第4章 3.原子的核式结构模型-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（人教版2019）

享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 3.原子的核式结构模型 核心素养定位 1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，理解电子的发现对揭示原子结构 的重大意义，体会电子的发现过程中蕴含的科学方法。2知道电荷是量子化的，即任何带电 体的电荷只能是e的整数倍。3.知道JJ.汤姆孙的原子结构模型，了解α粒子散射实验的原理、 现象和结论，体会卢瑟福构建原子核式结构模型的科学方法，培养抽象思维能力和想象能力。 4知道卢瑟福的原子核式结构模型的内容和意义，知道原子和原子核大小的数量级以及原子 核的电荷数和核外电子数的关系。 课前自主学习 电子的发现 1.阴极射线：在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一种 射线。这种射线称为阴极射线。 2.电子的发现 (①)JJ汤姆孙发现，阴极射线的本质是splO)带负电的粒子流。他进一步发现，不同物质 都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的spl02)共有成分 (2)江J汤姆孙证明阴极射线粒子的电荷量大小与spl03)氢离子大致相同，后来，组成阴极 射线的粒子被称为splO4)电子。 3.电子的认识 (1)密立根通过“Lsp1105)油滴实验”精确测定电子电荷，e=sp11061.602×10-19C,电荷 是sp0)量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的splO8整数倍。 (2)电子的质量为m.=sp10991×10-31kg (3)质子质量与电子质量的比值为me=spl101836。 二原子的核式结构模型 1.JJ汤姆孙的原子模型：JJ汤姆孙于1898年提出了一种模型，他认为，原子是一个！ spl01)球体，splO2正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，spl03电子镶嵌其中， 该模型被称为“西瓜模型”或“枣糕模型”，能够解释一些实验现象，但后来被spl04a粒子散 射实验否定了。 2.粒子散射实验 1 令学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 (1)a粒子是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，质量为s迎105)氢原子质量的4倍， 电子质量的7300倍。 (2)实验结果 ①splO6)绝大多数c粒子穿过金箔后，基本沿原方向前进。 ②sp107)少数c粒子发生大角度偏转，极少数偏转角度甚至大于90°。 (3)核式结构模型：1911年由sp108卢瑟福提出，原子中带正电部分的体积supl1O9)很小， 但几乎占有全部spl10)质量，称为spl)原子核，电子在其外面运动。 三原子核的电荷与尺度 1.原子内的电荷关系：原子是由带电荷sp101)十Ze的核与核外spl02Z个电子组成的。 原子序数Z等于核电荷与电子电荷大小的sp103比值，它表示原子核的电荷是一个电子电 荷（绝对值）的多少倍。 2.原子核的组成：原子核是由sp104)质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的1 pl05)质子数。 3.原子核的大小：实验确定的原子核半径的数量级为sp10610一15m,而整个原子半径 的数量级是s迎l0710一10m,可见原子内部十分“空博矿”。 。课前检测 1.判-判 ()阴极射线管发出荧光是由于阴极射线撞击管壁而引起的。() (②)想知道阴极射线是电磁波还是带电粒子，可以使阴极射线垂直进入电场和磁场，通过荧光 屏上的亮点位置来判断。() (3)江J汤姆孙发现了电子，从而认识到原子是可以再分的。() (4)江J汤姆孙指出阴极射线的本质是带负电的粒子流，密立根求出了该粒子的比荷。() (⑤)JJ汤姆孙的原子模型不能解释α粒子敏射实验中少数α粒子发生大角度偏转甚至反向弹回 的现象。() (⑥原子中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和全部质量都集中在这个核里。() (Ta粒子散射实验是估算原子核半径的一种方法。() 提示：(1)N(2)N(3)N(4)×(5)V(6×(7N 2.想一想 2 令学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 在做α粒子散射实验时，粒子射入金箔后为什么不考虑a粒子与电子的碰撞对a粒子速度的影 响？ 