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高中3 原子的核式结构模型教案配套ppt课件
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这是一份高中3 原子的核式结构模型教案配套ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了必备知识·素养奠基，不同材料，电子电荷，量子化，正电荷，均匀分布，绝大多数，大角度，大于90°，撞了回来等内容，欢迎下载使用。
一、电子的发现【思考】 提示:说明阴极射线带负电。
1.汤姆孙的探究:(1)让阴极射线分别通过电场和磁场,根据_____情况,证明它是__(A.带正电 B.带负电)的粒子流并求出了它的比荷。(2)换用_________的阴极做实验,所得比荷的数值都_____。证明这种粒子是构成各种物质的共有成分。(3)进一步研究新现象,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——_____。由此可见,_____是原子的组成部分,是比原子更_____的物质单元。
2.密立根“油滴实验”:(1)精确测定_________。(2)电荷是_______的。 3.电子的有关常量:
二、汤姆孙的原子模型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_____,_______弥漫性地_________在整个球体内,电子_____其中,有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“_____模型”。2.α粒子散射实验:(1)实验装置。
(2)实验现象。①_________的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿_____的方向前进;②_____α粒子发生了_______偏转;偏转的角度甚至__________,它们几乎被“_________”。(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_________模型。
三、卢瑟福的核式结构模型【思考】 根据核式结构模型,原子的组成微粒是什么?它们的大小尺度是怎样的?提示:原子核和核外电子。原子半径的数量级为10-10 m,原子核半径的数量级为10-15 m。
1.核式结构模型:1911年由卢瑟福提出,原子中带正电的部分体积很小,但几乎占有全部_____,电子在正电体的外面_____。2.原子核的电荷与尺度:
一 电子比荷的确定根据电场、磁场对电子(带电粒子)的偏转测量比荷:1.让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图),让其做匀速直线运动,根据二力平衡,即F洛=F电(Bqv=qE),得到粒子的运动速度v= 。
2.撤去电场(如图),保留磁场,让粒子单纯地在磁场中运动,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:
【思考·讨论】 如图所示为汤姆孙的气体放电管。
(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?提示: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)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: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。
【典例示范】在再现汤姆孙测阴极射线比荷的实验中,采用了如图所示的阴极射线管,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中心出现荧光斑。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),荧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:
(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。
【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,有Bqv= 同时又有L=r·sinθ,如图所示,解得 答案:(1)负电 (2)垂直纸面向外 (3)
【规律方法】求解带电粒子比荷的思路(1)带电粒子在匀强磁场中做类平抛运动,可利用运动的分解、运动学公式、牛顿运动定律列出相应的关系式。(2)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,要注意通过画轨迹示意图来确定圆心位置,利用几何知识求其半径。(3)带电粒子通过相互垂直的匀强电磁场时,可使其做匀速直线运动,根据qE=qvB可求其速度。
【素养训练】1.以下说法正确的是( )A.密立根用摩擦起电的实验发现了电子B.密立根用摩擦起电的实验测定了元电荷的电荷量C.密立根用油滴实验发现了电子D.密立根用油滴实验测定了元电荷的电荷量【解析】选D。密立根用油滴实验测定了元电荷的电荷量,故D正确。
2.(多选)1897年英国物理学家汤姆孙发现了电子,汤姆孙也被称为“电子之父”。下列关于电子的说法正确的是( )A.汤姆孙通过对阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是带负电的粒子的结论,并求出了阴极射线的比荷B.汤姆孙通过对光电效应的研究,发现了电子C.电子质量是质子质量的1 836倍D.汤姆孙通过对不同材料做成的阴极发出射线的研究,并进一步研究光电效应等现象,说明电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元
【解析】选A、D。汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定阴极射线本质上是带负电的电子流,并求出了比荷,从而发现了电子,故A正确,B错误;电子质量是质子质量的 ,故C错误;汤姆孙发现用不同材料的阴极做实验,研究阴极射线时均发出同一种粒子——电子,这就说明电子是构成物质的基本单元,而对光电效应等现象的研究更加验证了这一点,故D正确。故选A、D。
3.带电粒子的比荷 是一个重要的物理量。某中学物理兴趣小组设计了一个实验,探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响,以求得电子的比荷,实验装置如图所示。其中两正对极板M 1、M 2之间的距离为d,极板长度为L。 他们的主要实验步骤如下:
A.首先在两极板M1、M2之间不加任何电场、磁场,开启阴极射线管电源,发射的电子束从两极板中央通过,在荧光屏的正中心处观察到一个亮点;B.在M1、M2两极板间加合适的电场:加极性如图所示的电压,并逐步调节增大,使荧光屏上的亮点逐渐向荧光屏下方偏移,直到荧光屏上恰好看不见亮点为止,记下此时外加电压为U。请问本步骤的目的是什么?C.保持步骤B中的电压U不变,对M1、M2区域加一个大小、方向合适的磁场B,使荧光屏正中心处重现亮点。试问外加磁场的方向如何?
