第3节 原子的核式结构模型 课件-2025-2026学年高二下学期物理选择性必修第三册（48页PPT）

(共48张PPT)
第四章 原子结构和波粒二象性
第3节 原子的核式结构模型
图解课标要点
_______________________________ 电子的发现揭开了原子内部神秘结构的一角，但是当时无法直接通过实验探测 原子内部的奥秘，卢瑟福根据 粒子散射实验现象，结合理论推导，提出了原子 核式结构模型，这给当时的物理学家以巨大震动，对原子物理学的发展起到了重大 推动作用。那么原子具有怎样的结构呢？这是本节学习的主要内容。 学思用·典例详解
【想一想丨问题驱动】
玻璃壁上出现的淡淡的荧光就是阴极射线吗？
提示 不是。阴极射线本身是不能由人眼直接看到的，但它能使荧光物质受激发射
荧光，玻璃中含有荧光性物质，这也是玻璃壁上出现荧光的原因。
例1-1 （多选）如图4-3-3所示，一只阴极射线管左侧不断有电子射出，若在管的正
下方平行放置一通电直导线 ，发现射线径迹向下偏，则( )
BC
图4-3-3
A.导线中的电流由流向
B.导线中的电流由流向
C.若要使射线的径迹往上偏，可以通过改变 中的电流方向来实
现
D.射线的径迹与 中的电流方向无关
【解析】 中通有的电流在阴极射线管中产生磁场，电子受到洛伦兹力的作用而发
生偏转，由左手定则可知，阴极射线管中的磁场方向垂直纸面向里，所以根据安培
定则可知，中的电流方向应为从流向。当中的电流方向变为从流向 时，
上方的磁场方向变为垂直纸面向外，电子所受的洛伦兹力方向变为向上，射线的
径迹变为向上偏转。所以本题的正确选项为B、C。
图4-3-4
例1-2 [教材第83页“练习与应用”第2题改编]电子所带电荷量的精
确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的。密立
根实验的原理图如图4-3-4所示，、 是两块平行放置的水平金属
板，板带正电， 板带负电。从喷雾器嘴喷出的小油滴，落到
、两板之间的电场中，小油滴由于摩擦而带负电，调节、 两
【答案】 倍
板间的电压，可使小油滴受到的电场力和重力平衡，已知小油滴静止时所在处的电
场强度大小是，小油滴半径是 ，油的密度是
，取 ,求小油滴所带的电荷量及这个电荷量是电子电荷量的多
少倍。
【解析】小油滴质量
由题意知
由以上两式可得
，故小油滴所带的电荷量是电子电荷量 的5倍。
学思用·典例详解
【想一想丨问题质疑】
为什么在 粒子散射实验中要选用金箔作为“靶子”？
【提示 （1）金原子核带电荷量，对 粒子有较明显的库仑力的作用；
（2）金原子核的质量比 粒子的质量大得多， 粒子不会使金原子核发生明显运
动；（3）金的延展性好，可以制成薄片，能减少 粒子与金原子核发生二次碰撞的
可能性。】
例2-3 在 粒子散射实验中，不考虑电子和 粒子碰撞的影响，这是因为( )
C
A. 粒子和电子根本无相互作用
B.电子是均匀分布的， 粒子受电子作用的合力为零
C. 粒子在和电子碰撞过程中动量的改变量极小，可忽略不计
D.电子体积很小， 粒子碰撞不到电子
【解析】 粒子与电子之间存在着相互作用力，这个作用力是库仑引力，但由于电
子质量很小，只有 粒子质量的，碰撞时电子对 粒子的运动影响极小，可以
忽略不计，故C正确，A、B、D错误。
例2-4 [链接教材第81页图4.3-3](2025·福建省福鼎市第一中学月考) 粒子散射实验
装置如图4-3-7所示。通过该实验，我们可以知道( )
C
图4-3-7
A.该实验证实了汤姆孙的“枣糕模型”是正确的
B.大多数 粒子穿过金箔后，其运动方向受到
较大的影响
C.占原子质量绝大部分的带正电物质集中在很
小的空间范围内
D.原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布
在整个球体内，电子镶嵌在其中
【解析】 粒子散射实验证明带正电的那部分物质占原子质量的绝大部分，而且集
中在很小的空间范围，从而证明了汤姆孙的“枣糕模型”是错误的，故A、D错误，C
正确； 粒子散射实验中只有极少数 粒子发生大角度的偏转，绝大多数 粒子穿
过金箔后仍沿原方向前进，故B错误。
学思用·典例详解
例3-5 卢瑟福的 粒子散射实验结果表明( )
D
