几乎全部质量和所有的正电荷，电子在核外绕原子核旋转。
例7.人们在研究原子结构时提出过许多模型，其中比较有名的是“葡萄干面包”模型和核式结构模型，它们的模型示意图如图所示。下列说法中正确的是( )
A.α粒子散射实验与“葡萄干面包”模型和核式结构模型的建立无关
B.科学家通过α粒子散射实验否定了“葡萄干面包”模型，建立了核式结构模型
C.科学家通过α粒子散射实验否定了核式结构模型，建立了“葡萄干面包”模型
D.科学家通过α粒子散射实验否定了“葡萄干面包”模型和核式结构模型
解析:选B。卢瑟福通过α粒子散射实验否定了汤姆孙的“葡萄干面包”模型，建立了原子的核式结构模型，故B正确，A、C、D错误。
针对训练
1.(多选)英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现( )
A.阴极射线在电场中偏向正极板一侧
B.阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同
C.不同材料所产生的阴极射线的比荷不同
D.汤姆孙并未精确得出阴极射线粒子的电荷量
解析:选AD。阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧,A对；由于电子带负电，所以其在磁场中受力情况与正电荷不同，B错；不同材料所产生的阴极射线都是电子流，所以它们的比荷是相同的，C错；最早精确测出电子电荷量的是美国物理学家密立根，D对。
2.一提起电子，人们就想起阴极射线管，如图所示，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，发现射线的轨迹往下偏，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.若要使电子束的轨迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现
D.电子束的轨迹与AB中电流方向无关
解析：选BC。阴极射线是高速电子流，由左手定则判断可知，管内磁场垂直纸面向里，由安培定则可知，AB中的电流由B流向A，且改变AB中的电流方向时可以使电子束的轨迹往上偏。故选BC。
例3.如图所示为密立根油滴实验装置，关于该实验的意义下列说法正确的是( )
A.研究悬浮油滴所带电性
B.测量悬浮油滴的电荷量
C.测出了元电荷的值
D.利用二力平衡测出电场的场强大小
解析：选C。此实验的目的是要测量单一电子的电荷量．方法是平衡重力与电场力，使油滴悬浮于两片金属电极之间。并根据已知的电场强度，计算出整颗油滴的总电荷量。重复对许多油滴进行实验之后，密立根发现所有油滴的总电荷量值皆为同一数字的倍数，因此认定此数值为单一电子的电荷量，故选C。
4.在用α粒子轰击金箔的实验中,卢瑟福观察到的α粒子的运动情况是 ( )
A.全部α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进
B.绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回
C.少数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,绝大多数发生较大偏转,甚至被弹回
D.全部α粒子都发生很大偏转
解析：选B。当α粒子穿过原子时,电子对α粒子影响很小,影响α粒子运动的主要是原子核,离核远则α粒子受到的库仑斥力很小,运动方向改变小。只有当α粒子与核十分接近时,才会受到很大的库仑斥力,而原子核很小,所以α粒子接近它的机会就很少,所以绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回,故B正确,A、C、D错误。故选B。
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。如图所示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。则关于α粒子散射实验,下列说法正确的是 ( )
A.图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大
B.图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞
C.绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小
D.根据α粒子散射实验可以估算原子大小
解析：选C。图中大角度偏转的α粒子的电场力先做负功,后做正功,则其电势能先增大后减小,故A错误;图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核之间的库仑斥力作用,并没有发生碰撞,故B错误;从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,可以推测使粒子受到排斥力的核体积极小,所以带正电的物质只占整个原子的很小空间,故C正确;依据α粒子散射实验可以估算原子核的大小,故D错误;故选C。
6.关于原子结构,下列说法正确的是 ( )
A.原子中原子核很小,核外很“空旷”
B.原子核的半径的数量级是10-10 m
C.原子的全部电荷都集中在原子核里
D.原子的全部质量都集中在原子核里
解析：选A。卢瑟福的原子结构模型的内容为:在原子中心有一个很小的核,叫原子核。它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量,电子在核外空间运动,故C、D错;又因为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,两者相差十万倍之多,因此原子内部是十分“空旷”的,故A对,B错。
7.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.原子核的核电荷数比其质量数小
D.质子和中子的质量几乎相等