【解析】步骤B中电子在M1、M2两极板间做类平抛运动,当增大两极板间电压时,电子在两极板间的偏转位移增大。当在荧光屏上看不到亮点时,电子刚好打在下极板M2靠近荧光屏端的边缘,则 由此可以看出这一步的目的是使粒子在电场中的偏转位移成为已知量,就可以表示出比荷。步骤C加上磁场后电子不偏转,电场力等于洛伦兹力,且洛伦兹力方向向上,由左手定则可知磁场方向垂直于纸面向外。答案:见解析
【补偿训练】如图所示,让一束均匀的阴极射线以速率v垂直进入正交的电、磁场中,选择合适的磁感应强度B和电场强度E,带电粒子将不发生偏转,然后撤去电场,粒子将做匀速圆周运动,测得其半径为R,求阴极射线中带电粒子的比荷。
【解析】因为带电粒子在复合场中不偏转,所以qE=qvB,即v= ,撤去电场后,粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,则qvB=m 。由此可得 答案:
二 α粒子散射实验探究分析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.否定汤姆孙的原子结构模型:(1)质量远小于原子的电子,对α粒子的运动影响完全可以忽略,不应该发生大角度偏转。(2)α粒子在穿过原子时,受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡,对α粒子运动方向的影响不会很大,也不应该发生大角度偏转。(3)α粒子的大角度偏转,否定汤姆孙的原子结构模型。
3.大角度偏转的实验现象分析:(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。按照汤姆孙原子模型,正电荷在原子内是均匀分布的,α粒子穿过原子时,它受到的两侧斥力大部分抵消,因而也不可能使α粒子发生大角度偏转,更不能使α粒子反向弹回,这与α粒子散射实验相矛盾。(3)实验现象表明原子绝大部分是空的,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核上,否则,α粒子大角度散射是不可能的。
4.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α粒子不发生偏转。(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,发生大角度偏转,而这种机会很少,所以有少数粒子发生了大角度偏转。
(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,如图所示,所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°。
易错提醒(1)α粒子与原子核之间的万有引力远小于二者之间的库仑斥力,因而可以忽略不计。(2)在处理α粒子等微观粒子时一般不计重力。
【思考·讨论】如图是α粒子散射实验装置,各部分的作用是什么? 提示:放射源放出快速运动的α粒子,α粒子通过金箔时被散射,打在荧光屏上发出荧光,可通过带有荧光屏的放大镜进行观察,并可以在水平面内转动,观察不同方向和不同位置通过金箔的散射α粒子数量,整个装置封闭在真空内。
【典例示范】如图所示,根据α粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线,实线表示一个α粒子的运动轨迹。在α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中,下列说法中正确的是( )A.动能先增大,后减小B.电势能先减小,后增大C.电场力先做负功,后做正功,总功等于零D.加速度先变小,后变大
【解析】选C。α粒子从a到b电场力做负功,速度减小,动能减小,电势能增大。从b到c电场力做正功,α粒子的速度增大,动能增大,电势能减小,加速度应先变大,后变小。正确选项应为C。
【规律方法】α粒子散射实验中常用的规律(1)库仑定律F=k :用来分析α粒子和原子核间的相互作用力。(2)牛顿第二定律:该实验中α粒子只受库仑力,可根据库仑力的变化分析加速度的变化。(3)功能关系:根据库仑力做功可分析电势能的变化,也可分析动能的变化。(4)原子核带正电,其周围的电场相当于正点电荷的电场,注意应用其电场线和等势面的特点。
【素养训练】1.在用α粒子轰击金箔的实验中,卢瑟福观察到的α粒子的运动情况是( )A.全部α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进B.绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回C.少数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,绝大多数发生较大偏转,甚至被弹回D.全部α粒子都发生很大偏转
【解析】选B。当α粒子穿过原子时,电子对α粒子影响很小,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,才会受到很大的库仑斥力,而原子核很小,所以α粒子接近它的机会就很少,所以绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回,故B正确,A、C、D错误。故选B。
2.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( )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
【解析】选C。图中大角度偏转的α粒子的电场力先做负功,后做正功,则其电势能先增大后减小,故A错误;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粒子几乎不发生偏转,可以推测使粒子受到排斥力的核体积极小,所以带正电的物质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;故选C。
3.如图所示是20世纪初伟大的物理学家卢瑟福在研究物质结构时的实验装置,请根据物理学史的知识完成下题:(1)卢瑟福用这个实验装置发现了__________________; (2)图中的放射源发出的是____________粒子; (3)图中的金箔是________层分子膜(选填“单”或“多”);
(4)如图位置的四个显微镜中,闪光频率最高的是________显微镜; (5)除上述实验成就外,卢瑟福还发现了__________的存在;(选填“电子”“质子”或“中子”) (6)最终卢瑟福__________诺贝尔奖(填是否获得了)。
【解析】(1)该图显示的是卢瑟福的α粒子散射实验,该实验的结果推翻了原有的原子“枣糕状”模型概念,卢瑟福在其实验现象的基础上提出了“核式结构”的原子模型观点。(2)该图显示的是卢瑟福的α粒子散射实验,因此放射源发出的是α粒子。(3)选择单层分子膜的金箔是为了尽量保证α粒子只与一个金箔原子发生碰撞。
