第4章 3.原子的核式结构模型(word教参)-【勤径学升】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步练测（人教版2019）

3.原子的核式结构模型 学习目标 1.知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。 2.领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义。 3.了解α粒子散射实验原理和实验现象。 4.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容。 5.知道原子和原子核大小的数量级，原子核的电荷数 [对应学生用书第69页] 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，阴极发出的一种射线能使玻璃管壁发出荧光，荧光是由玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击引起的，这种射线称为阴极射线。 2.汤姆孙的探究方法及结论 （1）根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。 （2）用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都是相同的，是氢离子比荷的近两千倍。 （3）结论：阴极射线粒子带负电，其电荷量的大小与氢离子大致相同，而质量比氢离子小得多，后来组成阴极射线的粒子被称为电子。 3.汤姆孙的进一步研究 汤姆孙又进一步研究了许多新现象，证明了电子是原子的组成部分。 4.电子的电荷量及电荷量子化 （1）电子的电荷量：1910年前后由密立根通过著名的油滴实验得出，电子电荷e的值为e＝ 1.602 176 634×10－19 C。  （2）电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。 （3）电子的质量：me＝9.109 383 56×10－31 kg，质子质量与电子质量的比值为＝1 836。  二、原子的核式结构模型 1.α粒子散射实验 （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，电子镶嵌在球中。 （2）α粒子散射实验 ①实验装置 ②实验现象 a.绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。 b.少数α粒子发生了大角度偏转。 c.极少数α粒子的偏转角甚至大于90°，也就是说，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。 2.卢瑟福的核式结构模型 1911年由卢瑟福提出，在原子中心有一个很小的核，叫原子核。它集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动。 三、原子核的电荷与尺度 1.判断下列说法的正误（正确的画“√”，错误的画“×”）。 （1）阴极射线本质是氢原子。 （×） （2）阴极射线本质是电磁波。 （×） （3）物体的带电荷量可以是任意值。 （×） （4）物体带电荷量的最小值为1.6×10－19 C。（√） （5）α粒子就是高速的电子。 （×） （6）α粒子散射实验表明了原子的质量几乎全部都集中在原子核上。 （√） 2.阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，在其间的高电压下加速飞向阳极，如图所示，若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为 （　　） A.平行于纸面向左 B.平行于纸面向上 C.垂直于纸面向外 D.垂直于纸面向里 解析　阴极射线带负电，由阴极加速飞向阳极，在磁场中运动时，根据左手定则可知，四指指向电子运动的反方向，磁场穿过掌心，大拇指所指方向为受力方向，所加的磁场方向垂直于纸面向外，C正确。 答案　C [对应学生用书第70页] 要点一　电子的发现 　　　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？ （3）能不能测定这种射线的比荷？ 提示：（1）阴极射线在电场中向下偏转，说明射线带负电。 （2）要使带负电的阴极射线向上偏转，根据左手定则可知，需加垂直纸面向外的磁场。 （3）可以将阴极射线放入电场或磁场，分析带电粒子的偏转位移或轨迹半径等，分析其性质。 　对阴极射线管装置及其射线的理解 （1）装置现象 真空玻璃管两极加上高电压→玻璃管壁上发出荧光。 （2）德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线。 （3）猜想 ①阴极射线是一种电磁辐射。 ②阴极射线是带电微粒。 （4）英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转，得知射线带负电并测出了其比荷。 （5）密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量。 （6）电子发现的意义 电子是人类发现的第一个比原子小的粒子。电子的发现打破了原子不可再分的传统观念，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有内部结构。这是人类对物质结构认识的一次飞跃，开创了探索原子结构奥秘的新时代。汤姆孙也由于发现了电子，不仅荣获了1906年诺贝尔物理学奖，而且被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。 [例1]　汤姆孙用来测定电子的比荷（电子的电荷量与质量之比）的实验装置如图所示。真空管内的阴极K发出的电子（不计初速度、重力和电子间的相互作用）经加速电压加速后，穿过小孔C沿中心轴O1O的方向进入到两块水平正对放置的平行极板P和P'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O点处，形成了一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O'点（O'点与O点的竖直间距为d，水平间距可忽略不计）。此时，在P和P'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B时，亮点重新回到O点。已知极板水平方向的长度为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点的电子速度的大小。 （2）推导出电子的比荷的表达式。 （3）上述实验中，未记录阴极K与阳极A之间的加速电压U0，根据上述实验数据能否推导出U0的表达式？说明理由。 [解析]　（1）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O点，设电子的速度为v，则evB＝eE，得v＝，又由E＝，得v＝。 （2）当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入电场后，在竖直方向做匀加速运动，加速度a＝，电子在水平方向做匀速运动，在电场内的运动时间t1＝，电子在电场中运动，竖直向上偏转的距离d1＝a＝，离开电场时竖直向上的分速度v⊥＝at1＝，电子离开电场后做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏，则t2＝，t2时间内向上运动的距离d2＝v⊥t2＝，电子向上的总偏转距离d＝d1＋d2＝，可解得＝。 （3）能。由动能定理可得eU0＝mv2－0， 已知v和的表达式，可推导出U0的表达式。 [答案]　（1）　（2）　（3）见解析 1.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的平行板电容器中，出电场时打在屏上P点，经测量O'P距离为Y0，求电子的比荷。 解析　由于电子在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＝。 