第4章 3. 原子的核式结构模型-【重难点手册】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

重雕台手圆高中物理选择性必修第三册) 第3节原子的核式结构模型 重点和难点 课标要求 重点：1，阴极射线的发现和射线性质的判断， 1.知道电子的发现过程和重大意义。 2.体会电子发现过程中蕴含的科学方法 2.了解α粒子散射实险的原理、现象和结论 3知道电子是量子化的，须会电子的发现对揭示 3.知道卢瑟福原子核式结构的内容和意义 原子结构的重大意义 4.知道原子和原子核大小的数量级以及原子核 难点：1，汤姆孙研究阴极射线的科学方法。 的电荷数和核外电子数的关系， 2.原子核式结构模型的建立过程的理解 」01必备知识梳理。一 基础梳理 知识点1电子的发现 L.阴极射线 里记方法 (1)产生：在稀薄气体辉光放电的实验中，当管中抽成真空 判断阴极射线电性的方法 时，就不再发生辉光放电.这时在钻有小孔的阳极孔外的玻璃管 1,在阴极射线所经区城 荧光壁上却发出荧光：如果在管中放一个“十”字形的金属片，荧 加上电场，粒子在电场中运动 如图所示.带电粒子在电场中 光就出现“十”字形阴影（如图所示）.这表明玻璃管壁发出的荧光 运动，受电场力作用运动方向 是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，并把这种 会发生政变（粒子重量忽略不 射线叫作阴极射线。 计).带电粒子在不受其他力作 用时，若沿电场线方向偏转，则 6.3V 粒子带正电：若逆着电场线方 3kV 向偏转，则粒子带负电 玻璃管壁上的荧光阴影 (2)特点：能使荧光物质发光. 2.电子的发现 2.在阴极射线所经区域 (1)从1890年起英国物理学家J.J.汤姆孙开始了对阴极射 加上磁场，粒予在磁场中运动 线的一系列实验研究.为了验证阴极射线是带电粒子流，他设计 如图所示.粒子将受到洛伦兹 了如图所示的装置.由阴极K发出的带电粒子通过缝隙A、B形 力F=qB作用，速度方向始 终与洛伦兹力方向垂直，利用 成一束细细的射线.它穿过两片平行的金属板D、D,之间的空 左手定则即可判断粒子的电 间，达到右端带有标尺的荧光屏上.根据射线产生的荧光的位置 性.不考虑其他力的作用，如 (如P,P2,P,…),可以研究射线的径迹.1897年，J.J.汤姆孙根 果粒子按图示方向进入磁场， 据射线在电场和磁场中的偏转情况断定，阴极射线的本质是带负 且做顺时针的國周运动，则粒 96 第四章原子结构和波粒二象性酱组 电的粒子流 子带正电：若做递时针的圆周 运动，则粒子带负电。 0··B A 8 (2)J.J.汤姆孙通过对阴极射线的进一步研究，测定了这种 射线中的带电粒子的比荷4，结果发现这种带电粒子的电荷量跟 卫划重点7 氢离子的电荷量相同，而电性相反，但质量要比氢原子小得多，他 1.电子的发现打破了原 把这种带电粒子命名为“电子” 子不可再分的传统观念，即原 子不是组成物质的最小微粒， 电子的发现使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原 原子本身也有内部结构。 子本身也具有结构，由此打开了原子物理的大门. 2.密立根是通过“油滴实 3.电子电荷的精确测定—“油滴实验” 验”精确测定电子电荷的第一 (1)如图所示，两块平行放置的水平金属板A、B与电源相 人，密立根实验的重要意义是 连，使A板带正电，B板带负电.从喷雾器喷出的小油滴经A金属 发现了电荷是量子化的，即任 板中间的小孔，落到两极板之间的匀强电场E中. 何电荷只能是：的整数倍. 破雾保嘴 A业微镜 mIgt B (2)小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可 以使小油滴在两板之间静止或做匀速直线运动，忽略空气阻力 此时油滴所受的电场力和重力平衡，即mg=E9,则油滴的电荷量 9餐 (3)实验发现 ①电子电荷的值为e=1.602176634×10-C.