第4章 第1～2节 电子的发现 原子的核式结构模型（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第1节　电子的发现 第2节　原子的核式结构模型 课程内容要求 核心素养提炼 1.了解电子发现过程，知道电子电荷量及比荷的测定方法. 2.知道α粒子散射实验及卢瑟福提出的原子核式结构模型. 1.物理观念：电子的发现，原子模型. 2.科学思维：电子电荷量、比荷的测定方法，原子核式结构模型的建立. 3.科学探究：观察α粒子散射实验. [对应学生用书P60] 1.英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现了电子. 2.密立根发现物体所带电荷量是不连续的，任何带电体的电荷只能是元电荷e(通常取e＝1.6×10－19C)的整数倍. 3.电子的相关常量 [判断]　(对的画“√”，错的画“×”) (1)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射.(×) (2)组成阴极射线的粒子是电子.(√) 1.汤姆孙发现电子之后，提出的原子模型为“枣糕模型”，即正电荷构成一个密度均匀的球体，电子“镶嵌”其中，并分布在一些特定的同心圆环或球壳上. 2.α粒子散射实验 (1)α粒子 α粒子是一种带正电荷的粒子，它的电荷是电子电荷的2倍，质量大约为电子质量的7 300倍. (2)实验方法 用α粒子源射出的α粒子束轰击金箔，将探测器绕着金箔中心做圆周运动，被金箔向各个方向散射的α粒子打在探测器上时会发出荧光，从而探测α粒子在各个方向上的散射情况. (3)实验装置示意图 (4)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或只发生很小的偏转. ②少数α粒子发生了大角度偏转，约的α粒子偏转的角度大于90°，极少数α粒子甚至被“弹”回来. (5)实验意义 卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙建立的原子模型，建立了核式结构模型. 3.原子的核式结构模型 (1)由卢瑟福提出，在原子中心有一个体积很小、带正电荷的核，叫原子核，它几乎占有原子全部的质量，而电子在核外空间绕核运动. (2)原子半径的数量级是10－10_m，原子核半径的数量级为10－15_m. (3)原子的核式结构模型也具有局限性，其与经典理论之间存在一定的差异. [思考]　由原子的半径和原子核的半径数值可推知，原子核体积只占原子体积的，其空旷程度可想而知.据此，你能否说明产生α粒子散射现象的原因？从中可得到怎样的启示？ 提示　由于α粒子的质量远大于电子质量，电子不可能使其发生大角度偏转，产生大角度偏转的原因应该是原子核.由于原子核非常小，入射的α粒子绝大多数距原子核很远；只有极少数α粒子靠近原子核，由于其库仑斥力而使α粒子发生大角度偏转.由α粒子散射现象可知，原子核非常小；能够使α粒子发生大角度偏转，说明原子核聚集了原子的绝大部分质量且带正电. [对应学生用书P61] 探究点一　带电粒子比荷的测定方法 下图为测定微粒比荷的实验原理示意图. (1)在金属极板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)在金属极板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)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.让粒子通过正交的电磁场(如图所示)，使其做直线运动，根据二力平衡条件得F洛＝F电(Bqv＝qE)，则粒子的运动速度v＝. 2.在其他条件不变的情况下，撤去电场(如图所示)，保留磁场，让粒子仅在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝，根据粒子轨迹偏转情况，由几何知识求出其轨迹半径r，则由qvB＝m得＝＝. 在汤姆孙测量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射出的阴极射线经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、G平行板间，接着在荧光屏中心F点出现荧光斑.