第4章 3 原子的核式结构模型-【成才之路·学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步新课程学习指导(人教版)

则用频*为2的人射光照射时，一定不能发生光电效应，故 选项B错误：根据爱因斯坦光电效应方程得E,=v-W。,又 E=U,得U=如-，结合题图乙可得斜率上= e e e U。-U,可知选项C正确；由C项分析得=h-, V2-V1 cUa=,-W,联立解得W=e(Ue-U）,故选项D V2-V1 错误。 例3：ABD由题图乙中图线①③可知在光的颜色不变的情况 下，入射光越强，饱和电流越大，A正确；根据光电效应方程知 E=hw-W。=eU。,可知人射光频率越大，最大初动能越大，遏 止电压越大，所以对于确定的金属，遏止电压与入射光的频率 有关，B正确；当电压增大到一定值时，电流达到饱和电流，不 再增大，C错误；根据E,=eU。可知，遏止电压越大，从该金属 中逸出来的光电子的最大初动能越大，D正确。 探究点2康普顿效应和光子的动量 1大于2动量冬 例4：BCD散射的光子波长大了，则光子的频率小了，说明该光 子的能量减小了，故A错误，B正确：根据能量守恒定律可知， 碰撞后电子动能增大，光子能量一定减小，故C正确：根据动 量守恒定律可知，电子动量发生了改变，说明光子的动量也发 生了改变，则光子一定有动量，故D正确。 探究点3光的波粒二象性 要点归纳 1.光电康普顿粒子性3.波粒 判断正误 (1)V(2)×(3)V 例5：C光子说的确立，没有完全否定波动说，而是使人们对光 的本质认识更完善，光既有波动性，又有粒子性，光具有波粒 二象性，故A错误；光与宏观概念中的波、微观概念中的粒子 均不相同，故B错误；波动说和粒子说都有其正确性，但又都 是不完善的，都有其不能解释的实验现象，故C正确；光电效 应和康普顿效应都说明光具有粒子性，故D错误。 素养能力提升 例：D由于每个光子的动量为刀=个，根据动量定理可知每个 光子对太阳帆的冲量大小为1=p-p=冬-(-冬）=光 故选D。 3.原子的核式结构模型 探究点1电子的发现 要点归纳 1.阴极2.偏转负电3.1.6×10-9C4.e 5.负电1.6×109C氢离子9.1×101kg —21 判断正误 (1)×(2)V(3)× 1:(1)台(2元n0 解析：(1)电子以速度v进入复合场，当电 —D L 子在静电力和洛伦兹力共同作用下做匀 速直线运动时，电子将打在P,点，则由电 L 子受力平衡有eE=eB D2 解得匀强磁场的磁感应强度B=E (2)撤去电场后，电子仅在磁场中偏转， 则由洛伦兹力提供向心力有mB=m 由几何关系知L=rsin0 可得片-元如6 探究点2原子的核式结构模型 要点归纳 1.球体正电荷均匀分布镶嵌枣糕 2.(1)a粒子源金箔真空 (2)绝大多数原来少数大角度大于90°撞了回来 (3)核式结构 3.质量运动 判断正误 (1)V(2)×(3)×(4)×(5)V/ 例2：D整个装置一定要放在抽成真空的容器中，若不放在真空 中进行，α粒子会使空气发生电离，故A错误：α粒子散射实 验的结果表明，绝大多数α粒子穿过金箔后，散射角很小（平 均为2°~3)，几乎沿原方向前进，少数粒子的散射角较 大，极少数a粒子的散射角超过90°，个别α粒子甚至被反弹 回来，故B错误；α粒子散射实验中观察到的个别粒子被反 弹回来，就像“一颗炮弹射向一张薄纸会反弹回来”，这种现 象可用“原子的核式结构模型”来解释，故C错误；原子的核 式结构模型有些类似太阳系，原子核犹如太阳，电子犹如行 星，所以也被称为原子的“行星模型”，故D正确。 探究点3原子核的电荷与尺度 1.电子数原子序数电子数 2.质子中子质子数 3.核半径10-5101o 判断正误 (1)×(2)V(3)V 例3：A原子由原子核和核外电子组成，A正确：原子核的质量 与电子的质量和是原子的质量，B错误：原子直径的数量级是 10-1om,原子核是原子内很小的核，直径数量级为10-5m,C 错误：中性原子的电子电荷量之和与原子核所带正电荷之和 相等，D错误。 