(4)放在A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多,大多数射线基本不偏折,金箔原子内部很空旷,因此A位置的显微镜闪光频率最高。(5)1919年,卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验,发现了质子的存在。(6)卢瑟福于1908年获得诺贝尔化学奖。答案:(1)核式结构模型 (2)α (3)单 (4)A (5)质子(6)获得了
【补偿训练】1.如图所示是α粒子被重核散射时的运动轨迹,其中不可能存在的轨迹是( ) A.a B.b C.c D.d【解析】选C。根据α粒子散射实验现象的解释,离核越近偏转越明显,C轨迹离核较远,应该偏转很少,故正确答案为C项。
2.当α粒子穿过金箔发生大角度偏转的过程中,下列说法正确的是( )A.α粒子先受到原子核的斥力作用,后受原子核的引力作用B.α粒子一直受到原子核的斥力作用C.α粒子先受到原子核的引力作用,后受到原子核的斥力作用D.α粒子一直受到库仑斥力,速度一直减小【解析】选B。α粒子与金原子核带同种电荷,两者相互排斥,故A、C错误,B正确;α粒子在靠近金原子核时斥力做负功,速度减小,远离时做正功,速度增大,故D错误。
三 原子的核式结构模型与原子核的组成1.理解建立核式结构模型的要点:(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。(2)汤姆孙模型不能解释α粒子的大角度散射。(3)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、电荷量均比它本身大得多的物体的作用。(4)绝大多数α粒子在穿过金原子层时运动方向没有明显变化,说明原子中绝大多数部分是空的。原子的质量电荷量都集中在体积很小的核上。
2.原子的核式结构与原子的枣糕模型的对比:
3.原子内的电荷关系:原子核的电荷数与核外的电子数相等,非常接近原子序数。4.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。5.原子核的大小:原子的半径数量级为10-10 m,原子核半径的数量级为10-15 m,原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一,体积只相当于原子体积的10-15。
【思考·讨论】如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景。(1)为什么绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来运动方向前进?提示:因为原子核很小,所以绝大多数α粒子穿过原子时,离核较远,受到原子核的斥力很小,基本上仍沿原来运动方向前进。
(2)为什么少数的α粒子穿过金箔后,发生了大角度的偏转?提示:少数α粒子十分接近原子核穿过时,才受到很大的库仑力作用,发生大角度偏转。
【典例示范】关于α粒子的散射,下列说法正确的是( )A.α粒子穿过金箔后多数发生了大角度的偏转B.α粒子的散射实验发现了质子C.α粒子的散射实验表明原子的正电荷和几乎全部质量均匀分布在一个球上D.α粒子的散射实验表明原子的正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上
【解析】选D。 α粒子穿过金箔后多数粒子不改变方向,少数粒子发生了大角度的偏转,选项A错误;α粒子的散射确定了原子的核式结构模型,并不是发现质子的实验,选项B错误;α粒子的散射实验表明原子的正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上,选项C错误,D正确,故选D。
【素养训练】1.关于原子结构,下列说法正确的是( )A.原子中原子核很小,核外很“空旷”B.原子核的半径的数量级是10-10 mC.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。卢瑟福的原子结构模型的内容为:在原子中心有一个很小的核,叫原子核。它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量,电子在核外空间运动,故C、D错;又因为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,两者相差十万倍之多,因此原子内部是十分“空旷”的,故A对,B错。
2.卢瑟福预想到原子核内除质子外,还有中子的事实依据是( )A.电子数与质子数相等B.原子核的质量大约是质子质量的整数倍C.原子核的核电荷数比其质量数小D.质子和中子的质量几乎相等【解析】选C。原子核如果只是由质子组成,那么核的质量与质子质量的比值(即质量数)应该与核的电荷与质子的电荷的比值(即电荷数)相等,但原子核的核电荷数只是质量数的一半或少一些,所以,原子核内除了质子,还可能有一种质量与质子质量相等、但不带电的中性粒子,即中子。
【拓展例题】考查内容:密立根测电子的电荷量【典例】美国物理学家密立根通过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。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,图中油滴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UC.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)在进行了几百次的测量以后,密立根发现油滴所带的电荷量虽不同,但都是某个最小电荷量的整数倍,这个最小电荷量被认为是元电荷,其值为e=________ C。(保留两位有效数字)
【解析】(1)(2)平行板电容器间的电场为匀强电场,液滴处于静止状态,所以电场力与重力平衡,故mg=qE=q ,可得q= ,所以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。(3)这个最小电荷量是元电荷,其大小等于电子的电荷量e=1.6×10-19 C。答案:(1)A、B、C (2) (3)1.6×10-19
1.(多选)关于电子的发现,下列说法正确的是( )A.电子的发现,说明原子是由电子和原子核组成的B.电子的发现,说明原子具有一定的结构C.在电子被人类发现前,人们认为原子是组成物质的最小微粒D.电子带负电,使人们意识到原子内应该还有带正电的部分【解析】选B、C、D。发现电子时,人们对原子的结构仍然不清楚,但人们意识到电子应该是原子的组成部分,故A错误,B正确;在电子被人类发现前,人们认为原子是组成物质的最小微粒,C正确;原子对外显电中性,而电子带负电,使人们意识到,原子中应该还有其他带正电的部分,D正确。