解析：选C。原子核如果只是由质子组成,那么核的质量与质子质量的比值(即质量数)应该与核的电荷与质子的电荷的比值(即电荷数)相等,但原子核的核电荷数只是质量数的一半或少一些,所以,原子核内除了质子,还可能有一种质量与质子质量相等、但不带电的中性粒子,即中子。
7.关于粒子散射实验的下述说法中正确的是( )
A.实验表明原子中心的核带有原子的全部正电及全部质量
B.实验表明原子中心有一个较大的核，它占有原子体积的较大部分
C.在实验中观察到的现象是绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过，有的甚至被弹回接近
D.使粒子发生明显偏转的力是来自带正电的核及核外电子，当粒子接近核时是核的斥力使粒子发生明显偏转，当粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转
解析：选C。验表明原子中心的核带有原子的全部正电，但不是全部质量，故项错误；粒子散射实验的内容是：绝大多数粒子几乎不发生偏转；少数粒子发生了较大的角度偏转；极少数粒子发生了大角度偏转（偏转角度超过，有的甚至几乎达到，被反弹回来），使粒子发生明显偏转的力是来自带正电的原子核，当粒子接近核时是核的推斥力使粒子发生明显偏转，当粒子接近电子时，由于电子质量远小于粒子质量，所以粒子几乎不发生偏转；从绝大多数粒子几乎不发生偏转，可以推测使粒子受到排斥力的核体积极小；故项正确，、两项错误。
8.如图所示为α粒子散射实验的示意图，放射源发出的α射线打到金箔上，带有荧光屏的显微镜转到不同位置进行观察，图中1、2、3为其中的三个位置。下列对实验结果的叙述或依据实验结果作出的推理正确的是 ( )
A.在位置2接收到的α粒子最多
B.在位置1接收到α粒子说明正电荷不可能均匀分布在原子内
C.位置2接收到的α粒子一定比位置1接收到的α粒子所受金原子核斥力的冲量更大
D.若正电荷均匀分布在原子内，则1、2、3三个位置接收到α粒子的比例应相差不多
解析：选B。由于原子中大部分是空的，故大部分α粒子会沿直线通过金箔，所以在位置3接收到的α粒子最多，故A错误；在位置1接收到α粒子，说明α粒子发生了大角度偏转，可以推测正电荷不可能均匀地分布在原子内，故B正确；位置2接收到的α粒子偏转程度没有位置1的大，所以位置1接收到的α粒子所受金原子核斥力的冲量更大些，故C错误；若正电荷均匀分布在原子内，则1、2位置接收不到α粒子，故D错误。
9.根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为α粒子散射图。图中实线表示α粒子的运动轨迹，则关于α粒子散射实验，下列说法正确的是( )
A.图中发生大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大
B.图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞
C.绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小
D.根据α粒子散射实验可以估算原子的大小
解析：选C。题图中发生大角度偏转的α粒子所受的库仑力先做负功后做正功，电势能先增大后减小，故A错误；α粒子反弹是因为受金原子核的库仑斥力作用，并未发生碰撞，故B错误；绝大多数α粒子沿原方向前进，说明带正电的原子核占据的空间很小，C正确；当α粒子最靠近原子核时，可以估算原子核的大小，无法估算原子的大小，D错误。
10.为了测定带电粒子的比荷，让带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间，已知匀强电场的场强为E，在通过长为L的两金属板后，测得偏离入射方向的距离为d。如果在两板间加垂直电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直粒子的入射方向，磁感应强度为B，则粒子恰好不偏离原来方向，求。
解析：加速度a＝，仅加电场时有d＝·()2，加复合场时有Bqv0＝Eq，联立解得＝。第四章 原子结构和波粒二象性
第三节 原子的核式结构模型
[核心素养·明目标]
核心素养 学习目标
物理观念 知道阴极射线及本质，了解电子及其比荷，知道原子的核式结构模型及原子核的电荷量与尺度。
科学思维 知道电子的电荷量、原子的核式结构模型，能够通过科学推理解决相关的问题。
科学探究 探究阴极射线的本质，理解粒子散射实验，揭示实验本质，得出结论，体会科学家的探索方法，提高观察与实验的能力。
科学态度与责任 通过学习体验科学家探索科学的艰辛，坚持实事求是的科学态度，培养积极探索科学的兴趣。
知识点一 电子的发现
情景导学：
如图所示为汤姆孙的气体放电管。
(1)在金属板D1、D2之间加上如图所示的电场时，发现阴极射线向下偏转，说明它带什么性质的电荷？
(2)在金属板D1、D2之间单独加哪个方向的磁场，可以让阴极射线向上偏转？
答案提示:(1)阴极射线向下偏转，与电场线方向相反，说明阴极射线带负电。
(2)由左手定则可得，在金属板D1、D2之间单独加垂直纸面向外的磁场，可以让阴极射线向上偏转。
1.汤姆孙的探究：
(1)让阴极射线分别通过电场和磁场,根据偏转情况,证明它是带负电的粒子流并求出了它的比荷。
(2)换用不同材料的阴极做实验,所得比荷的数值都相同。证明这种粒子是构成各种物质的共有成分。
(3)进一步研究新现象,不论是由于正离子的轰击,紫外光的照射,金属受热还是放射性物质的自发辐射,都能发射同样的带电粒子——电子。由此可见,电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。
(4)结论
①阴极射线是带电粒子流，带负电。
②不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分，比最轻的氢原子的质量还要小得多，汤姆孙把这种带电粒子称为电子。
2.密立根“油滴实验”：
(1)精确测定电子电荷。(2)电荷是量子化的。
3.电子的有关常量:
4.汤姆孙原子模型:汤姆孙于1898年提出了原子模型,他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,有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。
知识点二 原子的核式结构模型
情景导学：
如图所示为1909年英国物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：
(1)什么是α粒子？
(2)实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？
(3)实验现象如何？
(4)少数α粒子发生大角度散射的原因是什么？
答案提示：(1)α粒子(He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核。质量是电子质量的7300倍。
(2)①α粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子。
②带荧光屏的显微镜：观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光。
实验过程：α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子会改变原来的运动方向。带有显微镜的荧光屏可以沿题图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目。
(3)α粒子散射实验的实验现象：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°。
(4)α粒子带正电，α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射。
知识点二 α粒子散射实验
1.α粒子散射实验
(1)实验装置
(2)实验方法：在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po)，它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上。α粒子穿过金箔后，打到环形荧光屏上，产生一个个闪烁的光点，这些光点可用显微镜观察到。
(3)实验结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被原路弹回，α粒子被反射回来的概率有。
2.卢瑟福原子模型
(1)核式结构模型
①原子内部有一个很小的核，称为原子核，原子的全部正电荷及几乎全部的质量都集中在原子核内，电子在原子核外面运动。
②原子核式结构模型又被称为行星模型。
(2)原子的大小
①原子直径数量级：10－10m。
②原子核直径数量级：10－15m。
思考：α粒子散射实验用的是金箔等重金属箔，而没有用轻金属箔，例如铝箔。除了金的延展性好，可以把金箔做得非常薄这个原因以外，你认为还有什么原因？
答案提示：金原子的质量比α粒子质量大得多，且几乎全部集中在金原子核内，当α粒子穿过金原子区域，靠近金原子核时，其作用力对α粒子运动方向影响很大，而对金原子影响小，便于观察。注意：我们不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。
易错混点1.阴极射线原理及比荷的测定方法
易错混点辨析：
1.阴极射线
(1)阴极射线的产生机理
通常情况下，气体是不导电的。但在强电场中，气体能够被电离而导电。在研究气体放电时，一般都用玻璃管中的稀薄气体。当玻璃管中的气体足够稀薄时，阴极发出的某种射线射在玻璃管壁上而发出荧光，人们把这种射线称为阴极射线。
(2)阴极射线的本质是电子流。
2.带电粒子比荷的测定
(1)让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场，如图甲所示，使其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(qvB＝qE)，得到粒子的运动速度v＝。
(2)撤去电场，如图乙所示，保留磁场，让粒子在匀强磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即qvB＝m，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径R。
(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式
＝。
3.测定带电粒子比荷的方法
1．利用磁偏转测比荷
由qvB＝m得＝，只需知道磁感应强度B、带电粒子的初速度v和偏转半径R即可。
2．利用电偏转测比荷
偏转量y＝at2＝()2，故＝。所以在偏转电场的U、d(平行板电容器两极板间的距离)、L(平行板电容器极板的长度)已知时，只需测量粒子进入偏转电场的初速度v和y即可。
3．利用加速电场测比荷
由动能定理得qU＝mv2，因此＝，在U已知时，只需测出粒子出加速电场时的速度v即可。以上三种方法中都需要测出粒子的运动速度v。粒子的运动速度v通常用速度选择器来测定，如图所示，让带电粒子通过正交的电磁场，让其做匀速直线运动，根据二力平衡即F洛＝F电(qvB＝qE)得到粒子的运动速度v＝。
例1.在再现汤姆孙测阴极射线比荷的实验中,采用了如图所示的阴极射线管,从C出来的阴极射线经过A、B间的电场加速后,水平射入长度为L的D、G平行板间,接着在荧光屏F中心出现荧光斑。若在D、G间加上方向向上、场强为E的匀强电场,阴极射线将向下偏转;如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画),荧光斑恰好回到荧光屏中心,接着再去掉电场,阴极射线向上偏转,偏转角为θ,试解决下列问题:
(1)说明阴极射线的电性。
(2)说明图中磁场沿什么方向。
(3)根据L、E、B和θ,求出阴极射线的比荷。
解析：(1)由于阴极射线在电场中向下偏转,因此阴极射线受电场力方向向下,又由于匀强电场方向向上,则电场力的方向与电场方向相反,所以阴极射线带负电。