答案　 要点二　对α粒子散射实验的理解 　　如图为卢瑟福所做的α粒子散射实验装置的示意图。 （1）该实验中为什么用金箔做靶子？ （2）当把荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，哪个位置相同时间内观察到屏上的闪光次数最多？ 提示：（1）金的延展性好，可以做得很薄而且金的原子序数大，产生的库仑斥力大，偏转明显。 （2）在A处相同时间内观察到屏上的闪光次数最多。 1.实验背景：α粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型。 2.否定汤姆孙的原子结构模型 （1）质量远小于原子的电子，对α粒子的运动影响完全可以忽略，不应该发生大角度偏转。 （2）α粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对α粒子运动方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转。 （3）α粒子的大角度偏转，否定汤姆孙的原子结构模型。 3.大角度偏转的实验现象分析 （1）由于电子质量远小于α粒子质量，所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转。 （2）使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分。按照汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分被抵消，因而不可能使α粒子发生大角度偏转，更不能使α粒子反向弹回，这与α粒子散射实验相矛盾。 （3）实验现象表明原子绝大部分是空的，原子几乎全部的质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则，α粒子大角度散射是不可能的。 4.原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释 （1）当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小。因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转。 （2）只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，发生大角度偏转，而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转。 （3）如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图所示，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°。 [例2]　（多选）如图所示为卢瑟福做α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和放大镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，下述对观察到的现象的说法中正确的是 （　　） A.放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多 B.放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些 C.放在C、D位置时，屏上观察不到闪光 D.放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少 [解析]　α粒子散射实验的结果是绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，少数α粒子发生了较大偏转，极少数α粒子被反弹回来。因此，荧光屏和放大镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，在相同时间内观察到屏上的闪光次数分别为绝大多数、少数、少数、极少数，故A、D正确。 [答案]　AD 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，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错误，B正确；原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远，因而运动方向几乎不变，只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D正确。 答案　BCD 要点三　原子的核式结构模型与原子核的组成 　　　汤姆孙发现电子后建立了“枣糕”模型，卢瑟福根据α粒子散射实验推翻了“枣糕”模型，建立了核式结构模型。 （1）卢瑟福的核式结构模型是最科学的吗？ （2）如何理解原子内绝大部分是空的？ 提示：（1）卢瑟福的核式结构模型是比汤姆孙的“枣糕”模型更科学的模型，但不是最科学的模型，随着人们认知水平的不断提高，原子结构模型也在不断更新。 （2）原子核的半径数量级为10－15 m，原子的半径数量级为10－10 m，原子核的半径只相当于原子半径的10－5，故原子内部绝大部分是空的。 1.两种原子模型 卢瑟福的原子模型有些像太阳系，电子绕核运动就像太阳系的行星绕太阳运动一样，因此，卢瑟福的核式结构模型又被称为行星模型。 2.两种原子模型的对比 汤姆孙的枣糕模型 卢瑟福的原子核式模型 分布 情况 正电荷均匀分布，负电荷镶嵌在其中 正电荷以及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 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 偏转 情况 不会发生大角度偏转，更不会弹回 绝大多数α粒子运动方向不变，少数α粒子发生大角度偏转，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 3.原子核式结构的理解 （1）原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近它们的原子序数。 （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）原子半径的数量级是10－10 m，原子核半径的数量级是10－15 m，两者相差十万倍之多。 [例3]　（多选）根据卢瑟福的原子的核式结构理论，下列对原子结构的认识中，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旋转，所以A、B、C正确，D错误。 [答案]　ABC 3.卢瑟福提出原子的核式结构模型。这一模型建立的基础是 （　　） A.α粒子的散射实验 B.对阴极射线的研究 C.天然放射性现象的发现 D.质子的发现 解析　卢瑟福提出原子的核式结构模型是在α粒子散射实验基础上建立的。 答案　A [对应学生用书第74页] 1.（电子的发现）（多选）关于阴极射线的性质，下列判断正确的是 （　　） A.阴极射线带负电 B.阴极射线带正电 C.阴极射线的比荷比氢原子比荷大 D.阴极射线的比荷比氢原子比荷小 解析　阴极射线在电场、磁场中的偏转情况说明阴极射线带负电，而且比荷比氢原子的比荷大得多，故A、C正确。 答案　AC 2.（α粒子散射实验）（多选）用α粒子撞击金原子核发生散射，图中关于α粒子的运动轨迹正确的是 （　　） A.a B.b C. D.d 解析　α粒子受金原子核的排斥力，方向沿两者的连线方向，运动轨迹弯向受力方向的一侧，A、B均错误；离原子核越近，α粒子受到的斥力越大，偏转越大，C、D正确。 答案　CD 3.（原子的核式结构模型）（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绕着核旋转 解析　卢瑟福原子核式结构理论的主要内容是：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空间绕着核旋转，由此可见，B错误，A、C、D正确。 答案　ACD 学科网（北京）股份有限公司 $$