高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 原子的核式结构模型学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 原子的核式结构模型学案，共13页。
3　原子的核式结构模型
[学习目标]　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，知道电荷是量子化的.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.知道原子和原子核大小的数量级，知道原子核的电荷数．

一、电子的发现
1．阴极射线：阴极发出的一种射线．它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光．
2．汤姆孙的探究
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(填“正电”或“负电”)的粒子流，并求出了这种粒子的比荷．组成阴极射线的粒子被称为电子．
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”做出的．目前公认的电子电荷的值为e＝1.6×10－19_C(保留两位有效数字)．
4．电荷的量子化：任何带电体的电荷只能是e的整数倍．
5．电子的质量me＝9.1×10－31 kg(保留两位有效数字)，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．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，电子镶嵌其中，有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”，如图1.

图1
2．α粒子散射实验：
(1)α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、显微镜等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中．
(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粒子发生了大角度偏转；偏转的角度甚至大于90°，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：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．
三、原子核的电荷与尺度
1．原子核的电荷数：各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的．
2．原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数．
3．原子核的大小：用核半径描述核的大小．一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10－15 m，而整个原子半径的数量级是10－10 m，两者相差十万倍之多．

判断下列说法的正误．
(1)汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中的偏转证明了阴极射线带正电．(　×　)
(2)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值．(　×　)
(3)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面运动．(　√　)
(4)原子核的电荷数等于核中的中子数．(　×　)

一、电子的发现
导学探究
如图2所示为汤姆孙的气体放电管．

图2
(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？
答案　(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之间单独加垂直纸面向外的磁场，可以让阴极射线向上偏转．
知识深化
1．对阴极射线的认识
(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——汤姆孙，他认为这种射线是一种带电粒子流．
(2)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位置的变化和电场的情况确定阴极射线的带电性质．
②方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据荧光屏上亮点位置的变化和左手定则确定阴极射线的带电性质．
(3)实验结果
根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况，判断出阴极射线是粒子流，并且带负电．
2．带电粒子比荷的测定

图3
(1)让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场，如图3所示，使其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)，得到粒子的运动速度v＝.

图4
(2)撤去电场，如图4所示，保留磁场，让粒子在匀强磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝m，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r.
(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：＝.
3．电子发现的意义
(1)电子发现以前人们认为物质由分子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒．
(2)现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子是原子的组成部分．
(3)电子带负电，而原子是电中性的，说明原子是可再分的．
(2020·石嘴山市第三中学高二期中)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．汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的电荷量
答案　A
解析　阴极射线在电场中偏向正极板一侧，因此阴极射线应该带负电荷，A正确；阴极射线在磁场中受力情况跟负电荷受力情况相同，B错误；不同材料所产生的阴极射线的比荷相同，C错误；汤姆孙并没有直接测到阴极射线粒子的电荷量，D错误．
在再现汤姆孙测阴极射线比荷的实验中，采用了如图5所示的阴极射线管，从C出来的阴极射线经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、G平行板间，接着在荧光屏F中心出现光斑．若在D、G间加上方向向上、场强为E的匀强电场，阴极射线将向下偏转；如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画出)，光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场，阴极射线向上偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：

图5
(1)说明阴极射线的电性；
(2)说明图中磁场沿什么方向；
(3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷．
答案　(1)负电　(2)垂直纸面向外　(3)
解析　(1)由于阴极射线在电场中向下偏转，因此阴极射线受电场力方向向下，又由于匀强电场方向向上，则电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电．
(2)由于所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力，而与电场力平衡，由左手定则得磁场的方向垂直纸面向外．
(3)设此射线带电荷量为q，质量为m，当射线在D、G间做匀速直线运动时，有qE＝Bqv.当射线在D、G间的磁场中偏转时，如图所示，有Bqv＝，同时又有L＝r·sin θ，解得＝.





带电粒子的比荷常见的三种测量方法
1．利用磁偏转测比荷：由qvB＝m得＝，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＝at2＝·2，故＝，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qU＝mv2得＝，在加速电场U已知时，只需测出v即可．
二、原子的核式结构模型
导学探究
如图6所示为1909年英国物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：

图6
(1)什么是α粒子？
(2)实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？
(3)实验现象如何？
(4)少数α粒子发生大角度散射的原因是什么？
答案　(1)α粒子(He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核．质量是电子质量的7 300倍．
(2)①α粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子．
②带荧光屏的放大镜：观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光．
实验过程：α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子会改变原来的运动方向．带有显微镜的荧光屏可以沿题图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目．
(3)α粒子散射实验的实验现象：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粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°.
(4)α粒子带正电，α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射．


知识深化
1．实验现象的分析
(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．
(2)少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量比它本身大得多的物质的作用．汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射．
(3)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内．
2．卢瑟福的原子核式结构模型
在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转．
命题角度1　α粒子散射实验及其解释
(2020·临泽一中高二期中)如图7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．下列说法中正确的是(　　)