2.(多选)下列说法中正确的是( )A.汤姆孙精确地测出了电子电荷量e=1.602 177 33(49)×10-19 CB.电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的C.汤姆孙油滴实验更重要的发现是电荷量是量子化的,即任何电荷量只能是e的整数倍D.通过实验测得电子的比荷及其电荷量e的值,就可以确定电子的质量【解析】选B、D。电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的,选项A、C错误,选项B正确。测出比荷的值 和电子电荷量e的值,可以确定电子的质量,故选项D正确。
3.(多选)在α粒子散射实验中,只有少数的α粒子发生大角度的偏转,下列解释正确的是( )A.相对于原子的体积,集中几乎所有质量的原子核体积很小B.多数α粒子通过金箔时,离原子核较远,受到周围原子核的库仑斥力作用可忽略C.少数的α粒子通过金箔时与电子发生碰撞,运动方向发生了较大的改变D.少数的α粒子通过金箔时,离原子核较近,受到原子核较大的冲量作用
【解析】选A、B、D。由于原子的体积远远大于原子核的体积,原子内多为“空旷地带”,当α粒子穿越金箔时,多数α粒子离原子核较远,α粒子受到的库仑力可忽略,A、B正确;电子的质量较小,α粒子的运动方向几乎不产生影响,C错误;当少数α粒子距原子核较近时,库仑斥力较大,α粒子受到原子核较大的冲量作用,就会发生大角度的偏转,D正确。
4.(多选)如图所示为α粒子散射实验中α粒子穿过某一金原子核附近的示意图,A、B、C分别位于两个等势面上,则以下说法中正确的是( )A.α粒子在A处的速度比B处的速度小B.α粒子在B处的动能最大,电势能最小C.α粒子在A、C两处的速度大小相等D.α粒子在B处的速度比在C处的速度要小
【解析】选C、D。α粒子由A经B运动到C,由于受到库仑力的作用,α粒子先减速后加速,所以A项错误,D正确;库仑斥力对α粒子先做负功后做正功,使动能先减小后增大,电势能先增大后减小,B项错误。A、C处于同一个等势面上,从A到C库仑力不做功,速度大小不变,C项正确。
5.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 。【解析】加速度a= ,仅加电场时有d= 加复合场时有Bqv0=Eq,解以上两式得 答案:
【补偿训练】(多选)用α粒子撞击金原子核发生散射,图中关于α粒子的运动轨迹正确的是( )A.a B.bC.cD.d【解析】选C、D。α粒子受金原子核的排斥力,方向沿两者的连线方向,运动轨迹弯向受力方向的一侧,A、B均错误;离原子核越近,α粒子受到的斥力越大,偏转越大,C、D正确。
【新思维·新考向】情境:密立根设置了一个均匀电场,方法是将两块金属板以水平方式平行排列,作为两极,两极之间可产生相当大的电势差。金属板上有四个小洞,其中三个是用来将光线射入装置中,另外一个则设有一部显微镜,用以观测实验。喷入平行金属板中的油滴可经由控制电场来改变位置。为了避免油滴因为光线照射蒸发而使误差增加,此实验使用蒸气压较低的油。其中少数的油滴在喷入平行金属板之前,因为与喷嘴摩擦而获得电荷,成为实验对象。
问题:能说说实验的原理吗?提示:此实验的目的是要测量单一电子的电荷。方法主要是平衡重力与电场力,使油滴悬浮于两片金属电极之间。并根据已知的电场强度,计算出整颗油滴的总电荷量。重复对许多油滴进行实验之后,密立根发现所有油滴的总电荷值皆为同一数字的倍数,因此认定此数值为单一电子的电荷e。
【基础达标】 (25分钟·60分)一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)1.关于阴极射线的本质,下列说法正确的是( )A.阴极射线本质是氢原子B.阴极射线本质是电磁波C.阴极射线本质是电子D.阴极射线本质是X射线【解析】选C。阴极射线是由于电子动能变大,原子核束缚不住电子,电子逃逸出来,形成的粒子流。所以答案选C。
十二 原子的核式结构模型
2.通过如图的实验装置,卢瑟福建立了原子核式结构模型。实验时,若将荧光屏和显微镜分别放在位置1、2、3。则能观察到粒子数量最多的是位置( ) A.1 B.2 C.3 D.一样多
【解析】选C。卢瑟福通过这个实验,得出了原子核式结构模型。放在3位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数较少。放在2位置时,屏上仍能观察一些闪光,但次数极少。放在1位置时,屏上可以观察到闪光,只不过很少很少。故C正确,A、B、D错误。故选C。
3.如图,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( )A.卢瑟福根据α粒子散射实验提出了能量量子化理论B.大多数α粒子击中金箔后几乎沿原方向返回C.α粒子经过a、c两点时动能相等D.从a经过b运动到c的过程中α粒子的电势能先减小后增大
【解析】选C。卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构理论,选项A错误; 大多数α粒子击中金箔后几乎不改变方向而沿原方向前进,选项B错误;因a、c两点距离金原子核的距离相等,可知电势能相等,则α粒子经过a、c两点时动能相等,选项C正确;从a经过b运动到c的过程中,电场力先做负功,后做正功,可知α粒子的电势能先增大后减小,选项D错误。
4.卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构,正确反映实验结果的示意图是( ) 【解析】选D。α粒子轰击金箔后偏转,越靠近金原子核,偏转的角度越大,所以A、B、C错误,D正确。
5.下列对α粒子散射实验装置的描述,你认为正确的有( )A.实验器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜B.金箔的厚度对实验无影响C.如果不用金箔改用铝箔,就不会发生散射现象D.实验装置放在空气中和真空中都可以
【解析】选A。由对α粒子散射实验装置的描述可知A项正确;实验所用的金箔的厚度极小,如果金箔的厚度过大,α粒子穿过金箔时必然受到较大的阻碍作用而影响实验效果,B项错;如果改用铝箔,由于铝核的质量仍远大于α粒子的质量,散射现象仍然发生,C项错;空气的流动及空气中有许多漂浮的分子,会对α粒子的运动产生影响,实验装置是放在真空中进行的,D项错。
6.(多选)根据卢瑟福的原子的核式结构理论,下列对原子结构的认识中,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
【解析】选A、B、C。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。
二、非选择题(本题共2小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)7.(12分)若氢原子的核外电子绕核做半径为r的匀速圆周运动,则其角速度ω是多少?电子绕核的运动可等效为环形电流,则电子运动的等效电流I是多少(已知电子的质量为m,电荷量为e,静电力常量用k表示)?