素养能力提升 例4：BM点离原子核更近，根据F=k9可知，在M点受库仑 斥力更大，加速度更大，故A错误；离原子核越近，电势越高， 根据E。=pq可知，a粒子在M点的电势能比在N点的大，只 有电场力做功，在各点处的动能与电势能的和保持不变，则在 M点的动能比在N点的小，即在M点的速度比在N点的小， 故B正确，C错误；a粒子从M点运动到N点，速度增大，根据 动能定理可知，电场力对它做的总功为正功，故D错误。 4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 探究点1光谱 1.棱镜波长强度分布2.(1)亮3.(1)特征 判断正误 (1)×(2)V(3)×(4)V 例1：BC每种原子都有自己的结构，只能发出由内部结构决定 的自己的特征谱线，不会因温度、所处物质不同而改变，故A 错误，B、C正确；两种不同的原子发光的线状谱不可能相同， 故D错误。 探究点2氢原子光谱的实际规律 1.(2)连续同色等距 2(安) 3.红外紫外 判断正误 (1)×(2)×(3)V 例2：ACD此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区的四 条谱线时得到的，故A正确：公式中n只能取大于或等于3的 整数，入不能连续取值，故氢原子光谱是线状谱，故B错误，C 正确；根据公式可知，n值越大，对应的波长入越短，故D 正确。 探究点3经典理论的困难玻尔原子理论的基本 假设 1.稳定性分立 2.(1)量子化稳定电磁辐射 (2)能量稳定量子化低 (3)放出E,-E吸收吸收 判断正误 (1)×(2)V(3)×(4)V(5)× 例3：BC根据经典电磁理论，电子在绕核运动的过程中，要向 外辐射电磁波，因此能量要减少，电子的轨道半径要减小，最 终会落到原子核上，因而原子是不稳定的。电子在转动过程 中，随着转动半径不断减小，转动频率不断增大，辐射电磁波 的频率不断变化，因而大量原子发光的光谱应该是连续谱。 事实上，原子是稳定的，原子光谱也不是连续谱，而是线状谱， 故选项A错误，B、C正确：经典电磁理论可以很好地应用于宏 观物体，但不能用于解释原子世界的现象，原子的核式结构模 型并没有彻底否定经典电磁理论，故选项D错误， 例4：ABCA、B、C三项都是玻尔提出来的假设。其核心是原子 定态概念的引人与能级跃迁学说的提出，也就是“量子化”的 概念。原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道 一21 相对应，是经典理论与量子化概念的结合。电子跃迁时辐射 的光子的频率与能级间的能量差有关，与电子绕核做圆周运 动的频率无关，D项错误。 跟踪训练1：CD由玻尔理论的跃迁假设知，原子处于激发态不 稳定，可自发地向低能级跃迁，以光子的形式放出能量，光子 的吸收是光子发射的逆过程，原子在吸收光子后，会从较低能 级向较高能级跃迁，但不管是吸收光子还是发射光子，光子的 能量总等于两能级之差，即hw=En-Em(m<n),故C、D 正确。 探究点4玻尔理论对氢光谱的解释氢原子能级 跃迁 要点归纳 2.(1)定态轨道(2)激发态不稳定光子 (3)前后两个能级之差分立分立(4)能级光子频率 判断正误 (1)V(2)×(3)× 例5：D因为E2-E,=10.2eV>10eV,10eV的能量小于基态 与任一激发态的能级差，A、B错误：因为E-E,=13.6eV, 用13.6eV的光子照射处于基态的氢原子能使之电离，C错 误；一个处于n=4能级的氢原子，在向低能级跃迁时最多可 辐射出3种频率的光子分别是4到3、3到2、2到1时发出的 光子，D正确 跟踪训练2：BD氢原子n=3与n=2的能级差小于n=4与n =2的能级差，则H。与H。相比，H。的波长大、频率小，故A 错误，B正确；H。