(2)由于所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力,而与电场力平衡,由左手定则得磁场的方向垂直纸面向外。
(3)设此射线带电量为q,质量为m,当射线在D、G间做匀速直线运动时,
有qE=Bqv。
当射线在D、G间的磁场中偏转时,有
Bqv=
同时又有L=r·sinθ,如图所示,
解得=。
例2.(多选)如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是( )
A.若在D1、D2两极板之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的中心P1点
B.若在D1、D2两极板之间仅加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转
C.若在D1、D2两极板之间仅加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转
D.若在D1、D2两极板之间仅加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转
解析：选AC。阴极射线是电子流，当D1、D2两极板之间不加电场和磁场时，因电子所受的重力可以忽略不计，阴极射线不发生偏转，将打到最右端的中心P1点，选项A正确；阴极射线在电场中偏转时应偏向D1、D2带正电的极板一侧，选项C正确，B错误；加上与电子运动方向垂直的磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力作用，要发生偏转，选项D错误。
易错易混点2.对α粒子散射实验的理解
易错易混点辨析：
1.α粒子散射实验现象的分析
(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。
(2)少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量比它本身大得多的物质的作用。汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射。
(3)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内。
2.汤姆孙原子模型与卢瑟福原子模型的区别
汤姆孙的“葡萄干面包”模型 卢瑟福的原子核式结构模型
分布情况 正电荷和质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中。 正电荷和几乎全部质量集中在原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内。
α粒子的受力情况 α粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零。 少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小。
α粒子偏转情况 不会发生大角度偏转，更不会被弹回。 绝大多数α粒子运动方向不变；少数α粒子发生较大的偏转；极少数α粒子偏转角度超过90°，有的甚至被弹回。
分析结论 不符合α粒子散射现象。 符合α粒子散射现象。
电子的存在状态 电子在原子内均匀分布。 电子绕原子核高速运动。
3.核式结构的三个要点
(1)电荷分布：正电荷全部在核内，负电荷全部在核外。
(2)质量分布：原子的质量绝大部分在核内，核外电子质量很小。
(3)空间分布：原子核的体积远小于原子的体积，原子的体积是原子核体积的几千亿倍。
例3.如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况。下列说法中正确的是( )
A.在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多
B.在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光
C.卢瑟福选用不同重金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似
D.α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹
解析:选C。α粒子散射实验现象：绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子有大角度偏转，所以A处观察到的屏上的闪光次数多，B处观察到的屏上的闪光次数少，所以选项A、B错误；α粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，所以选项D错误，C正确。
例5.如图所示是英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔的实验装置，下列关于该实验的描述正确的是 ( )
A.α粒子轰击金箔的实验不需要在真空条件下完成
B.该实验揭示了原子有核式结构
C.实验结果表明绝大多数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转
D.该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性
解析：选B。为了避免其他原子的影响，α粒子轰击金箔的实验需要在真空条件下完成，故A错误；α粒子的散射实验说明原子中绝大部分是空的，揭示了原子具有核式结构，故B正确；α粒子的散射实验观测到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，故C错误；通过该实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，同时否定了汤姆孙原子模型，故D错误。
例6.(多选)卢瑟福提出的原子核式结构学说包括下列哪些内容( )
A.原子中心有一个很小的核
B.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
