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高中物理人教版选择性必修三教案
第四章 原子结构和波粒二象性
第4.3节 原子的核式结构模型
学习目标
1.知道发现电子的意义,体会电子发现过程中蕴含的科学方法。
2.了解α粒子散射实验原理和实验现象。
3.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容。
4.知道原子和原子核大小的数量级。
课前导学
基础知识导学
电子的发现
1．汤姆孙的探究：
(1)让阴极射线分别通过电场和磁场，根据________情况，证明它是______的粒子流并求出了它的比荷．
(2)换用__________的阴极做实验，所得比荷的数值都________．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——________.由此可见，________是原子的组成部分，是比原子更________的物质单元．
2．密立根“油滴实验”：
(1)精确测定________．
(2)电荷是________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________，________弥漫性地________在整个球体内，电子________其中，有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“________模型”．
拓展：
阴极射线的特点
(1)碰到荧光物质能使其发光．阴极射线应用广泛，电子示波器中的示波管、电视的显像管、电子显微镜等都是利用阴极射线在电磁场作用下偏转、聚焦以及能使被照射的某些物质(如硫化锌)发出荧光的性质工作的．
(2)在真空中沿直线传播．
图解：α粒子散射图景
原子的核式结构模型
1．α粒子散射实验：
(1)实验装置．
(2)实验现象．
①________的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿________的方向前进；
②________α粒子发生了________偏转；偏转的角度甚至________，它们几乎被“________”．
(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________模型．
2．核式结构模型：1911年由卢瑟福提出，原子中带正电的部分体积很小，但几乎占有全部______，电子在正电体的外面________．
点睛：
α粒子发生大角度散射的原因是
α粒子带正电，α粒子受原子中带正电部分的排斥力发生了大角度散射．
原子符号的表示：
原子核的电荷与尺度
1．原子
2．大小：原子直径数量级____m.
原子核直径的数量级为____m，原子内部十分“空旷”．
知识点探究
知识点一 电子的发现
1.阴极射线:阴极发出的一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。
2.汤姆孙的探究
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。后来,组成阴极射线的粒子被称为电子。
3.密立根实验:电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。目前公认的电子电荷e的值为e=1.6×10-19 C(保留2位有效数字)。
4.电荷的量子化:任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
5.电子的质量me=9.1×10-31 kg(保留2位有效数字),质子质量与电子质量的比值为=1 836。
【思考】
如图所示为汤姆孙的气体放电管的示意图。
(1)K、A部分起什么作用
(2)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,说明它带正电还是带负电
(3)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
提示 (1)K、A部分产生阴极射线。
(2)阴极射线向下偏转,与电场方向相反,说明阴极射线带负电。
(3)由左手定则可知,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。
例1 (多选)(2025·山东临沂高二月考)如图是密立根油滴实验的示意图。油滴从喷雾器嘴喷出,落到图中的匀强电场中,调节两板间的电压,通过显微镜观察到某一油滴静止在电场中,下列说法正确的是( )
A.油滴带负电
B.油滴质量可通过天平来测量
C.只要测出两板间的距离和电压就能求出油滴所带的电荷量
D.该实验测得油滴所带电荷量等于元电荷的整数倍
答案 AD
解析 由题图可知,电容器板间电场方向向下,由平衡条件可知,油滴所受的静电力向上,则油滴带负电,故A正确;油滴的质量很小,不能通过天平测量,故B错误;根据油滴受力平衡可得mg=qE=q,解得q=,可知要测出两板间的距离、电压和油滴的质量才能求出油滴所带的电荷量,故C错误;根据密立根油滴实验研究可知,该实验测得油滴所带的电荷量等于元电荷的整数倍,故D正确。
例2 如图所示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,不计电子重力。