计算时通常 取e=1.6×10-9C ②任何带电体所带的电荷只能是的整数倍，即电荷是量子 化的 ③由实验测得的电子的比荷和电子电荷，可以确定电子的 质量为m。=9.10938356×101kg.质子质量与电子质量的比 值为费-1836 97 国避手册高中物理选择性必修第三册) 知识点2原子的核式结构模型 1.J.】.汤姆孙的原子模型 刀记方法 在J.J.汤姆孙发现电子之后，对于原子中正、负电荷如何分 α粒子散射实验问题的 布的问题，科学家提出了许多模型.其中较有影响的是J.J.汤姆 分析方法 孙本人于1898年提出的一种模型.他认为，原子中的正电荷和原 分析和解答有关a粒子 子绝大部分的质量都均匀地分布在整个原子球体内，而电子镶嵌 散射实验问题时，必须以电子 在其中，即所谓的“西瓜模型”或“枣糕模型”，如图所示. 的发现及：粒子散射实验现 正电荷 电子 象为依据，并结合前面所掌握 的动能，电势能、库仑定律及 能量守恒定律等知识，综合分 J.】.汤姆孙的原子模型 析和求解有关α粒子靠近原 J.J.汤姆孙的原子结构模型虽然能解释一些实验事实，但这 子核过程中的功、能的变化及 加速度、速度的变化等问题. 一模型很快就被新的实验事实所否定.不过它的意义却极其深 特别注意明确如下两，点： 远，电子的发现使我们认识到原子是有结构的，运用J.】.汤姆孙 1.a粒子散射实验的原理 的原子结构模型可以粗略解释原子发光等问题，为我们揭开了研 是4粒子和核之间存在库仑 究原子结构的序幕。 斥力，a粒子并未与核直接发 2.a粒子散射实验 生碰撞，所以偏转是库仑斥力 1909一1911年卢瑟福和他的助手在做a粒子轰击金箔的实 导致的。 验时，获得了重要的发现， 2.库仑斥力对a粒子做 (1)实验装置（如图所示）由放射源、金箔、荧光屏、显微镜等 功，使α粒子和核具有的电势能 组成。 及α粒子的动能发生改变，总能 金箔F 量守恒.由此可分析发生偏转的 放射源R 荧光屏S最微镜M α粒子的能量变化情况 a粒了 (2)实验过程 ①放射源放出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束 射线，射到荧光屏上产生闪光，可通过显微镜观察到。 ②放上金箔，观察α粒子穿过金箔打到荧光屏上发出的闪光 ③转动显微镜和荧光屏，在不同角度观察，可以看到α粒子 的散射现象 (3)实验现象与结果 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 是有少数α粒子发生了较大角度的偏转.极少数α粒子偏转角超 过90°，有的几乎达到180°，沿原路返回. 98 第四章原子结构和波粒二象性么 3.卢瑟福的核式结构模型 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：在原子中心有一个体积很小的核，叫原子核，原子的全部正电 荷和几乎全部的质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕 核旋转。 按照卢瑟福的核式结构模型学说，可以很容易地解释α粒子 的散射实验现象，如图所示.由于原子核很小，大部分α粒子穿过 金箔时都离核很远，受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响： 只有极少数α粒子从原子核附近飞过，明显地受到原子核的库仑 斥力作用而发生大角度的偏转 到a粒了 ⊙原子核 知识点3原子核的电荷与尺度 D划重点 1.原子核的电荷 对原子的分析 (1)由不同元素对α粒子散射的实验数据可以确定不同元素 中子：不带电 原子核的电荷量Q,Q=Z,其中Z是原子序数，也是原子核的电 原 质子：带正电，电荷数 荷数 戴是核中的质 原子（呈 子数 (2)核电荷数=质子数=元素的原子序数=核外电子数， 电中性) 核外电子：带负电：电子 2.原子核的尺度 数与质子数相同 通常用核半径描述核的大小.