图7
A．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
B．在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光
C．卢瑟福选用不同重金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似
D．α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹
答案　C
解析　α粒子散射实验现象：绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子有大角度偏转，所以A处观察到的屏上的闪光次数多，B处观察到的屏上的闪光次数少，所以选项A、B错误．α粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，所以选项D错误，C正确．
命题角度2　原子的核式结构模型
(2021·安徽阜阳高二期中)根据卢瑟福的原子核式结构模型，下列说法正确的是(　　)
A．原子中的正电荷均匀分布在整个原子范围内
B．原子的质量均匀分布在整个原子范围内
C．原子中的正电荷和质量都均匀分布在整个原子范围内
D．原子中的正电荷和几乎全部质量都集中在很小的区域范围内
答案　D
解析　当α粒子穿过原子时，电子对α粒子的影响很小，影响α粒子运动的主要是原子核，离核远则α粒子受到的库仑斥力很小，运动方向改变小．只有当α粒子与核十分接近时，才会受到很大库仑斥力，而原子核很小，所以α粒子接近它的机会就很少，所以只有极少数α粒子发生大角度的偏转，而绝大多数α粒子基本按直线方向前进，因此为了解释α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里．故选D.
三、原子核的电荷与尺度
关于原子，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10－10 m
答案　B
解析　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的质量都集中在原子核上；电子绕原子核做高速旋转．原子核半径的数量级是10－15 m，故选B.

1．(对电子的认识)(2021·浙江杭州高二月考)下列关于电子的说法错误的是(　　)
A．发现电子是从研究阴极射线开始的
B．汤姆孙发现物质中发出的电子比荷是不同的
C．电子发现的意义是让人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有复杂的结构
D．电子是带负电的，可以在电场和磁场中偏转
答案　B
解析　汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，选项A正确；汤姆孙发现不同物质发出的阴极射线的粒子比荷相同，这种粒子即电子，选项B错误；汤姆孙发现电子，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有复杂的结构，选项C正确；电子是带负电的，可以在电场和磁场中偏转，选项D正确．
2．(α粒子散射实验及其解释)(2020·江苏省大桥高级中学高二期中)关于α粒子散射实验现象的分析，下列说法正确的有(　　)
A．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明正电荷在原子内均匀分布，α粒子受力平衡
B．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明这些α粒子未受到明显的力的作用，说明原子内大部分空间是空的
C．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内质量和电荷量比α粒子大得多的粒子在原子内分布空间很大
D．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内的电子对α粒子的吸引力很大
答案　B
3．(原子核及其尺度)根据卢瑟福的原子核式结构理论，下列对原子结构的认识中，不正确的是(　　)
A．原子中绝大部分是空的，原子核很小
B．电子在核外运动，库仑力提供向心力
C．原子的全部正电荷都集中在原子核里
D．原子核的直径大约为10－10 m
答案　D
解析　卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核半径的数量级为10－15 m，原子半径的数量级为10－10 m，原子半径是原子核半径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以A、B、C正确，D错误.


考点一　电子的发现
1．下列关于阴极射线的说法正确的是(　　)
A．阴极射线是高速的质子流
B．阴极射线可以用人眼直接观察到
C．阴极射线是高速运动的电子流
D．阴极射线是电磁波
答案　C
解析　阴极射线是高速运动的电子流，人们只有借助于它与物质相互撞击时，使一些物质发出荧光等现象才能观察到，故选项C正确，A、B、D错误．
2．(2021·山东淄博高二月考)下列说法中能说明电子是一切原子的组成部分的是(　　)
A．电子的质量小
B．电子带负电
C．从各种原子中得到的电子，其质量和电荷量都一样
D．电子的质量比氢原子的质量小
答案　C
解析　从各种原子中得到的电子，其质量和电荷量都是一样的，说明所有原子中都有电子，故选C.
3．(2021·吉林长春高二期中)关于电子的发现，下列叙述中正确的是(　　)
A．汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，从而揭示了原子核是可以再分的
B．电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的
C．电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷
D．电子电荷的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的
答案　D
解析　汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，从而揭示了原子是可以再分的，A错误；原子的核式结构是卢瑟福通过α粒子的散射实验才提出的，B错误；电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷，C错误；电子电荷的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的，D正确．
4．(2021·广东佛山高二期中)在密立根油滴实验中，调节两金属板间的电势差等于U0、两板距离为d时，某质量为m的油滴恰好做匀速直线运动，重力加速度为g，则该油滴所带电荷量为(　　)
A. B. C. D.
答案　A
解析　油滴做匀速直线运动过程中受到的电场力和重力平衡， 根据平衡条件，有：mg＝qE，又有E＝，联立可得：q＝，故A正确，B、C、D错误．
5．(2021·浙江嘉兴高二期中)密立根油滴实验原理如图1所示．两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相接，板间电压为U，形成竖直向下、场强为E的匀强电场．用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油滴．通过显微镜可找到悬浮不动的油滴，若此悬浮油滴的质量为m，重力加速度为g，则下列说法正确的是(　　)

