第4章 第3节 原子的核式结构模型（Word教参）-【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本讲义聚焦“原子的核式结构模型”核心知识点，系统梳理电子发现（阴极射线研究、汤姆孙比荷测定、密立根油滴实验）、α粒子散射实验（装置、现象及意义）、卢瑟福核式结构模型（内容、原子核电荷与尺度）的脉络，通过实验现象分析与模型对比搭建学习支架。 该资料突出科学探究与科学思维，如结合α粒子散射实验现象引导基于证据推理，通过汤姆孙枣糕模型与核式模型对比培养模型建构能力。含实验装置示意图、判断正误及计算题，课中辅助教师引导探究，课后助力学生巩固知识、查漏补缺。

第3节　原子的核式结构模型 　 1．知道阴极射线的概念，了解电子的发现过程，知道电子是原子的组成部分。　2.知道电子的电荷量及其他电荷与电子电荷量的关系。　3.了解α粒子散射实验的实验器材、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。 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，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光，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)换用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同，这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。阴极射线粒子的比荷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，进一步证实了电子的存在。 4．电子的电荷量及电荷量子化 (1)电子电荷量：由密立根通过著名的油滴实验得出，电子电荷的值约为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。 二、原子的核式结构模型 1．J.J.汤姆孙原子模型 J．J.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，电子镶嵌其中。有人形象地把他的这个模型称为“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、显微镜和荧光屏。 (2)实验现象： ①绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进。 ②少数α粒子发生了大角度的偏转。 ③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。 3．核式结构模型 1911年，卢瑟福提出了自己的原子结构模型。原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。正电体的尺度是很小的，称为原子核。 三、原子核的电荷与尺度 1．原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于核中的质子数。 2．原子半径数量级为10-10m，原子核半径数量级为10-15m。 判断下列说法是否正确。 (1)阴极射线实际上是高速运动的电子流。(　　) (2)电子的电荷量是汤姆孙首先精确测定的。(　　) (3)α粒子散射实验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹。(　　) (4)卢瑟福否定了汤姆孙的原子模型，建立了原子核式结构模型。　(　　) (5)原子的质量几乎全部集中在原子核上。(　　) (6)原子中所有正电荷都集中在原子核内。(　　) 答案：(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√　(6)√ 知识点一　电子的发现及比荷的测定 　 汤姆孙的气体放电管如图所示。 (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？ [提示]　(1)阴极射线向下偏转，与电场线方向相反，说明阴极射线带负电。 (2)由左手定则可得，在金属板D1、D2之间单独加垂直于纸面向外的磁场，可以让阴极射线向上偏转。 1．阴极射线的电性 (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位置的变化和电场的情况确定带电的性质。 (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。 2．比荷的测定：根据电场、磁场对电子的偏转测量比荷(或电荷量)，可按以下方法。 (1)让电子通过正交的电磁场，如图甲所示，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到电子的运动速度v＝。 　　 (2)在其他条件不变的情况下，撤去电场，如图乙所示，保留磁场让电子在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r，则由qvB＝m得＝＝。 　如图所示的是汤姆孙做阴极射线实验时用到的气体放电管，在K、A之间加高电压，便有阴极射线射出；C、D间不加电压时，荧光屏上O点出现亮点，当C、D之间加如图所示的电压时，光屏上P 点出现亮点。 (1)要使K 、A 之间有阴极射线射出，则 K 应接高压电源____________(选填“正极”或“负极”)；要使荧光屏上P 处的亮点再回到O点，可以在C、D间加垂直于纸面____________(选填“向里”或“向外”)的匀强磁场。 (2)汤姆孙换用不同材料的阴极做实验，发现不同阴极发出的射线的比荷是____________(选填“相同”或“不同”)的。 [解析]　(1)要使K 、A 之间有阴极射线射出，则 K 应接高压电源负极；要使光屏上P 处的亮点再回到O点，则洛伦兹力向上，根据左手定则可知，可以在C、D间加垂直于纸面向外的匀强磁场。 (2)汤姆孙换用不同材料的阴极做实验，发现不同阴极发出的射线的比荷是相同的。 [答案]　(1)负极　向外　(2)相同 　(2025·福建莆田市期末)美国物理学家密立根利用如图所示的实验装置，最先测出了电子的电荷量，被称为密立根油滴实验。如图，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由于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．油滴质量m　　　 B．两板间的电压U C．两板间的距离d D．两板的长度L (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，下列做法可以达到目的的有______。 A．保持两极板电压不变，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，电场力与重力平衡，则有mg＝qE＝q，所以要测出该油滴的电荷量，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。 (2)对油滴由平衡条件得mg＝qE＝q，则油滴的电荷量q＝。 (3)若要使原本静止的油滴落到下极板，必有mg>q＝qE，保持两极板电压不变，把下极板向下移，d增大，q减小，可以实现，故A正确；断开电源，根据C＝及C＝，而U＝Ed，联立解得E＝，故把下极板向右移，S减小，E增大，qE增大，油滴会向上极板运动，故B错误；断开电源，把下极板向下移，根据E＝知E不变，qE不变，油滴保持静止，故C错误；断开电源，把下极板向上移，同理可知，E不变，qE不变，油滴保持静止，故D错误。 [答案]　(1)ABC　(2)　(3)A 知识点二　原子核式结构模型 　 图为卢瑟福所做的α粒子散射实验装置的示意图。 