【解析】电子绕核运动的向心力是库仑力,因为 其运动周期为 其等效电流 答案:
8.(12分)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距离为Y0,求电子的比荷。
【解析】由于电子在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 则 答案:
【补偿训练】电子所带电荷量最早是由美国科学家密立根通过油滴实验测出的。油滴实验的原理如图所示,两块水平放置的平行金属板与电源连接,上、下板分别带正、负电荷。油滴从喷雾器喷出后,由于摩擦而带电,油滴进入上板中央小孔后落到匀强电场中,通过显微镜可以观察到油滴的运动情况。两金属板间的距离为d,忽略空气对油滴的浮力和阻力。
(1)调节两金属板间的电势差u,当u=U0时,使得某个质量为m1的油滴恰好做匀速运动,则该油滴所带电荷量q为多少?(2)若油滴进入电场时的速度可以忽略,当两金属板间的电势差u=U时,观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动,经过时间t运动到下极板,求此油滴所带电荷量Q。
【解析】(1)由平衡条件知 解得 (2)若Q为正电荷,根据牛顿第二定律有m2g+ =m2a,且d= at2,由以上两式解得 若Q为负电荷,根据牛顿第二定律有m2g- =m2a,又d= at2,由以上两式解得 答案:(1) (2)
【能力提升】（15分钟·40分）9.(7分)(多选)在α粒子散射实验中,如果两个具有相同能量的α粒子,从不同大小的角度散射出来,则散射角度大的α粒子( )A.更接近原子核B.更远离原子核C.受到一个以上的原子核作用D.受到原子核较大的冲量作用
【解析】选A、D。由于原子的体积远远大于原子核的体积,当α粒子穿越某一个原子的空间时,其他原子核距α粒子相对较远,而且其他原子核对α粒子的作用力也可以近似相互抵消,所以散射角度大的这个α粒子并不是由于受到多个原子核作用造成的,C错;由库仑定律可知,α粒子受到的斥力与距离的平方成反比,α粒子距原子核越近,斥力越大,运动状态改变越大,即散射角度越大,A对,B错;当α粒子受到原子核较大的冲量作用时,动量的变化量就大,即速度的变化量就大,则散射角度就大,D对。
10.(7分)在α粒子散射实验中,α粒子的偏转是由于受到原子内正电荷的库仑力作用而发生的,其中有极少数α粒子发生了大角度偏转,甚至被反向弹回。假定一个速度为v的高速α粒子 )与金原子核 )发生弹性正碰(碰撞前金原子核可认为是静止的),则( )A.α粒子在靠近金原子核的过程中电势能逐渐减小B.α粒子散射实验说明原子核是由质子和中子组成的C.α粒子散射实验说明带正电的物质均匀分布在原子内部D.当它们的距离最小时,α粒子与金原子核的动量大小之比为4∶197
【解析】选D。α粒子在靠近金原子核的过程中,库仑力做负功,电势能逐渐增加,选项A错误;α粒子散射实验是原子的核式结构理论的基础,并不能说明原子核是由质子和中子组成的,选项B错误;α粒子散射实验说明带正电的物质分布在原子内部很小的区域内,即原子的内部有一个很小的原子核,选项C错误;α粒子在靠近金原子核的过程中,系统动量守恒,当它们的距离最小时,两者的速度相等,则α粒子与金原子核的动量大小之比等于质量之比,即为4∶197,选项D正确。
11.(7分)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中实线所示。图中P、Q为轨迹上的点,虚线是过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该α粒子的作用,那么关于该原子核的位置,下列说法中正确的是( )A.可能在①区域 B.可能在②区域C.可能在③区域D.可能在④区域
【解析】选A。α粒子带正电,原子核也带正电,对靠近它的α粒子产生斥力,故原子核不会在④区域;如原子核在②、③区域,α粒子会向①区域偏;如原子核在①区域,可能会出现题图所示的轨迹,故应选A。
12.(19分)英国科学家汤姆孙以及他所带领的一批学者对原子结构的研究奠定了近代物理学的基石,其中他对阴极射线粒子比荷测定实验最为著名,装置如图1所示。某班的学生在实验室重做该实验,装置如图2所示,在玻璃管内的阴极K发射的射线被加速后,沿直线到达画有正方形方格的荧光屏上。在上下正对的平行金属极板上加上电压,在板间形成电场强度为E的匀强电场,射线向上偏转;再给玻璃管前后的励磁线圈加上适当的电压,在线圈之间形成磁感应强度为B的匀强磁场,射线沿直线运动,不发生偏转。之后再去掉平行板间的电压,射线向下偏转,经过屏上A点,如图3所示。(不计射线的重力,匀强电场、匀强磁场范围限定在刻度“1”和“7”所在的竖直直线之间,且射线由刻度“1”所在位置进入该区域)。求:
(1)求该射线进入场区域时的初速度v。(2)已知正方形方格边长为d,求该射线粒子的比荷 。(3)带电粒子在磁场中运动到A点的时间。
【解析】(1)射线被加速后在电场力和洛伦兹力共同作用下做匀速直线运动,根据二力平衡得:qE=qvB解得:射线被加速后的速度为
(2)去掉金属板间电压后,粒子不再受到电场力,只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,经过A点,则圆心为O点,半径为r,如图所示:则有(4d)2=r2-(r-2d)2解得:r=5d因为洛伦兹力提供向心力,则 联立解得:
一、电子的发现【思考】 提示:说明阴极射线带负电。
1.汤姆孙的探究:(1)让阴极射线分别通过电场和磁场,根据_____情况,证明它是__(A.带正电 B.带负电)的粒子流并求出了它的比荷。(2)换用_________的阴极做实验,所得比荷的数值都_____。证明这种粒子是构成各种物质的共有成分。(3)进一步研究新现象,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——_____。由此可见,_____是原子的组成部分,是比原子更_____的物质单元。
2.密立根“油滴实验”:(1)精确测定_________。(2)电荷是_______的。 3.电子的有关常量:
二、汤姆孙的原子模型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_____,_______弥漫性地_________在整个球体内,电子_____其中,有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“_____模型”。2.α粒子散射实验:(1)实验装置。
(2)实验现象。①_________的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿_____的方向前进;②_____α粒子发生了_______偏转;偏转的角度甚至__________,它们几乎被“_________”。(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_________模型。
三、卢瑟福的核式结构模型【思考】 根据核式结构模型,原子的组成微粒是什么?它们的大小尺度是怎样的?提示:原子核和核外电子。原子半径的数量级为10-10 m,原子核半径的数量级为10-15 m。
1.核式结构模型:1911年由卢瑟福提出,原子中带正电的部分体积很小,但几乎占有全部_____,电子在正电体的外面_____。2.原子核的电荷与尺度:
一 电子比荷的确定根据电场、磁场对电子(带电粒子)的偏转测量比荷:1.让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图),让其做匀速直线运动,根据二力平衡,即F洛=F电(Bqv=qE),得到粒子的运动速度v= 。
2.撤去电场(如图),保留磁场,让粒子单纯地在磁场中运动,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:
【思考·讨论】 如图所示为汤姆孙的气体放电管。
(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?提示: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)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: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。
【典例示范】在再现汤姆孙测阴极射线比荷的实验中,采用了如图所示的阴极射线管,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中心出现荧光斑。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),荧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:
(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。
【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,有Bqv= 同时又有L=r·sinθ,如图所示,解得 答案:(1)负电 (2)垂直纸面向外 (3)
【规律方法】求解带电粒子比荷的思路(1)带电粒子在匀强磁场中做类平抛运动,可利用运动的分解、运动学公式、牛顿运动定律列出相应的关系式。(2)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,要注意通过画轨迹示意图来确定圆心位置,利用几何知识求其半径。(3)带电粒子通过相互垂直的匀强电磁场时,可使其做匀速直线运动,根据qE=qvB可求其速度。
【素养训练】1.以下说法正确的是( )A.密立根用摩擦起电的实验发现了电子B.密立根用摩擦起电的实验测定了元电荷的电荷量C.密立根用油滴实验发现了电子D.密立根用油滴实验测定了元电荷的电荷量【解析】选D。密立根用油滴实验测定了元电荷的电荷量,故D正确。
2.(多选)1897年英国物理学家汤姆孙发现了电子,汤姆孙也被称为“电子之父”。下列关于电子的说法正确的是( )A.汤姆孙通过对阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是带负电的粒子的结论,并求出了阴极射线的比荷B.汤姆孙通过对光电效应的研究,发现了电子C.电子质量是质子质量的1 836倍D.汤姆孙通过对不同材料做成的阴极发出射线的研究,并进一步研究光电效应等现象,说明电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元
【解析】选A、D。汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定阴极射线本质上是带负电的电子流,并求出了比荷,从而发现了电子,故A正确,B错误;电子质量是质子质量的 ,故C错误;汤姆孙发现用不同材料的阴极做实验,研究阴极射线时均发出同一种粒子——电子,这就说明电子是构成物质的基本单元,而对光电效应等现象的研究更加验证了这一点,故D正确。故选A、D。
3.带电粒子的比荷 是一个重要的物理量。某中学物理兴趣小组设计了一个实验,探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响,以求得电子的比荷,实验装置如图所示。其中两正对极板M 1、M 2之间的距离为d,极板长度为L。 他们的主要实验步骤如下:
A.首先在两极板M1、M2之间不加任何电场、磁场,开启阴极射线管电源,发射的电子束从两极板中央通过,在荧光屏的正中心处观察到一个亮点;B.在M1、M2两极板间加合适的电场:加极性如图所示的电压,并逐步调节增大,使荧光屏上的亮点逐渐向荧光屏下方偏移,直到荧光屏上恰好看不见亮点为止,记下此时外加电压为U。请问本步骤的目的是什么?C.保持步骤B中的电压U不变,对M1、M2区域加一个大小、方向合适的磁场B,使荧光屏正中心处重现亮点。试问外加磁场的方向如何?