A.原子是由原子核和核外电子组成的
B.原子核外电子绕核做圆周运动
C.原子中的正电荷均匀分布在原子内
D.原子的正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
【解析】卢瑟福由 粒子散射实验现象提出了原子的核式结构模型，认为原子的正
电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核上，整个原子很空旷，卢瑟福由此提出
原子是由原子核和核外电子组成的，原子核外电子绕核做圆周运动。故D正确，A、
B、C错误。
【学会了吗丨变式题】
1.（多选）卢瑟福根据 粒子散射实验推测出( )
CD
A.原子中除了质子外还存在中子
B.原子的质量和其中正电荷是均匀分布的
C.原子的结构类似于太阳系的结构
D.原子几乎全部的质量和全部正电荷集中在很小的区域内
【解析】 粒子散射实验说明原子内存在一个集中了原子全部正电荷和几乎全部质
量的核，但是 粒子散射实验不能证明原子核是由质子和中子组成的，故A、B错误，
D正确。卢瑟福通过 粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，该模型和太阳系
的结构类似，称为“行星模型”，故C正确。
方法帮 解题课丨关键能力构建
题型1 判断射线的电性及偏转
图4-3-9
例6 如图4-3-9所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长
直导线，则阴极射线（电子束）将( )
D
A.向纸内偏转 B.向纸外偏转 C.向下偏转 D.向上偏转
思路点拨 先由安培定则判定通电直导线在阴极射线管处产生的磁场方向，再由左
手定则判定受力方向。
【解析】由题目条件不难判断阴极射线管所在处磁场垂直纸面向外，电子从负极射
出，由左手定则可判定阴极射线（电子束）向上偏转。故正确选项为D。
名师点评 阴极射线（电子束）从电源的负极射出，用左手定则判断其受力方向时四
指的指向应和射线的运动方向相反。
【学会了吗丨变式题】
2.(2025·上海市延安中学月考)如图4-3-11是阴极射线管示意图，接通电源后，阴极射
线由阴极沿 轴正方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线。要使荧光屏上的亮线向下
轴负方向 偏转，在下列措施中可采用的是( )
C
图4-3-11
A.加一磁场，磁场方向沿轴负方向 B.加一磁场，磁场方向沿 轴负方向
C.加一电场，电场方向沿轴正方向 D.加一电场，电场方向沿 轴正方向
【解析】
题型2 测定阴极射线中粒子的比荷
图4-3-12
例7 [教材第83页“练习与应用”第3题改编]汤姆孙
用来测定电子的比荷（电子的电荷量与质量之比）
的实验装置如图4-3-12所示。真空管内的阴极 发
出的电子（不计初速度、重力和电子间的相互作用）
经、A间加速电压加速后，穿过小孔 沿中心轴
的方向进入到两块水平正对放置的平行极板和 间的区域内。当极板间不加偏
转电压时，电子束打在荧光屏的中心点处，形成一个亮点；加上偏转电压 后，亮
点偏离到点点与点的竖直间距为，水平间距可忽略不计。此时，在和 间
的区域内，再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场。调节磁场的强弱，当磁感
应强度的大小为时，亮点重新回到点。已知极板水平方向的长度为 ，极板间距
为，极板右端到荧光屏的距离为 。
（1）求打在荧光屏 点的电子速度的大小。
【答案】
【解析】
当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回到中心
点，设电子的速度为，则，得,又,得 。
（2）推导出电子的比荷的表达式。
【答案】
[第1步：求电子经过偏转电场的过程中在竖直方向上偏转的距离]
当极板间仅有偏转电场时，电子以速度 进入后，在竖直方向做匀加速直线运动，加
速度
电子在水平方向做匀速直线运动，在偏转电场中的运动时间
电子在时间内竖直向上偏转的距离
[第2步：求电子从离开偏转电场至到达荧光屏沿竖直方向偏转的距离]
离开偏转电场时竖直向上的分速度
电子离开偏转电场后做匀速直线运动，经时间到达荧光屏，则