若在D、G间加上方向向下，场强为E的匀强电场，阴极射线将向上偏转；如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一个方向垂直纸面、磁感应强度为B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，从D、G间射出时偏转角为θ. (1)说明阴极射线的电性； (2)说明所加磁场的方向； (3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线粒子的比荷. 解析　(1)由于匀强电场方向向下，而阴极射线向上偏转，因此其所受电场力方向向上，即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下的洛伦兹力，由左手定则得，磁场的方向垂直纸面向里. (3)设此射线粒子带电量为q，质量为m， 当射线粒子在DG间做匀速直线运动时，有qE＝Bqv. 当射线粒子在DG间的磁场中偏转时(如图所示)，有 Bqv＝ 由几何关系得L＝r·sin θ. 联立以上各式解得＝. 答案　(1)负电　(2)垂直纸面向里　(3) [题后总结]　运用电磁场测定电子比荷的解题技巧 (1)当电子在复合场中做匀速直线运动时，qE＝qvB，可以测出电子的速度大小. (2)当电子在磁场中偏转时，qvB＝m，测出圆周运动半径，即可确定比荷. (3)当电子在匀强电场中偏转时，y＝at2＝，由电子在电场中的偏转量也可以确定比荷. [训练1]　测量某种离子的比荷的装置如图所示，中性气体分子进入电离室A被电离成离子.这些离子从电离室的小孔飘出，从缝S1进入加速电场被加速，然后从缝S2垂直进入匀强磁场，最后打在底片上的P处.已知加速电压为U，磁场的磁感应强度为B，缝S2与P之间的距离为a，离子从缝S1进入电场时的速度不计，求该离子的比荷. 解析　离子在打到P处之前，经电场加速、磁场偏转两个过程，由离子的轨迹可知，离子带正电，设它进入磁场时速度为v，在电场中加速，有qU＝mv2. 在磁场中发生偏转，有Bqv＝，而r＝. 联立解得＝. 答案　 [训练2]　如图所示，电子以初速度v0从O点进入长为l、板间距离为d、电势差为U的匀强电场，出电场时打在屏上P点.经测量O′点和P点的距离为h，求电子的比荷. 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，有 h＝at2＝·()2＝，则＝. 答案　 探究点二　α粒子散射实验和原子核式结构模型 右图为原子核式结构模型的α粒子散射图景. (1)为什么绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进？ (2)为什么少数的α粒子穿过金箔后，发生了大角度的偏转？ 提示　(1)因为原子核很小，所以绝大多数α粒子穿过原子时，离核较远，受到原子核的斥力很小，基本上仍沿原来的运动方向前进. (2)少数α粒子十分接近原子核时，才受到很大的库仑力作用，发生大角度偏转. 1.实验装置 (1)放射源：放出α粒子(He). (2)金箔：靶子. (3)探测器(可转动)：观察工具. 2.实验注意事项 (1)整个实验过程需在真空中进行. (2)α粒子是氦核，本身很小，金箔需很薄，α粒子才能很容易穿过. (3)实验中用的是金箔而不是铝箔，这是因为金的原子序数大，α粒子受到金核的库仑力大，偏转明显；另外金的延展性好，容易做成极薄的金箔. 3.原子的核式结构模型对α粒子散射的分析 (1)分布情况：原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核内，原子中绝大部分是空的. (2)受力情况 ①少数α粒子靠近原子核，受到的库仑斥力大； ②大多数α粒子离原子核较远，受到的库仑斥力较小. (3)偏转情况 ①绝大多数α粒子的运动方向不会明显变化； ②少数α粒子发生大角度偏转； ③如果α粒子几乎正对着原子核射来，偏转角就几乎达到180°，这种机会极少. (多选)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.下列说法正确的是(　　) A.卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子 B.α粒子出现较大角度偏转的原因是α粒子运动到b时受到的库仑斥力较大 C.α粒子从a到 c的运动过程中电势能先变小后变大 D.