第4章 3.原子的核式结构模型-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步讲义(人教版)

3．原子的核式结构模型 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粒子散射实验的原理和实验现象。 3．了解卢瑟福的原子核式结构模型，知道原子和原子核大小的数量级。 4．认识原子核式结构模型建立的科学推理与论证过程。 　电子的发现 1．阴极射线 荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线被命名为阴极射线。 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)换用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同，是氢离子比荷的近两千倍。 (3)结论：阴极射线粒子带负电，其电荷量的大小与一个氢离子一样，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)电子电荷量：1909～1913年间由密立根通过著名的“油滴实验”得出，电子电荷目前公认的值为e＝1.602×10-19 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。 提醒：阴极射线实质是带负电的电子流。 在如图所示的演示实验中，K是金属板制成的阴极，A是金属环制成的阳极。K和A之间加上近万伏的高电压。 【问题】 (1)你在管端玻璃壁上能观察到什么现象？该现象说明了什么问题？ (2)人们对这种阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为是电磁辐射，另一种观点认为是带电微粒，如何用实验判断哪种观点正确？ 提示：(1)能看到玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影，这说明阴极能够发出某种射线，并且撞击玻璃发出荧光。 (2)可以让阴极射线通过电场或磁场，若射线垂直于磁场(电场)方向射入之后发生了偏转，则该射线是由带电微粒组成的。 1．对阴极射线本质的认识——两种观点 (1)电磁波说，代表人物——赫兹，他认为这种射线是一种电磁辐射。 (2)粒子说，代表人物——J.J.汤姆孙，他认为这种射线是一种带电粒子流。 2．阴极射线的本质 阴极射线的本质是带负电的粒子流，汤姆孙把这种粒子命名为“电子”。 3．阴极射线带电性质的判断方法 (1)方法一：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点的变化和电场的情况确定阴极射线的带电性质。 如图所示，带电粒子在电场中运动，受电场力作用运动状态发生改变(粒子重力忽略不计)。带电粒子在不受其他力时，沿电场线方向偏转时，粒子带正电；逆电场线方向偏转时，粒子带负电。 (2)方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质。 如图所示，粒子将受到洛伦兹力作用，速度方向始终与洛伦兹力方向垂直，利用左手定则，即可判断粒子的电性。如果粒子按图示方向进入磁场，若做顺时针的圆周运动，则粒子带正电；若做逆时针的圆周运动，则粒子带负电。 4．电子比荷(或电荷量)的测定方法 (1)让粒子通过正交的电磁场(如图所示)，让其做直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(qvB＝qE)得到粒子的运动速度v＝。 (2)在其他条件不变的情况下，撤去电场，保留磁场让粒子在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力即qvB＝，根据粒子运动的轨迹由几何知识求出其半径r，得＝＝。 (3)当电子在匀强电场中偏转时，y＝at2＝，测出电场中的偏转量也可以确定比荷。 特别提醒：(1)电子的发现，打破了原子不可再分的传统观念，即原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有内部结构。 (2)密立根是通过“油滴实验”精确测定电子电荷的第一人，密立根实验的重要意义是发现了电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。 【典例1】　(2022·江西科技学院附属中学高二下月考)物理学家密立根利用实验最先测出了电子的电荷量，该实验被称为密立根油滴实验。如图所示，两块水平放置的金属板A、B分别与电源的正、负极相连接，板间产生匀强电场，方向竖直向下，板间油滴P带负电，悬浮在两板间保持静止。 (1)若要测出该油滴的电荷量，需要测出的物理量有________。 A．两板的长度L B．油滴质量m C．两板间的电压U D．两板间的距离d (2)用所选择的物理量表示出该油滴的电荷量q＝________(已知重力加速度为g)。 (3)若要使原本静止的油滴落到下极板，则下列做法可以达到目的的有________。 A．保持两极板间电压不变，把下极板向下移 B．断开电源，把下极板向右移 C．断开电源，把下极板向下移 D．断开电源，把下极板向上移 [解析]　(1)平行金属板间存在匀强电场，油滴恰好处于静止状态，根据平衡条件有mg＝qE＝，所以需要测出的物理量有油滴质量m、两板间的电压U、两板间的距离d，故选B、C、D。 (2)根据(1)中分析可得该油滴的电荷量q＝。 (3)若要使原本静止的油滴落到下极板，减小油滴受到的电场力即可。保持两极板间电压不变，把下极板向下移，则增大极板间距，根据E＝可知，电场强度减小，则油滴受到的电场力减小，因此油滴可落到下极板，A正确；断开电源，金属板所带电荷量Q不变，根据C＝、C＝及E＝可得E＝，则把下极板向下移或把下极板向上移，两板间距离变化，但两板间电场强度不变，油滴仍处于静止状态，把下极板向右移，S减小，两板间电场强度增大，油滴会上升，故B、C、D错误。 [答案]　(1)BCD　(2)　(3)A [跟进训练] 1．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 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。] 　原子的核式结构模型　原子核的电荷与尺度 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，电子镶嵌在球体内，被称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。 (2)α粒子散射实验 ①实验装置：α粒子源、金箔、放大镜和荧光屏。 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粒子发生了大角度的偏转。 c．极少数α粒子的偏转角大于90°，甚至有极个别α粒子被反弹回来。 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。 3．原子核的电荷与尺度 提醒：原子半径与原子核半径相差十万多倍，可见原子内部是十分“空旷”的。 图为卢瑟福所做的α粒子散射实验装置的示意图。 【问题】 (1)该实验中为什么用金箔作靶子？ (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)金原子核原子序数大，对α粒子产生的库仑斥力大，α粒子偏转明显。金的延展性好，可以做得很薄。 (2)在A处相同时间内观察到屏上的闪光次数最多。 1．实验现象 α粒子的散射示意图如图所示。 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(约占八千分之一)发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”。 2．核式结构模型 (1)核式结构模型 卢瑟福依据α粒子散射实验的结果，提出了原子的核式结构模型——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，带负电的电子在原子核外空间绕着原子核旋转。 卢瑟福提出的原子结构模型中，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕着太阳运转的行星，在这个“太阳系”中，支配在它们之间的作用力是库仑力，因而这个模型又被称为“行星模型”。 (2)原子的核式结构模型与原子的“西瓜模型”的区别 核式结构模型 “西瓜模型” 原子内部是非常“空旷”的，正电荷集中在一个很小的核里 原子是充满了正电荷的实心球体 电子绕核高速运转 电子嵌在原子球体内 【典例2】　(2022·江西吉安五校高二下联考)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。下列说法正确的是(　　) A．卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构模型 B．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 C．在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光 D．α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金原子后产生的反弹 A　[卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构模型，选项A正确；因大多数α粒子不改变运动方向，则在题图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内在A处观察到屏上的闪光次数多，选项B错误；因有少数的α粒子产生大角度偏转，则在题图中的B位置进行观察，屏上同样可观察到闪光，选项C错误；α粒子发生散射的主要原因是受到金原子核的斥力作用从而改变运动方向，选项D错误。] [跟进训练] 2．(多选)如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图，关于荧光屏和显微镜一起分别放在图中A、B、C、D四个位置时观察到的现象，下述说法正确的是(　　) 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放在A位置时稍少些 C．放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数要比放在A位置时少很多 D．放在C、D位置时，屏上观察不到闪光 AC　[在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故A正确；少数α粒子发生较大偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，极个别α粒子被反弹回来，故B、D错误，C正确。] 1．(多选)已知X射线的“光子”不带电，假设阴极射线像X射线一样，则下列说法正确的是(　　) A．阴极射线管内的高电压不能够对其加速而增加能量 B．阴极射线通过偏转电场时不会发生偏转 C．阴极射线通过磁场时方向一定不会发生改变 D．阴极射线通过偏转电场时能够改变方向 ABC　[因为X射线的“光子”不带电，故电场、磁场对X射线不产生作用力，故选项A、B、C正确。] 2．(2022·北京第四十三中学高二期中)关于α粒子散射实验的下述说法正确的是(　　) 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α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90°，有的甚至接近180°被弹回 D．