试探究：(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，相同时间内哪个位置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)相同时间内在A处观察到屏上的闪光次数最多。 1．α粒子散射实验 (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)实验装置 ①放射源：放出α粒子(He)。 ②金箔：靶子。 ③显微镜、荧光屏(可转动)：观察工具。 (3)实验现象 ①绝大多数α粒子运动方向不会明显变化(因为电子的质量相对于α粒子很小)； ②少数α粒子发生大角度偏转； ③如果α粒子几乎正对着原子核射来，偏转角就几乎达到180°，这种机会极少。 (4)实验解释 ①少数α粒子靠近原子核时，受到的库仑斥力大； ②大多数α粒子离原子核较远，受到的库仑斥力较小。 (5)实验结论 卢瑟福分析了实验数据后认为，事实应该是：占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围。这样才会使α粒子在经过时受到很强的斥力，使其发生大角度的偏转。卢瑟福提出了自己的原子模型：原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核内，原子中绝大部分是空的。 2．原子的核式结构 (1)原子的两种模型 核式结构 枣糕模型 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球体 电子绕核高速旋转 电子均匀嵌在原子球体内 (2)原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相等，等于它们的原子序数。 (3)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。 (4)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10万倍之多。 角度1　α粒子散射实验现象 　如图所示是α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，利用观测装置观测发现，绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子偏转的角度大于90°。下列说法正确的是(　　) A．α粒子是从放射性物质中发射出来的快速运动的质子流 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．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 D．α粒子发生大角度偏转是带正电的原子核对α粒子的库仑力引起的 [解析]　α粒子是从放射性物质中发射出来的氦核，A错误；若原子中的正电荷弥漫性地均匀分布在原子内，α粒子穿过原子时受到的各方向正电荷的斥力基本上会平衡，对α粒子运动的影响不会很大，不会出现大角度偏转的实验结果，B错误；由于电子的质量极小，其对α粒子速度的影响可以忽略，C错误；原子核带正电，体积很小，但几乎集中了原子的全部质量，电子在核外运动，当α粒子进入原子区域后，大部分离原子核很远，受到的库仑力很小，运动方向几乎不变，只有极少数α粒子离原子核很近，因此受到很强的库仑力，发生大角度偏转，D正确。 [答案]　D 角度2　原子的核式结构 　(多选)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内 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10-15 m [解析]　原子的质量几乎全部集中在原子核内，A错误，B正确；原子的正电荷全部集中在一个很小的核内，负电荷绕原子核做圆周运动，C错误；原子核半径的数量级是10-15 m，D正确。 [答案]　BD 　如图所示，在α粒子散射实验中，图中实线表示α粒子的运动轨迹，假定金原子核位置固定，a、b、c为某条轨迹上的三个点，其中a、c两点距金原子核的距离相等，则下列说法正确的是(　　) A．卢瑟福根据α粒子散射实验提出了核式结构模型 B．大多数α粒子几乎沿原方向返回 C．从a经过b运动到c的过程中，α粒子的电势能一直增大 D．α粒子经过a、b两点时动能相等 [解析]　卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，故A正确；根据α粒子散射现象可知，大多数α粒子击中金箔后几乎沿原方向前进，故B错误；α粒子受到静电力作用，根据静电力做功特点可知α粒子从a经过b运动到c的过程中静电力先做负功后做正功，所以α粒子的电势能先增大后减小，故C错误；由于α粒子从a运动到b的过程中静电力做负功，则动能减小，故D错误。 [答案]　A 1．(阴极射线)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，则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：选C。由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线向右传播，说明电子的运动方向向右，相当于存在向左的电流，利用左手定则，当磁场方向垂直于纸面向外时，得出电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，满足题意，故C正确。 2．(电子的发现及比荷的测定)(多选)英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现(　　) A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧 B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同 C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同 D．汤姆孙并未得出阴极射线粒子的电荷量 解析：选AD。阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧，A正确；由于电子带负电，所以其受力情况与正电荷不同，B错误；不同材料所产生的阴极射线都是电子流，所以它们的比荷是相同的，C错误；在汤姆孙实验证实阴极射线就是带负电的电子流时并未得出电子的电荷量，最早测量电子电荷量的是美国科学家密立根，D正确。 3．(α粒子的散射实验)如图所示的是卢瑟福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反弹 解析：选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，A正确；因大多数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，B错误；因只有少数的粒子发生大角度偏转，则在题图中的B位置进行观察，屏上可观察到少数闪光，C错误；α粒子发生散射的主要原因是α粒子受到金原子核的斥力作用，D错误。 4．(原子的核式结构)关于原子结构，下列说法正确的是(　　) A．原子中的原子核很小，核外很“空旷” B．原子核半径的数量级是10-10 m C．原子的全部电荷都集中在原子核里 D．原子的全部质量都集中在原子核里 解析：选A。原子中的原子核很小，核外很“空旷”，A正确；原子核半径的数量级是10-15 m，原子半径的数量级是10-10 m，B错误；原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核，核外电子带负电且具有一定质量，C、D错误。 5．(电子比荷的测定)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为Y0，求电子的比荷。 解析：由于电子进入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： 学科网（北京）股份有限公司 $