提示：电子质量远小于粒子质量，碰撞对α粒子的速度几乎没有影响。 课堂探究评价 探究1电子的发现 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 师生互动 活动1：如图甲，真空玻璃管左侧顶端接有阴极K,玻璃管较细部分有金属环制成的阳极A, 两极之间加上8kV的电压时，阴极对面的玻璃壁上就出现绿色的荧光及管中物体的影。猜想 一下荧光是怎么形成的？ 提示：荧光可能是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的。 活动2：德国物理学家戈德斯坦认为阴极会发出一种阴极射线。关于阴极射线的本质，曾有 两种观点：电磁辐射、带电微粒，有什么办法可以判别吗？ 提示：根据带电粒子在磁场或电场中会偏转，而电磁波不会偏转可以判别。 活动3：如图乙是JJ汤姆孙当时使用的气体放电管的示意图。金属板D1、D:之间未加电场 时，射线不偏转，射在屏上P点，按图示方向施加电场E后，射线发生偏转并射在屏上P2 点，根据这一现象可以得出什么结论？ 提示：荧光斑向下偏移，说明阴极射线是带电微粒，根据D1、D2间电场的方向可知该微粒 带负电荷。 活动4：JJ汤姻孙曾经用图乙装置根据阴极射线在电场和磁场中的偏转测定了阴极射线的比 3 令学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 荷，用不同材料的阴极做实验，比荷相同，说明了什么？ 提示：说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。 活动5：JJ汤姆孙测得阴极射线粒子的比荷是氢离子的近2000倍，后米又测得其电荷量的 大小和氢离子大致相同，根据这一情况可以得到什么结论？ 提示：阴极射线粒子的质量约为氢离子的两千分之一。 活动6：组成阴极射线的上述粒子被称为电子。后来发现不论是正离子的轰击、紫外线的照 射、金属受热还是放射性物质的自发辐射，都能发射电子，由此可以有什么猜测？ 提示：原子不是组成物质的最小微粒，电子是原子的组成部分。 得出结论 1.产生阴极射线的机理 管中残存气体分子中的正负电荷在强电场的作用下被“拉开“（即气体分子被电离），正电荷（即 正离子在电场加速下撞击阴极，于是阴极释放更多粒子流，形成了阴极射线。 2.电子的发现的意义 电子的发现是物理学史上的重要事件。人们由此认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子 本身也有结构。 3.电子的认识 (1)电子电荷的精确测定是在1909一1913年间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=1.602176634×10-19C。 密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是的整数倍。从 实验测到的比荷及ε的数值，可以确定电子的质量。现在人们普遍认为电子的质量为m。= 9.10938356×10-31kg。 质子质量与电子质量的比值为mpme=1836。 (②)江J汤姆孙进一步研究发现，不论阴极射线、光电流、热离子流还是射线，它们都包含电 子。也就是说，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一电子。 实践提升 例1如图所示为JJ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 4 亨学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 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L,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)推导出电子比荷的表达式。 [实践探究](1)如何计算电子在正交的电场和磁场中的速度？ 提示：因为电子在正交电场和磁场中做匀速直线运动，所以根据受力平衡可得：evB=E, 又E=b,可得：v=UBb。 (2)在仅有电场时，电子在电场中做什么运动？ 提示：做类平抛运动。 [规范解答剖(1)设电子的速度为， 则有evB=eE,所以v=EB=UBb。 (2)当极板间仅有偏转电场时，电子在电场中竖直方向上的偏转距离为 y=12ar21=12-eUmb alvs4allcol(f(Llv))2=21eLU2mv2b 电子离开电场时竖直方向上的分速度为 v=ah=eUmb Llv 电子离开电场后做匀速直线运动，到荧光屏的时间为 h=L2v 这段时间内竖直方向上运动的距离为 y2=vih=eULIL2mv2b 这样，电子在竖直方向上偏转的总距离为 d-y=y1+yz=eUmv2bLilalvs4alco1(L2+L12)) 可解得：em=Udrc2)。 [答案】(1)UBb(2)em=Udrc2) 心规律点拨 5 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 常见的三种测量带电粒子比荷的方法 (I)利用磁偏转测比荷：由qB=v2R得gm=vBR,只需知道磁感应强度B、带电粒子的初速 度v和偏转半径R即可。 (2)利用电偏转测比荷：偏转量y=I2at2=12 qUmdavs4-1 alcol0fLv)2,故gm=2ydv2UL2。 所以在偏转电场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：由动能定理得qU=122,因此gm=v22U,只需再测出v即可。 [变式训练】密立根油滴实验首先精确地测出了元电荷的数值，其实验装置如图所示，油滴 从喷雾器喷出，以某一速度进入水平放置的平行板之间。今有一带负电的油滴，不加电场时， 油滴由于受到重力作用加速下落，速率变大，受到的空气阻力也变大，因此油滴很快会以一 恒定速率”匀速下落。若在两板间加一电压，使板间形成向下的电场E,油滴下落的最终速 率为。己知运动过程中油滴受到的阻力可由斯托克斯公式f=6v计算（其中r为油滴半径， n为空气粘滞系数)。实验时己测出r、M、、E、。 喷雾器 油滴室 ,金同板 显微镜 金枫板 (1)油滴的电荷量4= (2)经多次测量得到许多油滴的总电荷量Q的测量值如下表（单位10-19C): 6.41 8.01 9.65 11.23 12.83 14.48 分析这些数据可知 答案(1)6m(v1一v2)E (2)电荷的最小电荷量即元电荷为1.6×10-19C 解析(1)没有加电压时，有mg=f=6玩1，加上电压后，油滴受到向上的阻力和电场力， 有mg=5+gE=6%十gE,联立解得油滴的电荷量g=6m(v1-v2)E。 (2)在误差范围内，可以认为油滴的带电荷量总是1.6×10-19C的整数倍，故电荷的最小电荷 量即元电荷为1.6×10-19C。 探究2原子的核式结构模型 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 6 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 ■正电褐 ⊙电子 甲J小.汤姆孙的原子模型 放射源R 金箱F 荧光屏S显微镜剂 粒子 乙α粒子散射的实验装置示意图 核外电子占有区 原子核 9 师生互动 活动1：我们知道原子是电中性的，电子带负电且质量非常小，据此猜想原子的组成和结构 是什么样的？ 提示：原子中一定存在带等量正电荷的部分，它具有原子的大部分质量。 活动2：如图甲是J.J汤姆孙提出的原子的“枣糕模型”一正电荷弥漫性地均匀分布在整个球 体内，电子镶嵌在其中。α粒子是放射性物质发射出来的高速粒子，带两个单位正电荷，它 的质量是氢原子的4倍、电子的7300倍，如果用一束平行的α粒子轰击大量图甲中的原子， 则α粒子的运动轨迹是什么样的？ 提示：因为α粒子的质量远大于电子，所以带负电的电子对粒子的运动基本没有影响。正电 荷均匀分布在原子中，α粒子穿过原子时受到的各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，所 以a粒子应该沿原米的方向运动。 活动3：卢瑟福及其助手曾用如图乙所示的装置做探究原子结构的实验，α粒子穿过金箔打在 荧光屏上会有微弱的闪光产生。实验发现，绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原方向前进， 但有少数的a粒子as4 alcol(约占f18000)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”。据此分析图甲模型是否正确？ 7 草学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 提示：根据活动2的分析，以及实验结果，可知图甲模型不正确。 活动4：图丙是卢瑟福根据实验结果提出的原子模型一原子中带正电部分（原子核）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。分析此模型是否与实验吻合？ 提示：大量粒子进入原子区域后，电子对它的影响基本可以忽略。由于原子核很小，所以 只有极少量粒子能靠近原子核而在库仑斥力的作用下发生大角度偏转，大部分粒子离原子 核很远，受到的库仑力很小，运动方向几乎不变。由此可见图丙的原子模型与实验吻合。 活动5：通过不同元素的c粒子散射实验数据，发现原子核的电荷数（电荷量与电子电荷的比 值)等于该元素的原子序数，原子核的半径的数量级为10一15m,从中你有什么认识？ 提示：因为原子呈电中性，所以原子核的电荷数等于原子核外的电子数，所以原子序数等于 原子中的电子数，元素周期表中的元素是按原子中的电子数排列的。