对应的光子能量为E=(-0.85)eV- (-3.40)eV=2.55eV,故C错误：氢原子从基态跃迁到激发 态需要的最小能量为E=(-3.40)eV-(-13.60)eV= 10.2eV,Hg对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态， 故D正确。故选BD。 例6：B大量处于n=3能级的氢原子能级跃迁可以产生3种能 量的光子，能量从高到低分别是12.09eV、10.2eV、1.89eV 能量最低的光子刚好不能使该金属材料逸出光电子，说明该 金属材料的逸出功为W。=1.89V,所以能量最高的光子照 射该金属逸出的光电子最大初动能E,=W-W。=12.09eV- 1.89eV=10.2eV,故B正确。 探究点5玻尔理论的局限性 1.量子观念定态和跃迁氢原子 2.经典粒子轨道 3.概率云雾电子云 判断正误 (1)×(2)V(3)V 例7：B玻尔的原子模型与原子的核式结构模型本质上是不同 的，故A错误；玻尔第一次将量子观念引人原子领域，提出了 定态和能级之间跃迁的概念，所以成功地解释了氢原子光谱 的实验规律，但是由于过多保留了经典物理学中的观念，仍然 摆脱不了核式结构模型的局限性，故B正确，C、D错误。 3094 素养能力提升 拓展整合·启智培优 光子的动量与力学知识的综合应用 例6：(2025·江苏省扬州高二月考)太阳帆飞行器是利用太阳光获得动力的一种航天器，其原理是 光子在太阳帆表面反射的过程中会对太阳帆产生一个冲量。若光子垂直太阳帆入射并反射， 其波长为入，普朗克常量为h,光速为c,则每个光子对太阳帆的冲量大小为 c D.2h 入 夯基提能作业 请同学们认真完成练案[19] 3.原子的核式结构模型 ●目标重点展示 素养目标 学习重点 (1)知道阴极射线的组成，体会电子发现过程中所蕴含 的科学方法。 物理观念 (2)了解α粒子散射实验现象以及卢瑟福原子核式结构 模型的主要内容。 (3)了解原子核的电荷与尺度。 (1)粒子散射实验。 (2)核式结构模型。 科学探究 能用卢瑟福核式结构模型解释α粒子散射实验 科学态度 领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义及蕴含的科 与责任 学方法。 探究点1电子的发现 ●新知导学 情境：如图为J.J.汤姆孙的气体放电管示意图。 095 探究：(1)K、A、B部分起什么作用？ [提示] (2)在金属板D,、D2之间加上如图所示的电场时，发现阴极射线向下偏 (1)K、A、B部分产 生阴极射线。 转，说明它带什么性质的电荷？ (2)阴极射线向下偏 (3)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 转，与电场线方向相 偏转？ >[提示] 反，说明阴极射线带 负电。 ●要点归纳 (3)由左手定则可 得，在金属板D、D 1.阴极射线： 发出的一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发 之间单独加垂直纸面 出荧光。 向外的磁场，可以让 2.汤姆孙的探究 阴极射线向上偏转。 [拓展] 根据阴极射线在电场和磁场中的 情况断定，阴极射线的本质是 电子电荷量的精准测 带 (填“正电”或“负电”)的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。组 定一密立根油滴 实验 成阴极射线的粒子被称为电子。 (1)如图所示，两块 3.密立根实验：电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验” 平行放置的金属板与 做出的。目前公认的电子电荷e的值为e= 电源相连，上板带正 电，下板带负电，从 4.电荷的量子化：任何带电体的电荷只能是 的整数倍。 喷雾器喷出的小油滴 。[拓展] 经上面金属板中间的 小孔，落入两板之间 5.电子的有关常量 的匀强电场E中。 