(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小;
(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evB=eE=e
解得v=,即打到荧光屏O点的电子速度的大小为。
(2)P与P'之间只有偏转电场时,设电子的加速度为a,运动时间为t,电子离开偏转电场的偏移量为y,速度偏转角为θ,根据运动学公式y=at2和牛顿第二定律有a=
运动时间t=
解得y=
由于=
可得=。
带电粒子的比荷常见的三种测量方法
(1)利用磁偏转测比荷:由qvB=m得=,只需知道磁感应强度B、带电粒子的速度v和偏转半径R即可。
(2)利用电偏转测比荷:偏移量y=at2=·()2,故=,所以在偏转电场电压U、d、L已知时,只需测量v和y即可。
(3)利用加速电场测比荷:由动能定理qU=mv2得=,在加速电场电压U已知时,只需测出v即可。
知识点二 原子的核式结构模型 原子核的电荷与尺度
如图所示为1909年英国物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的实验装置示意图,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
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7 300倍。
(2)①α粒子源:提供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。
③金箔F:使α粒子发生散射。
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。带有荧光屏的显微镜可以沿图中箭头方向转动,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,极少数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部分的排斥力发生了大角度散射。
1.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,如图所示。有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。
2.α粒子散射实验
(1)α粒子散射实验装置由放射源、金箔、带有荧光屏的显微镜等几部分组成,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绝大多数的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。
3.核式结构模型: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
(1)原子核的电荷数:各种元素的原子核的电荷数,即原子内的电子数,非常接近它们的原子序数,这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的。
(2)原子核的组成:原子核是由质子和中子组成的,原子核的电荷数就是核中的质子数。
(3)原子核的大小:用核半径描述核的大小。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,两者相差十万倍之多。
例3 (多选)在α粒子散射实验中,只有少数的α粒子发生大角度的偏转,下列解释正确的是( )
A.相对于原子的体积,集中几乎所有质量的原子核体积很小
B.多数α粒子通过金箔时,离原子核较远,受到周围原子核的库仑斥力作用可忽略
C.少数的α粒子通过金箔时与电子发生碰撞,运动方向发生了较大的改变
D.少数的α粒子通过金箔时,离原子核较近,受到原子核较大的冲量作用
答案 ABD
解析 由于原子的体积远远大于原子核的体积,原子内多为“空旷地带”,当α粒子通过金箔时,多数α粒子离原子核较远,α粒子受到的库仑力可忽略,A、B正确;电子的质量较小,对α粒子的运动方向几乎不产生影响,C错误;当少数α粒子距原子核较近时,库仑斥力较大,α粒子受到原子核较大的冲量作用,就会发生大角度的偏转,D正确。
训练 (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
答案 ABD
解析 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,故A、B、D正确,C错误。
随堂对点自测
1.(阴极射线性质的理解)关于阴极射线,下列说法正确的是( )
A.阴极射线是由阴极发出的粒子撞击玻璃管壁产生的
B.只要阴、阳两极间加有电压,就会有阴极射线产生
C.阴极射线可以穿透薄铝片,这说明它是电磁波
D.阴、阳两极间加有高压时,电场很强,阴极中的电子受到很强的电场力作用而脱离阴极
答案 D
解析 阴极射线是由阴极直接发出的,选项A错误;只有当两极间加有高压且阴极接电源负极时,阴极中的电子才会受到足够大的电场力作用而脱离阴极成为阴极射线,选项B错误,D正确;阴极射线是高速电子流,选项C错误。
2.(原子的核式结构模型)下列对原子及原子核的认识,正确的是( )
A.原子由原子核和核外电子组成
B.原子核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量
C.原子核半径的数量级为1 m
D.中性原子核外电子带的负电荷之和小于原子核所带的正电荷
答案 A