时间内向上运动的距离
[第3步：求电子向上偏转的总距离]
电子向上的总偏转距离
[第4步：求电子比荷的表达式]
可解得 。
（3）上述实验中，未记录阴极与阳极A之间的加速电压 ，根据上述实验数据能
否推导出 的表达式？并说明理由。
【答案】见解析
【解析】
能。由动能定理可得,根据和的表达式，可推导出 的表达式。
【学会了吗丨变式题】
图4-3-15
3.[链接教材第78页图4.3-1]在汤姆孙测量阴极射
线粒子比荷的实验中,采用了如图4-3-15所示的阴
极射线管，从 射出的阴极射线经过电场加速后，
穿过小孔、水平射入长度为的、 平行板
间，接着在荧光屏中心出现荧光斑。若在、
间加上方向向下、电场强度为的匀强电场，阴极射线将向上偏转；如果在、 间
的电场区再加上一垂直纸面的磁感应强度为 的匀强磁场（图中未画出），荧光斑恰
好回到荧光屏中心；接着再去掉电场，阴极射线向下偏转，偏转角为 。试解决下
列问题：
（1）说明阴极射线的电性；
【答案】带负电荷
【解析】由于、 间只加匀强电场时，阴极射线向上偏转，因此所受电场力方向向上，
又由于匀强电场方向向下，电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电荷。
（2）说明所加磁场沿什么方向；
【答案】垂直纸面向里
【解析】由于所加磁场使阴极射线受到向下的洛伦兹力，由左手定则得磁场的方向
垂直纸面向里。
（3）根据、、和 ，求出阴极射线粒子的比荷。
【答案】
【解析】设此射线中的粒子带电荷量为，质量为，当射线在、 间做匀速直线
运动时，有
①
当射线在、 间的磁场中偏转时，有
②
偏转轨迹如图所示，由几何关系可得
③
联立①②③得 。
题型3 对 粒子散射实验的理解
图4-3-16
例8 (2025·广东深圳期中) 粒子散射实验装置如图4
-3-16所示，在一个小铅盒里放有少量的放射性元素
作为放射源，它发出的 粒子从铅盒的小孔射出，
形成很细的一束射线打到金箔上，图中虚线表示被
散射的 粒子的径迹。关于该实验，下列说法正确
的是( )
D
A.实验现象可用汤姆孙提出的“枣糕模型”来解释
B.依据实验结果可以推测原子核是可再分的
C. 粒子发生偏转是由于它跟金箔中的电子发生了“碰撞”
D.统计散射到各个方向的 粒子所占比例，可以推知原子中正电荷的大致分布情况
【解析】
选项 分析 正误
A 实验现象可用卢瑟福的原子核式结构模型来解释，不能用汤姆孙提 出的“枣糕模型”解释。
B 依据实验结果可以推测原子是可再分的，不能推测原子核是可再分 的。
C 粒子发生偏转是由于它受到了金箔中的金原子核的斥力作用。
D 统计散射到各个方向的 粒子所占比例，可以推知原子中正电荷的 大致分布情况，即原子的中间存在一个原子核，原子的正电荷和几 乎全部质量都集中在原子核上。 √
【学会了吗丨变式题】
4.关于 粒子散射实验现象的分析，下列说法正确的是( )
C
A.绝大多数 粒子沿原方向运动，说明正电荷在原子内均匀分布， 粒子受力平衡
B.绝大多数 粒子沿原方向运动，说明这些 粒子未受到明显的力的作用，表明原
子内带正电的物质是均匀分布的
C.极少数 粒子发生大角度偏转，说明原子内质量和电荷量比 粒子大得多的带正
电物质在原子内分布空间很小
D.极少数 粒子发生大角度偏转，说明原子内的电子对 粒子的吸引力很大
【解析】 粒子散射实验现象：绝大多数 粒子几乎不发生偏转；少数 粒子发生
了较大角度的偏转；极少数 粒子偏转角度超过 ，有的几乎达到 ，被反弹
回来。可以推测使 粒子受到库仑斥力的带正电物质的体积极小，所以带正电的物
质只占整个原子的很小空间，并不是均匀分布的，故A、B错误；极少数 粒子发生
大角度偏转，是因为原子中的带正电物质的体积很小且质量和电荷量远大于 粒子
的质量和电荷量， 粒子接近带正电物质的机会很小，并不是因为原子内的电子对
粒子的吸引力很大，故C正确，D错误。
高考帮 考试课丨核心素养聚焦
考情揭秘 素养点击
基本考 查点 电子的发现， 粒子散射实验及原子核式 结构模型。 1.通过学习电子的发现及原
子结构的探索过程，领会科
学思想方法，明确实验的重
要作用。
2.能对阴极射线相关问题进
行分析求解，能运用原子核
式结构模型分析判断相关问
题。