喷雾器， 电 →电性： 百 → 电荷量：e= 与 带电荷量相同 显微镜 阴板射线成分 组成 质量：m。三 电 VE Y 质于质量与电子质量比值：院=1836 (2)小油滴由于摩擦 而带负电，调节两板 6.电子发现的意义 间电压，可以使小油 滴在两板间静止或做 (1)打破原子不可再分的传统观念：在发现电子以前，人们认为物质由分 匀速直线运动，忽略 子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒。 空气阻力，理想状态 (2)证明原子本身也有结构：人们发现了各种物质里都有电子，电子是原 下，认为小油滴所受 电场力和重力平衡， 子的组成部分。 (3)电子带负电，而原子是电中性的，说明原子是可再分的。 即g=5=名.则 小油滴的电荷量为9= [判断正误] (1)英国物理学家J.J.汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射。 E (2)组成阴极射线的粒子是电子。 ( (3)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值。 ( ) P[总结] 096 例1：J.J.汤姆孙测定电子比荷（电子的电荷量与质量之比）的实验装置如图[总结] 所示。真空玻璃管内，阴极K发出的电子经加速后，穿过小孔A、C,沿 电子的发现历程 中心轴线OP1以速度v进入两块水平正对放置的极板D1、D2间，射出后 真空玻璃管两 极加上高电压 到达右端的荧光屏上形成光点。若极板D1、D2间无电压，电子将打在荧 玻璃管壁上 光屏上的中心P,点。现在极板间加上竖直方向、电场强度大小为E的 发出荧光 匀强电场后，电子向上偏转；再在极板间施加一个方向垂直于纸面的匀 物理学家戈德斯坦将 强磁场（图中未画出），电子在荧光屏上产生的光点又回到了P,点；接 阴极发出的射线命名 着去掉电场，电子向下偏转，射出极板时偏转角为0。已知极板的长度 为阴极射线 为L,忽略电子的重力及电子间的相互作用。求： 猜想：(/)阴极射线 是一种电磁辐射： (2)阴极射线是带 电微粒。 英国物理学家J小.汤 姆孙让阴极射线在电 场和磁场中偏转 (1)匀强磁场的磁感应强度大小； (2)电子的比荷。 发现阴 密立根测 >[规律方法] 极射线 出了粒子 带负电 的比荷 发现电子 [规律方法]带电粒 子的比荷常见的三 种测量方法 1.利用磁偏转测比 待：由8=m发得 mR,只需知道磁 感应强度B、带电粒 子的速度)和偏转半 径R即可。 2.利用电偏转测比 荷：偏移量y= 探究点2原子的核式结构模型 ●新知导学 故4=2dw2 情境：1909年英国物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行α粒 、mU,所以在 偏转电场电压U、板 子散射实验。 间距d、板长L已知 (1)实验装置：a粒子源R、金箔F、显微镜M和荧光屏S,如图所示。 时，只需测量v和y 金箔 即可。 放射湖 镜M 3.利用加速电场测比 荷：由动能定理qU= 2mm2得4=2 1 m20,在 加速电场电压U已知 时，只需测出v即 [思考] 可。 097 (2)实验过程 [思考] ①α粒子源R是被铅块包围的，它发射的a粒子经过一条细通道，形成 为什么α粒子散射实 验中选金箔作为“靶 很细的一束射线，射到荧光屏上产生微弱的闪光，通过显微镜可以观察到。 子”2 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。 提示：(1)金原子核 电荷Q=79e,对c粒 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。 子有库仑力作用。 探究：(1)什么是粒子？ (2)金原子核比α粒 子质量大很多，α粒 (2)实验现象如何？ 子不会使金原子核发 生明显运动。 (3)少数粒子发生大角度散射的原因是什么？ [提示] (3)金的延展性好， 可制成很薄的金箔， ●要点归纳 能减小Q粒子与金原 1.汤姆孙原子模型：汤姆孙于1898年提出了原子模型， 子核发生二次碰撞的 机会。 他认为原子是一个 弥漫性地 在 [提示] 整个球体内，电子 其中，有人形象地把汤姆孙模型称 (1)a粒子(He)是从 放射性物质中发射出 为“西瓜模型”或“ 模型”，如图。 来的快速运动的粒 2.Q粒子散射实验 子，实质是失去两个 电子的氦原子核。 (1)a粒子散射实验装置由 、显微镜等几部分组成， 质量是电子质量的 实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于 中。 7300倍。 (2)粒子散射实验 (2)实验现象 的实验现象：绝大多 ① 粒子穿过金箔后，基本上仍沿 的方向前进； 数α粒子穿过金箔 后，基本上仍沿原来 ② a粒子发生了 偏转，极少数偏转的角度甚至 的方向前进，但有少 数粒子发生了大角 它们几乎被“ ”。 P[拓展] 度偏转，极少数偏转 (3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实现，否定了汤姆孙的原子模型， 的角度甚至大 于90°。 建立了 模型。 (3)a粒子带正电，a 3.核式结构模型：1911年由卢瑟福提出，原子中带正电部分的体积很小， 粒子受原子中带正电 部分的排斥力发生了 但几乎占有全部 ,电子在正电体的外面 大角度散射。 4.核式结构模型对α粒子散射实验现象的解释 [拓展] 大角度偏转的实验现 (1)当粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，粒 象分析 ①由于电子质量远小 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 于Q粒子质量，所以 小，所以绝大多数粒子不发生偏转。 电子不可能使α粒子 发生大角度偏转。 (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，偏 @使《粒子发生大角 转角才很大，而这种机会很少。 度偏转的只能是原子 中带正电的部分。 (3)如果粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会 按照JJ.汤姆孙原子 极少。 模型，正电荷在原子 内是均匀分布的，α [判断正误] 粒子穿过原子时，它 (1)J.J.汤姆孙的“枣糕模型”认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分 受到的两侧斥力大部 分被抵消，因而不可 布在整个球体内。 ( ）能使α粒子发生大角 (2)粒子就是氦原子。 ( 度偏转，更不能使Q 粒子反向弹回，这与 (3)粒子带有一个单位的正电荷，质量为氢原子质量的2倍。 Q粒子散射实验相矛 盾。 098 (4)α粒子散射实验证实了J.J.汤姆孙的“枣糕模型”。 )③实验现象表明原子 (5)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电部分的体积很小，电子在正电 绝大部分是空的，原 子的几乎全部质量和 体外面运动。 ( 所有正电荷都集中在 例2：(2025·陕西咸阳高二期末)如图甲所示为粒子散射实验装置的剖面 原子中心的一个很小 图，图中铅盒内的放射性元素钋(Po)所放出的粒子由铅盒上的小孔 的核上，否则，Q粒 射出，形成一束很细的粒子束打到金箔上。粒子束能穿过很薄的金箔 子大角度散射是不可 打到荧光屏上，并产生闪光，这些闪光可以通过显微镜观察。α粒子穿 能的。 [规律方法] 越金箔前后运动方向之间的夹角0称为散射角，如图乙所示，荧光屏和 (1)原子核很小，原 显微镜可一起绕金箔沿圆周转动，以便观察α粒子穿过金箔后散射角 子核外空间很大，因 的变化情况。