解析 原子由原子核和核外电子组成,故A正确;原子核的质量与电子的质量和是原子的质量,故B错误;原子半径的数量级是10-10 m,原子核是原子内很小的核,半径数量级为10-15 m,故C错误;中性原子核外电子所带的负电荷之和与原子核所带正电荷之和相等,D错误。
3.(α粒子散射实验)(多选)在卢瑟福进行的α粒子散射实验中,观察到的实验现象是( )
A.绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进
B.有少数α粒子发生了大角度的偏转
C.原子的中心有一个很小的核
D.比较多的α粒子几乎都被撞了回来
答案 AB
解析 在卢瑟福进行的α粒子散射实验中,观察到的实验现象是: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,极少数偏转的角度超过90°,甚至有的被反向弹回,选项A、B正确,C、D错误。
课后巩固训练
对点题组练
题组一 电子的发现
1.关于电子的发现,下列叙述中正确的是( )
A.汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子,从而揭示了原子核是可以再分的
B.电子的发现,说明原子是由电子和原子核组成的
C.电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷
D.电子电荷的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的
答案 D
解析 汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子,从而揭示了原子是可以再分的,A错误;原子的核式结构是卢瑟福通过α粒子的散射实验提出的,B错误;电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷,C错误;电子电荷的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的,D正确。
2.(多选)如图所示,一只阴极射线管左侧不断有电子射出,若在管的正下方平行放置一通电直导线AB,发现射线径迹向下偏,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.若要使射线的径迹往上偏,可以通过改变AB中的电流方向来实现
D.射线的径迹与AB中的电流方向无关
答案 BC
解析 AB中通有电流,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,则根据安培定则可知,AB中的电流方向应为从B流向A;当AB中的电流方向变为从A流向B时,AB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,故B、C正确,A、D错误。
3.(2025·浙江杭州阶段练)如图甲是一款阴极射线管,K极是圆形金属板电极,A极为圆环状金属电极,对于K、A间的电场分布来说,A极可以等效为圆形金属板电极,在K、A之间加上如图所示的高压,阴极射线就可以在K极和A极之间运行,如图乙是K极和A极之间的部分电场分布,下列阐述正确的是( )
A.阴极射线的本质是α射线
B.图乙中P点电势低于Q点电势
C.如果在图乙中P点从静止释放一电子,则电子会沿该处电场线运动到A极
D.从K极静止出发的阴极射线粒子,沿中间直线电场线到达A极静电力做功最多
答案 B
解析 阴极射线的本质是电子流,故A错误;因为K为阴极,A为阳极,所以P点电势低于Q点电势,故B正确;由于P点所在的电场线为曲线,所以在P点从静止释放一电子不会沿该处电场线运动,故C错误;从K极静止出发的阴极射线粒子,沿任意轨迹到达A极静电力做功一样大,故D错误。
4.(多选)阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图如图所示。显像管中有一个阴极,工作时它能发射阴极射线,荧光屏被阴极射线轰击就能发光。安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场,可以使阴极射线发生偏转。下列说法正确的是( )
A.如果偏转线圈中没有电流,则阴极射线应该打在荧光屏正中的O点
B.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心,打在荧光屏上A点,则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
C.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心,打在荧光屏上B点,则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
D.如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动,则偏转磁场磁感应强度应该先由小到大,再由大到小
答案 AC
解析 偏转线圈中没有电流时,阴极射线沿直线运动,打在O点,A正确;由阴极射线的电性及左手定则可知,B错误,C正确;由r=知,B越小,r越大,故磁感应强度应先由大变小,再由小变大,D错误。
题组二 原子的核式结构模型
5.(多选)下列关于原子结构的说法正确的是( )
A.汤姆孙提出了原子的“枣糕模型”,卢瑟福提出了原子的核式结构模型