热点及 难点 电子比荷的计算，原子核式结构模型及相关 物理学史。 题型及 难度 选择题或与其他知识结合的计算题，难度中 等。 高考中 地位 探索原子结构的重要基础，高考命题热点内 容。 考向1 粒子散射实验的理解
例9 (2023·上海卷)下列关于 粒子散射实验的说法正确的是( )
A
A.实验要在真空中进行 B.荧光屏是为了阻挡 粒子
C.实验中显微镜必须正对放射源 D.证明了原子核中有质子存在
本题考查卢瑟福 粒子散射实验，重在要求考生对实验装置、实验条件及实验结论
等有清晰的认识。
【解析】
选项 分析 正误
A 实验要在真空中进行，因为真空对 粒子没有阻碍作用。 √
B 荧光屏是为了观察穿过金箔或被金原子核反弹的 粒子。
C 显微镜是为了观察荧光屏上的发光点，需要在以金箔中心为圆心 的圆周上移动。
D 该实验证明了原子中存在一个集中原子全部正电荷及几乎全部质 量的核。
考向2 粒子散射实验与电学综合问题
例10 (2025·浙江6月卷)一束 粒子撞击一静止的金原子核，它们的运动轨迹如图4-3
-17所示，图中虚线是以金原子核为圆心的圆。已知静电力常量
，元电荷，金原子序数为79，不考虑 粒子
间的相互作用，则( )
D
图4-3-17
A.沿轨迹1运动的 粒子受到的库仑力先做正功，后做负功
B.沿轨迹2运动的 粒子到达 时动能为零、电势能最大
C.位于图中虚线圆周上的3个 粒子的电势能不相等
D.若 粒子与金原子核间距离为 ，则库仑力数量级为
本题以 粒子散射实验为基础，综合考查电场力做功、电势能变化、库仑定律等知
识点，充分体现了高考强化基础、回本溯源的命题导向。在原子物理相关内容的考
查中，高考注重创设具体情境，聚集基本概念的理解与规律的应用，强调物理思维
和实际迁移能力。
【解析】由图可知沿轨迹1运动的 粒子受到的库仑力先做负功，后做正功，A错误；
沿轨迹2运动的 粒子到达 时仍有垂直于库仑力方向的速度，动能不为零，此时距
离原子核最近，电势能最大，B错误；图中虚线为等势线，故虚线圆周上的3个 粒
子的电势能相等，C错误；根据库仑定律可知库仑力
，即数量级为 ，D正确。
练习帮 习题课丨学业质量测评
A 基础练丨知识测评
建议时间：6分钟
1.(2025·吉林长春期中)
下列对原子结构的认识，错误的是( )
D
A.原子核的电荷数就是核中的质子数 B.原子中绝大部分是空的，原子核很小
C.原子的全部正电荷都集中在原子核里 D.原子的直径大约为
【解析】
选项 分析 正误
A 原子核的电荷数等于核中的质子数。 √
B 原子中绝大部分是空的，原子核很小。 √
C 原子的全部正电荷都集中在原子核里。 √
D 原子核直径的数量级为，而原子直径的数量级为 。
2.物理学是一门以实验为基础的科学，任何学说和理论的建立都离不开实验。关于
下面几个重要的物理实验的说法正确的是( )
B
A.康普顿效应证实了光具有波动性
B. 粒子散射实验是原子核式结构理论的实验基础
C.电子的发现揭示了原子核可以再分
D.光电效应实验表明光具有波粒二象性
【解析】康普顿效应进一步表明光子具有动量，体现了光的粒子性，故A错误。
粒子散射实验表明了原子具有核式结构，故B正确。电子的发现表明了原子不是构成
物质的最小微粒，但不能够说明原子核可以再分，故C错误。光具有波粒二象性，光
电效应证实了光具有粒子性，故D错误。
3.[链接教材第82页图4.3-4]如图是卢瑟福为解释 粒子散射实验而提出的情境。占金
原子质量绝大部分的原子核集中在很小的空间范围，曲线表示 粒子的运动轨迹。
下列说法正确的是( )
B
A.越接近原子核的 粒子发生散射时的偏转角越小
B.电子质量约为 粒子质量的，因此电子对 粒子速
度的影响可以忽略
C.由该实验可以得出 粒子与金原子核一定带异种电荷
D.若实验中换用铂金属箔片，将不会发生散射现象
【解析】越接近原子核的 粒子发生散射时的偏转角越大，故A错误； 粒子的质
量比电子质量大得多，所以电子对 粒子速度的影响可以忽略，故B正确；由该实
验现象可知 粒子与金原子核相互排斥，即带同种电荷，故C错误；如果改用铂金
属箔片，由于铂原子核的质量仍大于 粒子的质量，散射现象仍会发生，故D错误。
B 综合练丨选考通关
建议时间：15分钟
4.(2025·河南南阳市第一中学校检测)