从分子动理论我们知道 原子半径的数量级为10一10m,与原子核的半径相比，可知原子内部是十分“空的。 得出结 论 1.粒子散射实验 (1)实验过程：α粒子从铅盒射出，形成细射线打在金箔上，被散射的α粒子打在荧光屏上产生 闪光，用可转动的显微镜从不同角度进行观察。 (2)现象 ①绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进。 ②少数α粒子发生较大角度偏转。 ③极少数α粒子偏转角度超过90°，几乎被“撞了回来”。如图所示。 中原子核 (3加粒子散射实验与JJ汤姆孙的原子模型的冲突分析 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JJ汤姆孙的模型，正电荷在 原子内是均匀分布的，粒子穿过原子时，它受到的正电荷的斥力基本上会相互平衡，因而 也不可能使粒子发生大角度偏转，更不可能使α粒子反向弹回，这与α粒子散射实验的现象 8 享学科网书城国 品牌书店，知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 相矛盾。 ③实验现象表明原子内部绝大部分是空的，除非原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在 原子中心的一个很小的空间范围，否则，粒子大角度偏转是不可能的 (4)实验意义：否定了JJ汤姆孙的原子结构模型，提出了原子核式结构模型，明确了原子核 大小的数量级。 2.原子的核式结构模型 (1)发现原子核式结构模型的过程 实验或发现 说明了什么 电子的发现 说明原子有复杂结构 说明JJ汤姆孙（枣糕式）原子模型不符合实际，卢瑟福重新建立原子的核 α粒子散射实验 式结构模型 (2)原子核式结构模型的内容 ①在原子中心有一个很小的核，叫原子核。 ②原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在这个核里。 ③带负电的电子在核外空间绕核旋转。 (③)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，所以绝大多数粒子不发生偏转。 ②只有当粒子穿过时十分接近原子核，才受到很大的库仑力作用，偏转角才很大，而这种 机会很少。 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。 实践提升 三 例2（多选）如图所示是粒子散射实验装置的示意图。从α粒子源发射的α粒子射向金箔，金 箔非常薄，可认为金箔是单原子薄膜，每个粒子只可能与其中一个金原子作用。利用观测 装置观测发现，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α粒子偏转的角度甚至大于90°。已知α粒子的质量 是氢原子质量的4倍、电子质量的7300倍，金原子质量是氢原子质量的197倍。下列说法正 确的是(） 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 金箔F 放射源R 荧光屏S显微镜M a粒子 A.α粒子发生大角度偏转是金箔中的电子对α粒子的作用引起的 B.实验结果说明原子中的正电荷弥漫性地均匀分布在原子内 C.a粒子发生大角度偏转是金箔中带正电的物质对α粒子的作用引起的 D.卢瑟福假设原子中带正电的部分和绝大部分质量集中在一个很小的区域，这个假设与实 验结果相符 [实践探究](1)加粒子与金原子中电子的作用遵从弹性碰撞规律，电子会明显影响α粒子的运动 吗？ 提示：根据弹性碰撞的规律可知，比粒子质量小得多的电子不会明显影响α粒子的运动。 (2)若金原子中带正电的部分弥漫性地均匀分布在原子内，α粒子的运动会受到影响吗？ 提示：粒子穿过金原子时受金原子中带正电部分的静电力大致平衡，所以其运动基本不会 受到影响。 [规范解答粒子的质量是电子质量的7300倍，所以粒子运动方向几乎不受电子影响，A 错误：若原子中的正电荷弥漫性地均匀分布在原子内，则粒子受到的库仑斥力近似平衡， 不会发生大角度偏转，B错误：卢瑟福假设原子中带正电的部分和绝大部分质量集中在一个 很小的区域，根据统计规律可知，单位时间射向一个金原子截而各部分的α粒子数目相等， 所以绝大多数α粒子离原子中这个很小的带正电的区域很远而几乎不发生偏转，只有靠近原 子中这个很小的带正电的区域的极少数粒子才会受到带正电部分很强的库仑斥力而发生大 角度偏转，甚至偏转超过90°，C、D正确。 [答案]CD [变式训练2]对卢瑟福的α粒子散射实验的结果，下列认识正确的是() A.实验证明了质子的存在 B.实验证明了原子核是由质子和中子组成的 C.实验证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里 D.实验证明了原子中的电子只能在某些轨道上运动 答案C 10