B.原子的核式结构模型认为原子的全部正电荷及几乎全部的质量都在原子核内
C.根据α粒子散射实验的数据,卢瑟福推算原子核半径的数量级为10-10 m
D.原子的核式结构模型解释了α粒子散射实验中α粒子的大角度散射现象
答案 ABD
解析 汤姆孙发现电子后,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中,电子镶嵌其中,这个模型被称为“枣糕模型”,卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型,A正确;原子的核式结构模型认为原子的全部正电荷及几乎全部的质量都集中在原子核内,B正确;根据α粒子散射实验的数据,卢瑟福推算原子核半径的数量级为10-15 m,整个原子半径的数量级为10-10 m,两者相差十万倍之多,C错误;因为原子核很小,α粒子接近它的机会很少,所以绝大多数α粒子基本上仍沿原来的方向前进,发生偏转的粒子中大多数偏转角度也不大,只有极少数α粒子发生大角度偏转,甚至被弹回,原子的核式结构模型很好地解释了α粒子大角度散射现象,D正确。
6.(多选)如图为卢瑟福和他的同事们做的α粒子散射实验装置示意图,以下说法中正确的是( )
A.荧光屏在B位置的亮斑比在A位置多
B.该实验说明原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
C.荧光屏在C位置的亮斑比在A、B位置少
D.该实验说明原子质量均匀地分布在原子内
答案 BC
解析 根据α粒子散射实验现象,大多数粒子通过金箔后方向不变,少数粒子方向发生改变,极少数偏转超过90°,甚至有的被反向弹回,可知荧光屏在B位置的亮斑比在A位置少,荧光屏在C位置的亮斑比在A、B位置少,选项A错误,C正确;该实验说明原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上,而不是原子质量均匀地分布在原子内,选项B正确,D错误。
7.1911年卢瑟福提出了自己的原子结构模型,如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射情况,图中细线表示粒子的运动轨迹。下列说法正确的是( )
A.α粒子运动轨迹说明在原子内部除原子核外没有其他带电粒子
B.α粒子运动路径偏转超过90°,是因为α粒子与原子核发生了碰撞
C.α粒子运动路径偏转接近180°,是因为α粒子近似正对原子核运动
D.发生散射的α粒子,库仑力对其做负功,动能减小、电势能增大
答案 C
解析 原子内部除有原子核外,还有电子,A错误;题图中的α粒子运动路径偏转超过90°,并不一定是与原子核发生碰撞,主要是在原子核对α粒子的库仑斥力作用下发生偏转,B错误;个别α粒子发生大角度偏转(接近180°)说明了占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围,只有近似正对原子核运动的α粒子,受到较大的斥力,从而使α粒子“反弹”,即运动路径偏转接近180°,C正确;对于发生散射的α粒子,由粒子的运动轨迹可知库仑力先做负功后做正功,因此α粒子的动能先减小后增大,则电势能先增大后减小,D错误。
综合提升练
8.如图为密立根“油滴实验”示意图,已知一半径为r的带负电的油滴经金属板A上的小孔进入匀强电场中,当两金属板之间的电压为U时,油滴受到的电场力恰好与重力平衡;若两金属板之间的电压为0,油滴无初速度进入小孔,则经过时间t到达金属板B。已知油滴密度为ρ,重力加速度为g,不计空气阻力,则油滴所带电荷量为 ( )
A. B.
C. D.
答案 A
解析 设油滴质量为m,所带电荷量为q,两金属板间的距离为d,电场强度为E,当油滴受到的电场力恰好与重力平衡时有mg=qE,油滴质量m=πr3ρ,若两金属板之间的电压为0,油滴无初速度进入小孔,则经过时间t到达金属板B,由运动学公式有d=gt2,又E=,联立解得q=,A正确。
9.(2025·湖南长沙高二月考)在卢瑟福的α粒子散射实验中,某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图中实线所示,图中P、Q为轨迹上的点,虚线是过P、Q两点并与轨迹相切的直线,两虚线和轨迹将平面分为五个区域,不考虑其他原子核对该α粒子的作用,下列说法正确的是( )
A.α粒子受到引力
B.该原子核的位置可能在①区域
C.根据α粒子散射实验可以估算原子核大小
D.α粒子在P、Q间的运动为匀速圆周运动
答案 C
解析 根据轨迹弯曲的方向可知,α粒子受到的库仑力的方向从原子核指向α粒子,则α粒子受到的力是斥力,A错误;卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型,正电荷全部集中在原子核内,α粒子带正电,同种电荷相互排斥,α粒子所受合外力为原子核给的排斥力,结合合外力指向轨迹凹侧的特点可知原子核可能在③区域,①②④区域均不满足排斥力总指向轨迹凹侧,B错误;根据α粒子散射实验可以估算原子核大小,C正确;α粒子受到的库仑力随α粒子与原子核之间距离的变化而变化,所以α粒子不可能做匀速圆周运动,D错误。
10.美国物理学家密立根于1910年利用如图所示的实验装置做油滴实验。
(1)(多选)若要测出该油滴的电荷量,则需要测出的物理量是 (已知重力加速度为g)。
A.油滴的质量m B.两板的长度L
C.两板间的电压U D.两板间的距离d
(2)若某次实验中,一质量为m的油滴,在两金属板之间恰好处于平衡状态。则油滴所带电荷量q= [用(1)中所选择的物理量表示,已知当地的重力加速度为g]。