α粒子从a到 c的运动过程中加速度先变大后变小 BD　[汤姆孙在对阴极射线的探究中发现了电子，A错误；α粒子出现大角度偏转的原因是靠近原子核时(运动到b时)受到较大的库仑斥力作用，B正确；α粒子从a到c受到的库仑力先增大后减小，加速度先变大后变小，库仑力先做负功后做正功，电势能先变大后变小，C错误，D正确.] [题后总结]　解决有关α粒子散射问题的关键要领 (1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变. (2)汤姆孙模型不能解释α粒子的大角度散射. (3)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、电量均比它本身大得多的物质的作用. (4)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.原子的质量、电量都集中在体积很小的核上. [训练3]　(多选)卢瑟福和他的学生们做α粒子散射实验的装置示意图如图所示.探测器分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下列说法正确的是(　　) A.相同的时间内，探测器放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多 B.相同的时间内，探测器放在B位置时观察到屏上的闪光次数只比放在A位置时稍少些 C.探测器放在C、D位置时屏上观察不到闪光 D.探测器放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少 AD　[由α粒子散射实验的结论：绝大多数α粒子仍沿原方向运动，少数α粒子运动方向发生改变，极少数α粒子运动方向发生大角度的偏转，甚至是180°.结合A、B、C、D的位置可知绝大多数α粒子打到A位置的荧光屏上，少数α粒子打到B位置的荧光屏上，而极少数α粒子能打到C、D位置的荧光屏上，故A、D正确.] [训练4]　在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是(　　) A.原子是可再分的 B.正电荷在原子内是均匀分布的 C.原子中有带负电的电子，电子会对粒子有引力作用 D.原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 D　[阴极射线的发现，说明原子是可再分的，α粒子散射实验，并不能说明原子可再分，A错误；在α粒子散射实验中有少数α粒子发生了较大角度的偏转，这是由于α粒子与原子核均带正电，且原子核极小，α粒子能接近原子核的机会很小.大多数α粒子都从核外的空间穿过，α粒子与电子碰撞时如同子弹碰到尘埃一样，运动方向基本不发生改变；只有少数α粒子十分接近原子核时，受到很大的库仑斥力的作用，库仑斥力使α粒子发生大角度偏转，故D正确，B、C错误.] [对应学生用书P64] 1.(电子的发现)(多选)下列关于电子的说法正确的是(　　) A.电子的发现是从研究阴极射线开始的 B.汤姆孙发现物质中发出的电子比荷是不同的 C.电子的发现让人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有复杂的结构 D.电子是带正电的，可以在电场和磁场中偏转 AC　[发现电子是从研究阴极射线开始的，A正确；汤姆孙发现物质中发出的电子比荷是相同的，B错误；电子的发现让人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有复杂的结构，C正确；电子是带负电的，D错误.] 2.(α粒子散射实验)卢瑟福利用镭源所放出的α粒子轰击金箔，测量α粒子的偏转情况.下列叙述中符合卢瑟福的α粒子散射实验事实的是(　　) A.大多数α粒子在穿过金箔后发生明显的偏转 B.少数α粒子在穿过金箔后几乎没有偏转 C.大多数α粒子会撞到金箔而被弹回 D.极个别α粒子会撞到金箔而被弹回 D　[根据α粒子散射实验规律，易判定只有D符合实验事实.] 3.(原子核式结构模型)(多选)用α粒子轰击金箔，α粒子在接近金原子核时发生偏转的情况如图所示，则α粒子的路径(　　) A.可能是a B.可能是b C.可能是c D.a、b、c都是不可能的 AC　[α粒子偏转的原因是原子核对其有库仑斥力的作用，离核越近，斥力越大，偏转越明显，当正好击中原子核时，由于α粒子质量较小而反弹，结合题图知，A、C正确.] 4.(带电粒子比荷的测定)为了测定某个带电粒子的比荷，让这个带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间.已知匀强电场的电场强度为E，在通过长为L的两金属板间后，测得其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，磁场方向垂直于粒子的入射方向，磁感应强度为B，则粒子恰好不偏离原来方向，求. 解析　仅加电场时d＝()·()2 加复合场时Bqv0＝qE 由以上两式得＝. 答案　 学科网（北京）股份有限公司 $$