原子核的半径是很难测量的， 大小：原子直径的致量级 般通过其他粒子与核的相互作用来确定，α粒子散射可以用来 为10-10m. 估算核半径.对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为 原子核直径的数量级为 105m,而整个原子半径的数量级是10-0m,所以原子核半径只 105m,原子内部十分“空旷” 相当于原子半径的十万分之一，可见原子内部是非常“空旷”的. 重难拓展 重难点】用实验测出阴极射线比荷的方法 1.如图所示，质量为m、电荷量为g的带电粒子以速率垂 直进入电场中，如果粒子仅受电场力作用，将做类平抛运动，只要 确定了粒子运动的速率、偏转角日与电场强度E、极板的长度L, 就可以测出比荷. 99 国避白手细高中物理选择性必修第三册) 设平行板C、D间的距离为d,板的水平长度为L.首先使阴 极射线仅受电场作用发生偏转，测出此时的电场强度E和偏转角 ,随后保持E不变，外加磁场使射线恢复水平不再偏转，测出此 时的磁感应强度B. 偏转角的正切值1am一兴，速率一昌则只-品ana 2.用洛伦兹力实验仪测出阴极射线的比荷 如图所示，质量为m、电荷量为g的带电粒子以速率w垂直 进入洛伦兹力实验仪中，如果粒子仅受磁场力作用，将做匀速圆 周运动，只要确定了粒子运动的速率、半径与加速电压，就可以测 出比荷 电子在加遮电场中，g子m。配 洛伦兹力提供向心力：gB=mt ,则9、2U m B22 例①(2025·湖北武汉二中高二月考)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，极板右端 到荧光屏的距离为L (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。 解析](1)电子在正交的匀强电场和匀强磁场中做匀速直线 100 第四章 原子结构和波粒二象性么 运动，有B=-名，得。一品即打到荧光屏0点的电子连 的大小为品 ②由题意得d-·品白)+出·，R入品 mb 解得= 2Ud m B2bL(L+2L2)' 02关键能动提升。 题型1对阴极射线的认识 的运动轨迹.下列说法正确的是( 例①(2025·湖北荆州中学高二月考) (多选)如图所示，一只阴极射线管左侧不断有 粒子 电子射出，若在管的正下方放一通电直导线 ⊙惊子核 AB时，发现射线的轨迹往下偏，则(). 阴椴 阳极 A.卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子 A B B.a粒子出现较大角度偏转的原因是α粒 A.导线中的电流由A流向B 子接近原子核时受到的库仑斥力较大 B.阴极射线管处磁场方向垂直于纸面向里 C.α粒子出现较大角度偏转的过程中电势 C.若要使电子束的轨迹往上偏，可以通过 能先变小后变大 改变AB中的电流方向来实现 D.α粒子出现较大角度偏转的过程中加速 D.电子束的轨迹与AB中的电流方向无关 度先变大后变小 解析阴极射线是高速电子流，由左手定 解析汤姆孙通过对阴极射线的探究发现 则判断可知，磁场垂直于纸面向里，由安培定 了电子，A错误：α粒子出现较大角度偏转的原 则可知，导线AB中的电流由B流向A,且改 变AB中的电流方向时可以使电子束的轨迹往 因是《粒子接近原子核时受到较大的库仑斥 上偏，故选项B、C正确. 力，B正确：α粒子在运动过程中一直受到斥 [答案BC 力，靠近原子核过程中库仑力做负功，电势能 题型2。粒子散射实验 增大，远离原子核过程中库仑力做正功，电势 例☑(2025·湖南岳阳一中高二检测) 能减小，C错误：靠近原子核过程中库仑力增 (多选)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原 大，加速度增大，远离原子核过程中库仑力减 子的核式结构模型.如图所示为原子核式结构 小，加速度减小，D正确. 模型的α粒子散射图景，图中实线表示α粒子 答案BD 101