【解析】步骤B中电子在M1、M2两极板间做类平抛运动,当增大两极板间电压时,电子在两极板间的偏转位移增大。当在荧光屏上看不到亮点时,电子刚好打在下极板M2靠近荧光屏端的边缘,则 由此可以看出这一步的目的是使粒子在电场中的偏转位移成为已知量,就可以表示出比荷。步骤C加上磁场后电子不偏转,电场力等于洛伦兹力,且洛伦兹力方向向上,由左手定则可知磁场方向垂直于纸面向外。答案:见解析
【补偿训练】如图所示,让一束均匀的阴极射线以速率v垂直进入正交的电、磁场中,选择合适的磁感应强度B和电场强度E,带电粒子将不发生偏转,然后撤去电场,粒子将做匀速圆周运动,测得其半径为R,求阴极射线中带电粒子的比荷。
【解析】因为带电粒子在复合场中不偏转,所以qE=qvB,即v= ,撤去电场后,粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,则qvB=m 。由此可得 答案:
二 α粒子散射实验探究分析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.否定汤姆孙的原子结构模型:(1)质量远小于原子的电子,对α粒子的运动影响完全可以忽略,不应该发生大角度偏转。(2)α粒子在穿过原子时,受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡,对α粒子运动方向的影响不会很大,也不应该发生大角度偏转。(3)α粒子的大角度偏转,否定汤姆孙的原子结构模型。
3.大角度偏转的实验现象分析:(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。按照汤姆孙原子模型,正电荷在原子内是均匀分布的,α粒子穿过原子时,它受到的两侧斥力大部分抵消,因而也不可能使α粒子发生大角度偏转,更不能使α粒子反向弹回,这与α粒子散射实验相矛盾。(3)实验现象表明原子绝大部分是空的,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核上,否则,α粒子大角度散射是不可能的。
4.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α粒子不发生偏转。(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,发生大角度偏转,而这种机会很少,所以有少数粒子发生了大角度偏转。
(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,如图所示,所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°。
易错提醒(1)α粒子与原子核之间的万有引力远小于二者之间的库仑斥力,因而可以忽略不计。(2)在处理α粒子等微观粒子时一般不计重力。
【思考·讨论】如图是α粒子散射实验装置,各部分的作用是什么? 提示:放射源放出快速运动的α粒子,α粒子通过金箔时被散射,打在荧光屏上发出荧光,可通过带有荧光屏的放大镜进行观察,并可以在水平面内转动,观察不同方向和不同位置通过金箔的散射α粒子数量,整个装置封闭在真空内。
【典例示范】如图所示,根据α粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线,实线表示一个α粒子的运动轨迹。在α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中,下列说法中正确的是( )A.动能先增大,后减小B.电势能先减小,后增大C.电场力先做负功,后做正功,总功等于零D.加速度先变小,后变大
【解析】选C。α粒子从a到b电场力做负功,速度减小,动能减小,电势能增大。从b到c电场力做正功,α粒子的速度增大,动能增大,电势能减小,加速度应先变大,后变小。正确选项应为C。
【规律方法】α粒子散射实验中常用的规律(1)库仑定律F=k :用来分析α粒子和原子核间的相互作用力。(2)牛顿第二定律:该实验中α粒子只受库仑力,可根据库仑力的变化分析加速度的变化。(3)功能关系:根据库仑力做功可分析电势能的变化,也可分析动能的变化。(4)原子核带正电,其周围的电场相当于正点电荷的电场,注意应用其电场线和等势面的特点。
【素养训练】1.在用α粒子轰击金箔的实验中,卢瑟福观察到的α粒子的运动情况是( )A.全部α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进B.绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回C.少数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,绝大多数发生较大偏转,甚至被弹回D.全部α粒子都发生很大偏转
【解析】选B。当α粒子穿过原子时,电子对α粒子影响很小,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,才会受到很大的库仑斥力,而原子核很小,所以α粒子接近它的机会就很少,所以绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回,故B正确,A、C、D错误。故选B。
2.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( )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
【解析】选C。图中大角度偏转的α粒子的电场力先做负功,后做正功,则其电势能先增大后减小,故A错误;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粒子几乎不发生偏转,可以推测使粒子受到排斥力的核体积极小,所以带正电的物质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;故选C。
3.如图所示是20世纪初伟大的物理学家卢瑟福在研究物质结构时的实验装置,请根据物理学史的知识完成下题:(1)卢瑟福用这个实验装置发现了__________________; (2)图中的放射源发出的是____________粒子; (3)图中的金箔是________层分子膜(选填“单”或“多”);
(4)如图位置的四个显微镜中,闪光频率最高的是________显微镜; (5)除上述实验成就外,卢瑟福还发现了__________的存在;(选填“电子”“质子”或“中子”) (6)最终卢瑟福__________诺贝尔奖(填是否获得了)。