下列说法正确的是 此Q粒子穿过原子的 过程中，靠近或与原 金箔 荧光屏 子核正碰的概奉很 钋(Po 显微镜 小，所以只有少数 显微镜 钋(Po 金箔 粒子发生较大角度的 接真空泵 偏转。 (2)分析α粒子散射 实验中的现象时，应 A.整个装置可以不放在抽成真空的容器中 注意是“绝大多数” “少数”还是“极少 B.粒子散射实验的结果表明，少数粒子穿过金箔后，散射角很小 数”粒子的行为，其 (平均为2°~3°)，几乎沿原方向前进 中“大角度偏转”只 C.粒子散射实验中观察到的个别α粒子被反弹回来，就像“一颗炮弹 是少数粒子的行为。 射向一张薄纸会反弹回来”，这种现象可用“枣糕模型”来解释 [拓展] 原子核大小的估计 D.原子的核式结构模型有些类似太阳系，原子核犹如太阳，电子犹如行 由a粒子散射实验的 星，可称为原子的“行星模型” 数据可估计出原子核 ●[规律方法] 的大小。当a粒子 与原子核发生弹性正 探究点3原子核的电荷与尺度 碰时，a粒子以接近 180的角度返回。假 1.原子核的电荷数：各种元素的原子核的电荷数，即原子内的 定原子核静止不动， 非常接近它们的 ,这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的 a粒子以一定的初动 能接近原子核，达到 来排列的。 原子核的最小距离 2.原子核的组成：原子核是由 和 组成的，原子核的电 时，初动能完全转变 荷数就是核中的 为在原子核电场中的 3.原子核的大小：用 电势能，然后在原子 描述核的大小。一般的原子核，实验确定 核的排斥作用下以接 的核半径的数量级为 m,而整个原子半径的数量级是 m,两 近180的角度返回。 者相差十万倍之多。 099 [判断正误] 假设α粒子的初速度 (1)核电荷数等于质子数，也等于中子数。 为，质量为M。, (2)原子半径的数量级为101om,原子核半径的数量级为1015m。 金属箔的原子序数为 (3)原子的核电荷数等于核外电子数。 Z,a粒子接近原子 核的最小距离为 P[拓展] 「min。根据初动能等 例3：下列对原子及原子核的认识，正确的是 ( 于核电场中的电势 A.原子由原子核和核外电子组成 能，即子M。 B.原子核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量 k2eZe,可得rm= C.原子核直径的数量级为10-om 4keZ D.中性原子核外电子带的负电荷之和小于原子核所带的正电荷 M。o。 素养能力提升拓展整合·启智培优 α粒子散射过程中的受力及能量转化情况 例4：(2025·潍坊高二检测)卢瑟福α粒子散射实验、w [规律方法] 中，金箔中的原子核可以看作静止不动的点电荷。 (1)Q粒子的受力 如图所示，某次实验中，高速运动的α粒子被 M 情况 0④ ①α粒子与原子核间 位于O点的金原子核散射，实线表示α粒子运动 的作用力是库仑斥 的轨迹，M和N为轨迹上的两点，N点比M点离核远，则() A&粒手在M点的加速度比在N汽的小电F=《g可知F,>F 力，F= 2 B.ax粒子在M点的速度比在N点的小 ②大小：《粒子离原 C.a粒子在M点的电势能比在N点的小 由a=无可知aw>aw 子核越近，库仑力越 D.α粒子从M点运动到N点，电场力对它做的总功为负功 大，运动加速度越 大；反之，则越小。 a粒子由M到N.由动能定理有：Uw9=mN2-mu其中Uw>0,所以w>u ③方向：0粒子的受 Q粒子由M到N,静电力做正功，电势能减小EpM>EpN 力沿原子核与粒子 的连线，由原子核指 P[规律方法] Q粒子。 (2)库仑力对α粒子 的做功情况 ①当Q粒子靠近原子 核时，库仑力做负 功，动能减少，电势 能增加。 @当α粒子远离原子 核时，库仑力做正 功，动能增加，电势 能减少。 (3)α粒子的能量转 化情况 仅有库仑力做功， 粒子的能量只在电势 能和动能之间相互转 化，而总能量保持 不变。 夯基提能作业 请同学们认真完成练案[20]