图1
A．悬浮油滴带正电
B．悬浮油滴的电荷量为
C．增大场强，悬浮油滴将向上运动
D．油滴的电荷量不一定是电子电荷量的整数倍
答案　C
解析　油滴静止不动，则油滴受到向上的电场力；题图中平行板电容器上极板带正电，下极板带负电，故板间场强方向竖直向下，则油滴带负电，故A错误；根据平衡条件，有mg＝q，故q＝，B错误；根据平衡条件，有mg＝qE，当增大场强，电场力增大，则悬浮油滴将向上运动，故C正确；不同油滴所带的电荷量虽不相同，但都是电子电荷量的整数倍，故D错误．
考点二　原子的核式结构模型
6．(2020·上海交大附中高二期中)如图2所示为α粒子散射实验装置，α粒子打到荧光屏上都会引起闪烁，若将带有荧光屏的显微镜分别放在图中A、B、C、D四处位置．则这四处位置在相等时间内统计的闪烁次数可能符合事实的是(　　)

图2
A．1 305、25、7、1
B．202、405、625、825
C．1 202、1 010、723、203
D．1 202、1 305、723、203
答案　A
解析　由于绝大多数α粒子运动方向基本不变，所以A位置闪烁次数最多，少数α粒子发生了偏转，极少数α粒子发生了大角度偏转．符合该规律的数据只有A选项，A正确．
7．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3所示．下列说法中正确的是(　　)

图3
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
答案　B
解析　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．
8．(2021·南京师大苏州实验学校高二月考)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型．如图4所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景，图中实线表示α粒子的运动轨迹．则关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　)

图4
A．图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大
B．图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞
C．绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小
D．根据α粒子散射实验可以估算原子大小
答案　C
解析　题图中大角度偏转的α粒子所受的电场力先做负功后做正功，则其电势能先增大后减小，故A错误；题图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核之间的库仑斥力作用，并没有发生碰撞，故B错误；从绝大多数α粒子沿原方向继续前进，可以推测使α粒子受到排斥力的核的体积极小，所以带正电的原子核只占整个原子的很小空间，故C正确；依据α粒子散射实验可以估算原子核的大小，故D错误．
9．(2021·湖北黄冈高二月考)在α粒子散射实验中，当在α粒子最接近金原子核时，关于描述α粒子的有关物理量情况正确的是(　　)
A．动能最大
B．势能最小
C．势能最大
D．α粒子与金原子核组成的系统能量最小
答案　C
解析　α粒子和金原子核都带正电，库仑力表现为斥力，两者距离减小时，库仑力做负功，故α粒子动能减小，电势能增加．系统的能量守恒．故选C.
10．在卢瑟福的α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图5所示．图中P、Q为轨迹上的点，虚线是经过P、Q两点并与轨迹相切的直线，两虚线和轨迹将平面分为四个区域．不考虑其他原子核对α粒子的作用，则关于该原子核的位置，正确的是(　　)

图5
A．一定在①区域
B．可能在②区域
C．可能在③区域
D．一定在④区域
答案　A
解析　曲线运动中合外力的方向应指向曲线的凹侧，可见原子核的区域应该在①区域，选项A正确．

11．(2021·山西大同高二期中)美国物理学家密立根(R.A.Millikan)于20世纪初进行了多次实验，比较准确的测定了电子的电荷量，其实验原理可以简化为如下模型：如图6所示，两个相距为d的平行金属板A、B水平放置，两板接有可调电源．从A板上的小孔进入两板间的油滴因摩擦而带有一定的电荷量，将两板间的电势差调节到U时，带电油滴恰好悬浮在两板间；然后撤去电场，油滴开始下落，由于空气阻力，下落的油滴很快达到匀速下落状态，通过显微镜观测这个速度的大小为v，已知这个速度与油滴的质量成正比，比例系数为k，重力加速度为g.则计算油滴带电荷量q的表达式为(　　)

图6
A．q＝ B．q＝
C．q＝ D．q＝
答案　B
解析　油滴在电场中平衡时，由平衡条件得：mg＝，由题给已知信息油滴匀速下落的过程中：v＝km，联立得：q＝，故B正确．
12．为了测定带电粒子的比荷，让带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间，已知匀强电场的场强为E，在通过长为L的两金属板后，测得偏离入射方向的距离为d.如果在两板间加垂直电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直粒子的入射方向，磁感应强度为B，则粒子恰好不偏离原来方向，求.
答案　
解析　加速度a＝，仅加电场时有d＝·()2，加复合场时有Bqv0＝Eq，联立解得＝.