(3)对于质量为m的油滴,如果改变它所带的电荷量q的大小,则能够使油滴达到平衡的电压必须是某些特定值Un,研究这些电压变化的规律可发现它们都满足方程U0=nUn,式中n=1,2,3,…,U0为特定数值,此结果说明了什么 。
(4)实验中要使悬浮在电场之中的某一个带负电的油滴向下加速运动,在该油滴向下运动的过程中,下列说法正确的是 。
A.电势能在增大
B.机械能守恒
C.重力势能和电势能在减小
D.油滴所受静电力方向向下
答案 (1)ACD (2) (3)带电体所带电荷量均为元电荷的整数倍 (4)A
解析 (1)(2)油滴悬浮,即处于平衡状态,根据平衡条件有q=mg,解得q=,可知若要测出该油滴的电荷量,则需要测出的物理量是油滴的质量m、两板间的距离d与两板间的电压U,故选A、C、D。
(3)由于带电体的电荷量等于元电荷的整数倍,则有q=ne(n=1,2,3,…),结合上述有ne=mg(n=1,2,3,…),若油滴的电荷量恰好等于元电荷,则有e=mg,解得U0=nUn(n=1,2,3,…),因此此结果说明了带电体所带电荷量均为元电荷的整数倍。
(4)带负电的油滴悬浮在电场之中,重力方向竖直向下,根据平衡条件可知,电场力方向竖直向上,故D错误;结合上述可知,当油滴向下加速运动时,静电力做负功,电势能增大,故A正确;由于重力做正功,重力势能减小,又电势能增大,则机械能减小,故B、C错误。
培优加强练
11.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中心出现光斑。若在D、G间加上方向向上、电场强度为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大小为B的匀强磁场(图中未画出),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。
答案 (1)负电 (2)垂直纸面向外 (3)
解析 (1)由于阴极射线在电场中向下偏转,因此阴极射线所受电场力方向向下,又由于匀强电场方向向上,则阴极射线带负电。
(2)由题意知,所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力,且与电场力平衡,由左手定则知磁场的方向垂直纸面向外。
(3)设此射线带电荷量为q,质量为m,当射线在D、G间做匀速直线运动时,有qE=qvB。当射线在D、G间的磁场中偏转时,轨迹如图所示,则有qvB=
又L=rsin θ
联立解得=。
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第四章 原子结构和波粒二象性
第4.3节 原子的核式结构模型
学习目标
1.知道发现电子的意义,体会电子发现过程中蕴含的科学方法。
2.了解α粒子散射实验原理和实验现象。
3.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容。
4.知道原子和原子核大小的数量级。
课前导学
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电子的发现
1．汤姆孙的探究：
(1)让阴极射线分别通过电场和磁场，根据________情况，证明它是______的粒子流并求出了它的比荷．
(2)换用__________的阴极做实验，所得比荷的数值都________．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——________.由此可见，________是原子的组成部分，是比原子更________的物质单元．
2．密立根“油滴实验”：
(1)精确测定________．
(2)电荷是________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________，________弥漫性地________在整个球体内，电子________其中，有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“________模型”．
拓展：
阴极射线的特点
(1)碰到荧光物质能使其发光．阴极射线应用广泛，电子示波器中的示波管、电视的显像管、电子显微镜等都是利用阴极射线在电磁场作用下偏转、聚焦以及能使被照射的某些物质(如硫化锌)发出荧光的性质工作的．
(2)在真空中沿直线传播．
图解：α粒子散射图景
原子的核式结构模型
1．α粒子散射实验：
(1)实验装置．
(2)实验现象．
①________的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿________的方向前进；
②________α粒子发生了________偏转；偏转的角度甚至________，它们几乎被“________”．
(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________模型．
2．核式结构模型：1911年由卢瑟福提出，原子中带正电的部分体积很小，但几乎占有全部______，电子在正电体的外面________．
点睛：
α粒子发生大角度散射的原因是
α粒子带正电，α粒子受原子中带正电部分的排斥力发生了大角度散射．
原子符号的表示：
原子核的电荷与尺度
1．原子
2．大小：原子直径数量级____m.