C.原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上
D.带负电的电子在核外空间绕原子核旋转
解析：选ABD。卢瑟福提出的原子核式结构模型是：原子中心有一个很小的原子核，它集中了原子的几乎全部质量和所有的正电荷，电子在核外绕原子核旋转。
例7.人们在研究原子结构时提出过许多模型，其中比较有名的是“葡萄干面包”模型和核式结构模型，它们的模型示意图如图所示。下列说法中正确的是( )
A.α粒子散射实验与“葡萄干面包”模型和核式结构模型的建立无关
B.科学家通过α粒子散射实验否定了“葡萄干面包”模型，建立了核式结构模型
C.科学家通过α粒子散射实验否定了核式结构模型，建立了“葡萄干面包”模型
D.科学家通过α粒子散射实验否定了“葡萄干面包”模型和核式结构模型
解析:选B。卢瑟福通过α粒子散射实验否定了汤姆孙的“葡萄干面包”模型，建立了原子的核式结构模型，故B正确，A、C、D错误。
针对训练
1.(多选)英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现( )
A.阴极射线在电场中偏向正极板一侧
B.阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同
C.不同材料所产生的阴极射线的比荷不同
D.汤姆孙并未精确得出阴极射线粒子的电荷量
2.一提起电子，人们就想起阴极射线管，如图所示，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，发现射线的轨迹往下偏，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.若要使电子束的轨迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现
D.电子束的轨迹与AB中电流方向无关
例3.如图所示为密立根油滴实验装置，关于该实验的意义下列说法正确的是( )
A.研究悬浮油滴所带电性
B.测量悬浮油滴的电荷量
C.测出了元电荷的值
D.利用二力平衡测出电场的场强大小
4.在用α粒子轰击金箔的实验中,卢瑟福观察到的α粒子的运动情况是 ( )
A.全部α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进
B.绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回
C.少数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,绝大多数发生较大偏转,甚至被弹回
D.全部α粒子都发生很大偏转
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。如图所示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。则关于α粒子散射实验,下列说法正确的是 ( )
A.图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大
B.图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞
C.绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小
D.根据α粒子散射实验可以估算原子大小
6.关于原子结构,下列说法正确的是 ( )
A.原子中原子核很小,核外很“空旷”
B.原子核的半径的数量级是10-10 m
C.原子的全部电荷都集中在原子核里
D.原子的全部质量都集中在原子核里
7.关于粒子散射实验的下述说法中正确的是( )
A.实验表明原子中心的核带有原子的全部正电及全部质量
B.实验表明原子中心有一个较大的核，它占有原子体积的较大部分
C.在实验中观察到的现象是绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过，有的甚至被弹回接近
D.使粒子发生明显偏转的力是来自带正电的核及核外电子，当粒子接近核时是核的斥力使粒子发生明显偏转，当粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转
8.如图所示为α粒子散射实验的示意图，放射源发出的α射线打到金箔上，带有荧光屏的显微镜转到不同位置进行观察，图中1、2、3为其中的三个位置。下列对实验结果的叙述或依据实验结果作出的推理正确的是 ( )
A.在位置2接收到的α粒子最多
B.在位置1接收到α粒子说明正电荷不可能均匀分布在原子内
C.位置2接收到的α粒子一定比位置1接收到的α粒子所受金原子核斥力的冲量更大
D.若正电荷均匀分布在原子内，则1、2、3三个位置接收到α粒子的比例应相差不多
9.根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为α粒子散射图。图中实线表示α粒子的运动轨迹，则关于α粒子散射实验，下列说法正确的是( )
A.图中发生大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大
B.图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞
C.绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小
D.根据α粒子散射实验可以估算原子的大小
10.为了测定带电粒子的比荷，让带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间，已知匀强电场的场强为E，在通过长为L的两金属板后，测得偏离入射方向的距离为d。如果在两板间加垂直电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直粒子的入射方向，磁感应强度为B，则粒子恰好不偏离原来方向，求。