如图所示为 粒子散射实验的装置示意图，放射源发出
粒子打到金箔上，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进行的推理正确的是( )
B
A.在位置2观察到的 粒子最多
B.在位置1观察到 粒子说明正电荷不可能均匀分布在原子内
C.位置2观察到的 粒子一定比位置1观察到的 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、3三个位置观察到 粒子的比例应相差不多
【解析】由于原子中大部分是空的，故大部分 粒子会沿直线通过，所以在位置3观
察到的 粒子最多，故A错误；在位置1观察到 粒子，说明 粒子发生了大角度偏
转，可以推出正电荷不可能均匀分布在原子内，故B正确；由题图可看出，位置2观
察到的 粒子的偏转程度没有位置1的大，所以 粒子所受金原子核斥力的冲量在
位置1更大些，故C错误；若正电荷均匀分布在原子内，则1、2位置几乎观察不到
粒子，3位置观察到的最多，故D错误。
5.如图所示为美国物理学家密立根测量油滴所带电荷量装置
的截面图，两水平的金属板间的距离为 。油滴从喷雾器的
喷嘴喷出时，由于摩擦而带负电。油滴散布在油滴室中，在
重力作用下，少数油滴通过上面金属板的小孔进入平行金属
板间。当平行金属板间不加电压时，由于受到气体阻力的作
用，油滴最终以速度 竖直向下匀速运动。当上板带正电、下板带负电，两板间的
电压为时，带电油滴最终以速度竖直向上匀速运动。已知油滴的直径为
（油滴密度为 ，可看作球体，球体体积），重力加速度为 ，油滴受到
气体的阻力，其中 为阻力系数。
（1）求 的大小；
【答案】
【解析】油滴速度为时所受阻力 ，油滴向下匀速运动时，重力与阻力平衡，
有
又
则 。
（2）求油滴所带电荷量。
【答案】
【解析】设油滴所带电荷量为 ，则油滴受到的电场力
油滴向上匀速运动时，阻力向下，油滴受力平衡,有
则油滴所带电荷量 。
6.[教材第83页“练习与应用”第3题改编](2025·河南郑州模拟)一种测定电子比荷的实
验装置如图所示，若两极板、间无电压，电子将打在荧光屏上的 点；若在两极
板间施加电压，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的 点；若再在极板间施加
一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为 的匀强磁场，则电子在荧光屏上产生的光
点又回到点。已知极板的长度为,、间的距离为，极板区的中点 到荧光屏中
点的距离为,点到点的距离为 。求：
（1）电子进入平行板电容器时的速度大小 ；
【答案】
【解析】当平行板电容器两极板间同时存在电场和磁场时有，
联立解得 。
（2）电子的比荷。
【答案】
【解析】设电子离开电场时速度偏转角为 ，如图所示，则由平抛运动规律及几何
关系可得
又，，，
联立得 。
C 培优练丨能力提升
建议时间：10分钟
7.实验发现，绝大多数 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有极少
数 粒子发生了大角度偏转（超过 ）。卢瑟福根据该实验现象提出了原子的核式
结构模型。为了研究问题的方便，可作如下假设：
①将 粒子视为质点，金原子视为球体，金原子核视为球心的小点；
②金箔中的金原子紧密排列，金箔可以看成很多单原子层并排而成；
③各层原子核前后不互相遮蔽；
④大角度偏转是 粒子只与某一层中的一个原子核作用的结果。
如果金箔厚度为，金原子直径为，大角度偏转的 粒子数占总 粒子数的比例为
，且 。
（1）请估算金原子核的直径 。
【答案】
【解析】金箔厚度为，金原子直径为，由假设可知，金原子层数为
极少数 粒子发生大角度偏转，可以认为这部分 粒子在穿过金原子时距离金原子
核很近，根据统计规律和概率，则有
解得 。
（2）上面的假设作了很多简化处理，这些处理会对金原子核直径 的估算产生影响。
已知金箔的厚度约为，金原子直径约为，金原子核直径约为 。
请对“各层原子核前后不互相遮蔽”这一假设的合理性作出评价。
【答案】见解析
【解析】如果可认为各层原子核前后不互相遮蔽，则有 ,代入数据，可得
，满足
因此“各层原子核前后不互相遮蔽”的假设合理。