原子核直径的数量级为____m，原子内部十分“空旷”．
知识点探究
知识点一 电子的发现
1.阴极射线:阴极发出的一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。
2.汤姆孙的探究
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。后来,组成阴极射线的粒子被称为电子。
3.密立根实验:电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。目前公认的电子电荷e的值为e=1.6×10-19 C(保留2位有效数字)。
4.电荷的量子化:任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
5.电子的质量me=9.1×10-31 kg(保留2位有效数字),质子质量与电子质量的比值为=1 836。
【思考】
如图所示为汤姆孙的气体放电管的示意图。
(1)K、A部分起什么作用
(2)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,说明它带正电还是带负电
(3)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
例1 (多选)(2025·山东临沂高二月考)如图是密立根油滴实验的示意图。油滴从喷雾器嘴喷出,落到图中的匀强电场中,调节两板间的电压,通过显微镜观察到某一油滴静止在电场中,下列说法正确的是( )
A.油滴带负电
B.油滴质量可通过天平来测量
C.只要测出两板间的距离和电压就能求出油滴所带的电荷量
D.该实验测得油滴所带电荷量等于元电荷的整数倍
例2 如图所示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,不计电子重力。
(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小;
(2)推导出电子比荷的表达式。
带电粒子的比荷常见的三种测量方法
(1)利用磁偏转测比荷:由qvB=m得=,只需知道磁感应强度B、带电粒子的速度v和偏转半径R即可。
(2)利用电偏转测比荷:偏移量y=at2=·()2,故=,所以在偏转电场电压U、d、L已知时,只需测量v和y即可。
(3)利用加速电场测比荷:由动能定理qU=mv2得=,在加速电场电压U已知时,只需测出v即可。
知识点二 原子的核式结构模型 原子核的电荷与尺度
如图所示为1909年英国物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的实验装置示意图,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
1.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,如图所示。有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。
2.α粒子散射实验
(1)α粒子散射实验装置由放射源、金箔、带有荧光屏的显微镜等几部分组成,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绝大多数的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。
3.核式结构模型: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
(1)原子核的电荷数:各种元素的原子核的电荷数,即原子内的电子数,非常接近它们的原子序数,这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的。
(2)原子核的组成:原子核是由质子和中子组成的,原子核的电荷数就是核中的质子数。
(3)原子核的大小:用核半径描述核的大小。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,两者相差十万倍之多。
例3 (多选)在α粒子散射实验中,只有少数的α粒子发生大角度的偏转,下列解释正确的是( )
A.相对于原子的体积,集中几乎所有质量的原子核体积很小
B.多数α粒子通过金箔时,离原子核较远,受到周围原子核的库仑斥力作用可忽略
C.少数的α粒子通过金箔时与电子发生碰撞,运动方向发生了较大的改变
D.少数的α粒子通过金箔时,离原子核较近,受到原子核较大的冲量作用
训练 (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
随堂对点自测
1.(阴极射线性质的理解)关于阴极射线,下列说法正确的是( )
A.阴极射线是由阴极发出的粒子撞击玻璃管壁产生的
B.只要阴、阳两极间加有电压,就会有阴极射线产生
C.阴极射线可以穿透薄铝片,这说明它是电磁波
D.阴、阳两极间加有高压时,电场很强,阴极中的电子受到很强的电场力作用而脱离阴极
2.(原子的核式结构模型)下列对原子及原子核的认识,正确的是( )
A.原子由原子核和核外电子组成
B.原子核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量
C.原子核半径的数量级为1 m
D.中性原子核外电子带的负电荷之和小于原子核所带的正电荷
3.(α粒子散射实验)(多选)在卢瑟福进行的α粒子散射实验中,观察到的实验现象是( )
A.绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进
B.有少数α粒子发生了大角度的偏转
C.原子的中心有一个很小的核
D.比较多的α粒子几乎都被撞了回来
课后巩固训练
对点题组练
题组一 电子的发现
1.关于电子的发现,下列叙述中正确的是( )
A.汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子,从而揭示了原子核是可以再分的
B.电子的发现,说明原子是由电子和原子核组成的
C.电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷
D.电子电荷的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的
2.(多选)如图所示,一只阴极射线管左侧不断有电子射出,若在管的正下方平行放置一通电直导线AB,发现射线径迹向下偏,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.若要使射线的径迹往上偏,可以通过改变AB中的电流方向来实现
D.射线的径迹与AB中的电流方向无关
3.(2025·浙江杭州阶段练)如图甲是一款阴极射线管,K极是圆形金属板电极,A极为圆环状金属电极,对于K、A间的电场分布来说,A极可以等效为圆形金属板电极,在K、A之间加上如图所示的高压,阴极射线就可以在K极和A极之间运行,如图乙是K极和A极之间的部分电场分布,下列阐述正确的是( )
A.阴极射线的本质是α射线
B.图乙中P点电势低于Q点电势
C.如果在图乙中P点从静止释放一电子,则电子会沿该处电场线运动到A极
D.从K极静止出发的阴极射线粒子,沿中间直线电场线到达A极静电力做功最多
4.(多选)阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图如图所示。显像管中有一个阴极,工作时它能发射阴极射线,荧光屏被阴极射线轰击就能发光。安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场,可以使阴极射线发生偏转。下列说法正确的是( )
A.如果偏转线圈中没有电流,则阴极射线应该打在荧光屏正中的O点
B.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心,打在荧光屏上A点,则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
C.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心,打在荧光屏上B点,则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
D.如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动,则偏转磁场磁感应强度应该先由小到大,再由大到小
题组二 原子的核式结构模型
5.(多选)下列关于原子结构的说法正确的是( )
A.汤姆孙提出了原子的“枣糕模型”,卢瑟福提出了原子的核式结构模型
B.原子的核式结构模型认为原子的全部正电荷及几乎全部的质量都在原子核内
C.根据α粒子散射实验的数据,卢瑟福推算原子核半径的数量级为10-10 m
D.原子的核式结构模型解释了α粒子散射实验中α粒子的大角度散射现象
6.(多选)如图为卢瑟福和他的同事们做的α粒子散射实验装置示意图,以下说法中正确的是( )
A.荧光屏在B位置的亮斑比在A位置多
B.该实验说明原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
C.荧光屏在C位置的亮斑比在A、B位置少
D.该实验说明原子质量均匀地分布在原子内
7.1911年卢瑟福提出了自己的原子结构模型,如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射情况,图中细线表示粒子的运动轨迹。下列说法正确的是( )
A.α粒子运动轨迹说明在原子内部除原子核外没有其他带电粒子
B.α粒子运动路径偏转超过90°,是因为α粒子与原子核发生了碰撞
C.α粒子运动路径偏转接近180°,是因为α粒子近似正对原子核运动
D.发生散射的α粒子,库仑力对其做负功,动能减小、电势能增大
综合提升练
8.如图为密立根“油滴实验”示意图,已知一半径为r的带负电的油滴经金属板A上的小孔进入匀强电场中,当两金属板之间的电压为U时,油滴受到的电场力恰好与重力平衡;若两金属板之间的电压为0,油滴无初速度进入小孔,则经过时间t到达金属板B。已知油滴密度为ρ,重力加速度为g,不计空气阻力,则油滴所带电荷量为 ( )
A. B.
C. D.
9.(2025·湖南长沙高二月考)在卢瑟福的α粒子散射实验中,某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图中实线所示,图中P、Q为轨迹上的点,虚线是过P、Q两点并与轨迹相切的直线,两虚线和轨迹将平面分为五个区域,不考虑其他原子核对该α粒子的作用,下列说法正确的是( )
A.α粒子受到引力
B.该原子核的位置可能在①区域
C.根据α粒子散射实验可以估算原子核大小
D.α粒子在P、Q间的运动为匀速圆周运动
10.美国物理学家密立根于1910年利用如图所示的实验装置做油滴实验。
(1)(多选)若要测出该油滴的电荷量,则需要测出的物理量是 (已知重力加速度为g)。
A.油滴的质量m B.两板的长度L
C.两板间的电压U D.两板间的距离d
(2)若某次实验中,一质量为m的油滴,在两金属板之间恰好处于平衡状态。则油滴所带电荷量q= [用(1)中所选择的物理量表示,已知当地的重力加速度为g]。
(3)对于质量为m的油滴,如果改变它所带的电荷量q的大小,则能够使油滴达到平衡的电压必须是某些特定值Un,研究这些电压变化的规律可发现它们都满足方程U0=nUn,式中n=1,2,3,…,U0为特定数值,此结果说明了什么 。
(4)实验中要使悬浮在电场之中的某一个带负电的油滴向下加速运动,在该油滴向下运动的过程中,下列说法正确的是 。
A.电势能在增大
B.机械能守恒
C.重力势能和电势能在减小
D.油滴所受静电力方向向下
培优加强练
11.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中心出现光斑。若在D、G间加上方向向上、电场强度为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大小为B的匀强磁场(图中未画出),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。
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