使α粒子发生明显偏转的力是来自带正电的核及核外电子，当α粒子接近核时，是核的斥力使α粒子发生明显偏转，当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转 C　[实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A项错误。α粒子散射实验观察到的现象是：α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子几乎不发生偏转，少数α粒子发生了较大的角度偏转，极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°，有的甚至几乎达到180°，被反弹回来)。使α粒子发生明显偏转的力是来自带正电的原子核，当α粒子接近核时，是核的斥力使α粒子发生明显偏转，当α粒子接近电子时，由于电子质量远小于α粒子质量，所以α粒子几乎不发生偏转。从绝大多数α粒子几乎不发生偏转可以推测出使α粒子受到排斥力的核体积极小，故C项正确，B、D两项错误。] 3．如图所示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹，M、N、P、Q是轨迹上的四点，在散射过程中可以认为重金属原子核静止。图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是(　　) A．M点　　B．N点　　C．P点　　D．Q点 C　[α粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电，互相排斥，加速度方向与α粒子所受斥力方向相同。带电粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向曲线的凹侧。] 4．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“枣糕模型”和核式结构模型，它们的模型示意图如图所示。下列说法正确的是(　　) A．α粒子散射实验与“枣糕模型”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“枣糕模型”，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“枣糕模型” D．科学家通过α粒子散射实验否定了“枣糕模型”和核式结构模型，建立了玻尔的原子模型 B　[α粒子散射实验与核式结构模型的建立有关，通过该实验，否定了“枣糕模型”，建立了核式结构模型，选项B正确。] 回归本节知识，自我完成以下问题： 1．阴极射线的本质是什么？它所带电荷有什么特点？ 提示：电子流；带负电，电荷量e＝1.6×10-19 C。 2．α粒子散射实验的现象有哪些特征？ 提示：①绝大多数的α粒子运动方向没变。 ②少数α粒子发生了大角度偏转。 ③极少数α粒子偏转角大于90°，极个别的被反弹。 3．原子的核式结构模型内容有哪些？ 提示：在原子中心有一个很小的原子核，它集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量，电子绕核高速运转。 课时分层作业(十五) 题组一　电子的发现 1．(2022·甘肃天水高二期中)汤姆孙发现了电子并由此提出了原子结构的“枣糕模型”，他发现电子的实验基础是(　　) A．α粒子散射实验 B．阴极射线实验 C．α粒子轰击铍核实验 D．α粒子轰击氮核实验 B　[卢瑟福通过对α粒子散射实验现象的分析，提出了原子核式结构模型，故A错误；汤姆孙通过研究阴极射线实验，发现了电子的存在，故B正确，C、D错误。] 2．下列是历史上的几个著名实验的装置图，其中发现电子的装置是(　　) A　　　　　　　　　B C　　　　　　　　D A　[题图A是阴极射线偏转的实验，该装置是发现电子的实验装置，A符合题意；题图B是电子束衍射的实验，说明粒子具有波动性，B不符合题意；题图C是α粒子的散射实验，得出了原子的核式结构模型，C不符合题意；题图D是光电效应现象的实验装置，D不符合题意。] 3．(多选)1897年英国物理学家J.J.汤姆孙发现了电子并被称为“电子之父”，下列关于电子的说法正确的是(　　) A．J.J.汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是带负电的粒子的结论，并求出了阴极射线的比荷 B．J.J.汤姆孙通过对光电效应的研究，发现了电子 C．电子的质量是质子质量的1 836倍 D．J.J.汤姆孙通过对不同材料作阴极发出的射线进行研究，并研究光电效应等现象，说明电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元 AD　[由J.J.汤姆孙发现电子的过程可知，A正确；J.J.汤姆孙发现电子后，又进一步研究了光电效应、热离子发射效应和β射线等，他发现，不论阴极射线、光电流、热离子流还是β射线，它们都包含电子，说明电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元，B错误，D正确；质子质量远大于电子质量，C错误。] 题组二　原子的核式结构模型 4．卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是(　　) A　　　　　　　B C　　　　　　　D D　[α粒子轰击金箔后偏转，越靠近金原子核，偏转的角度越大，所以A、B、C错误，D正确。] 5．关于卢瑟福的原子核式结构学说的内容，下列叙述正确的是(　　) A．原子是一个质量分布均匀的球体 B．原子的质量几乎全部集中在原子核上 C．原子的正电荷和负电荷全部集中在一个很小的核内 D．原子核半径的数量级是10-10 m B　[卢瑟福的原子核式结构学说的内容：在原子的中心有一个很小的核，称为原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核上，电子绕原子核做高速运转，故A、C错误，B正确；原子半径的数量级为10-10 m，而原子核半径的数量级为10-15 m，故D错误。] 6．在α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一原子核附近时的运动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，那么关于该原子核的位置，下列说法正确的是(　　) A．可能在①区域 B．一定在②区域 C．可能在③、④区域 D．一定在⑤区域 B　[α粒子带正电，原子核也带正电，原子核对靠近它的α粒子产生库仑斥力，由α粒子运动轨迹的弯曲方向可知库仑斥力方向向下，所以原子核一定在②区域，故B正确。] 7．(多选)(2022·宁夏海原一中高二期末)下图是卢瑟福的α粒子散射实验装置示意图，在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋，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，最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(　　) A．该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据 B．该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性 C．α粒子与原子中的电子碰撞会发生大角度偏转 D．只有少数的α粒子发生大角度偏转 AD　[α粒子散射实验的内容：绝大多数α粒子几乎不发生偏转，少数α粒子发生了较大的角度偏转，极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°，有的甚至几乎达到180°，被反弹回来)。该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据，A项正确；根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子核式结构模型的假设，从而否定了汤姆孙原子模型的正确性，B项错误；发生α粒子偏转现象，主要是α粒子和原子核发生相互作用的结果，C项错误；绝大多数α粒子几乎不发生偏转，少数α粒子发生了较大的角度偏转，D项正确。] 8．如图所示，根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹。在α粒子从a运动到b再运动到c的过程中，下列说法正确的是(　　) A．动能先增大后减小 B．电势能先减小后增大 C．电场力先做负功后做正功，总功等于0 D．加速度先减小后增大 C　[α粒子及原子核均带正电，故α粒子受到原子核的斥力，从a运动到b，电场力做负功，动能减小，电势能增大，从b运动到c，电场力做正功，动能增大，电势能减小。a、c在同一条等势线上，a、c两点的电势差为0，则α粒子从a运动到c的过程中，电场力做的总功等于0，A、B错误，C正确；α粒子所受的库仑力F＝，b点离原子核最近，所以α粒子在b点时所受的库仑力最大，加速度最大，故加速度先增大后减小，D错误。] 9．(多选)如图所示为J.J.汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法正确的是(不考虑电子重力)(　　) A．若D1、D2之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的P1点 B．若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转 C．若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转 D．若在D1、D2之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转 AC　[若D1、D2之间不加电场和磁场，由于惯性，阴极射线应打到最右端的P1点，A正确；阴极射线是电子流，带负电，若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，电子受到的电场力向上，故阴极射线应向上偏转，B错误，C正确；若在D1、D2之间加上垂直纸面向里的磁场，根据左手定则可知，电子受到的洛伦兹力向下，故向下偏转，D错误。] 10．英国科学家汤姆孙以及他所带领的一批学者对原子结构的研究奠定了近代物理学的基石，其中他对阴极射线粒子比荷测定的实验最为著名，实验装置如图甲所示。某学校的学生在实验室重做该实验，装置如图乙所示，在玻璃管内的阴极K发射的射线被加速后，沿直线到达画有正方形方格的荧光屏上。在上下正对的平行金属极板上加上电压，在板间形成电场强度为E的匀强电场，射线向上偏转；再给玻璃管前后的励磁线圈加上适当的电压，在线圈之间形成磁感应强度为B的匀强磁场，使射线沿直线运动，不发生偏转。之后再去掉平行板间的电压，射线向下偏转，打在屏上A点，如图丙所示。(不计射线的重力，匀强电场、匀强磁场范围限定在刻度“1”和“7”所在的竖直直线之间，且射线由刻度“1”所在位置进入该区域，正方形方格边长为d)求： (1)该射线进入场区时的初速度v； (2)该射线粒子的比荷； (3)带电粒子在磁场中运动到A点的时间(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)。 [解析]　(1)射线被加速后在电场力和洛伦兹力的共同作用下做匀速直线运动，根据平衡条件得 qE＝qvB 解得该射线进入场区时的初速度为v＝。 (2)去掉金属板间电压后，粒子不再受到电场力，只在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，打在屏上A点，设轨迹圆心为O，半径为r，如图所示。 则有(4d)2＝r2－(r－2d)2 解得r＝5d 因为洛伦兹力提供向心力，则r＝ 联立解得＝。 (3)设粒子轨迹对应的圆心角为θ，根据几何关系可得 sin θ＝＝0.8 解得θ＝53° 带电粒子在磁场中运动到A点的时间为 t＝＝。 [答案]　(1)　(2)　(3) 1/16 学科网（北京）股份有限公司 $$