【解析】(1)该图显示的是卢瑟福的α粒子散射实验,该实验的结果推翻了原有的原子“枣糕状”模型概念,卢瑟福在其实验现象的基础上提出了“核式结构”的原子模型观点。(2)该图显示的是卢瑟福的α粒子散射实验,因此放射源发出的是α粒子。(3)选择单层分子膜的金箔是为了尽量保证α粒子只与一个金箔原子发生碰撞。
(4)放在A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多,大多数射线基本不偏折,金箔原子内部很空旷,因此A位置的显微镜闪光频率最高。(5)1919年,卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验,发现了质子的存在。(6)卢瑟福于1908年获得诺贝尔化学奖。答案:(1)核式结构模型 (2)α (3)单 (4)A (5)质子(6)获得了
【补偿训练】1.如图所示是α粒子被重核散射时的运动轨迹,其中不可能存在的轨迹是( ) A.a B.b C.c D.d【解析】选C。根据α粒子散射实验现象的解释,离核越近偏转越明显,C轨迹离核较远,应该偏转很少,故正确答案为C项。
2.当α粒子穿过金箔发生大角度偏转的过程中,下列说法正确的是( )A.α粒子先受到原子核的斥力作用,后受原子核的引力作用B.α粒子一直受到原子核的斥力作用C.α粒子先受到原子核的引力作用,后受到原子核的斥力作用D.α粒子一直受到库仑斥力,速度一直减小【解析】选B。α粒子与金原子核带同种电荷,两者相互排斥,故A、C错误,B正确;α粒子在靠近金原子核时斥力做负功,速度减小,远离时做正功,速度增大,故D错误。
三 原子的核式结构模型与原子核的组成1.理解建立核式结构模型的要点:(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。(2)汤姆孙模型不能解释α粒子的大角度散射。(3)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、电荷量均比它本身大得多的物体的作用。(4)绝大多数α粒子在穿过金原子层时运动方向没有明显变化,说明原子中绝大多数部分是空的。原子的质量电荷量都集中在体积很小的核上。
2.原子的核式结构与原子的枣糕模型的对比:
3.原子内的电荷关系:原子核的电荷数与核外的电子数相等,非常接近原子序数。4.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。5.原子核的大小:原子的半径数量级为10-10 m,原子核半径的数量级为10-15 m,原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一,体积只相当于原子体积的10-15。
【思考·讨论】如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景。(1)为什么绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来运动方向前进?提示:因为原子核很小,所以绝大多数α粒子穿过原子时,离核较远,受到原子核的斥力很小,基本上仍沿原来运动方向前进。
(2)为什么少数的α粒子穿过金箔后,发生了大角度的偏转?提示:少数α粒子十分接近原子核穿过时,才受到很大的库仑力作用,发生大角度偏转。
【典例示范】关于α粒子的散射,下列说法正确的是( )A.α粒子穿过金箔后多数发生了大角度的偏转B.α粒子的散射实验发现了质子C.α粒子的散射实验表明原子的正电荷和几乎全部质量均匀分布在一个球上D.α粒子的散射实验表明原子的正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上
【解析】选D。 α粒子穿过金箔后多数粒子不改变方向,少数粒子发生了大角度的偏转,选项A错误;α粒子的散射确定了原子的核式结构模型,并不是发现质子的实验,选项B错误;α粒子的散射实验表明原子的正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上,选项C错误,D正确,故选D。
【素养训练】1.关于原子结构,下列说法正确的是( )A.原子中原子核很小,核外很“空旷”B.原子核的半径的数量级是10-10 mC.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。卢瑟福的原子结构模型的内容为:在原子中心有一个很小的核,叫原子核。它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量,电子在核外空间运动,故C、D错;又因为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,两者相差十万倍之多,因此原子内部是十分“空旷”的,故A对,B错。
2.卢瑟福预想到原子核内除质子外,还有中子的事实依据是( )A.电子数与质子数相等B.原子核的质量大约是质子质量的整数倍C.原子核的核电荷数比其质量数小D.质子和中子的质量几乎相等【解析】选C。原子核如果只是由质子组成,那么核的质量与质子质量的比值(即质量数)应该与核的电荷与质子的电荷的比值(即电荷数)相等,但原子核的核电荷数只是质量数的一半或少一些,所以,原子核内除了质子,还可能有一种质量与质子质量相等、但不带电的中性粒子,即中子。
【拓展例题】考查内容:密立根测电子的电荷量【典例】美国物理学家密立根通过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。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,图中油滴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UC.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)在进行了几百次的测量以后,密立根发现油滴所带的电荷量虽不同,但都是某个最小电荷量的整数倍,这个最小电荷量被认为是元电荷,其值为e=________ C。(保留两位有效数字)
【解析】(1)(2)平行板电容器间的电场为匀强电场,液滴处于静止状态,所以电场力与重力平衡,故mg=qE=q ,可得q= ,所以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。(3)这个最小电荷量是元电荷,其大小等于电子的电荷量e=1.6×10-19 C。答案:(1)A、B、C (2) (3)1.6×10-19
1.(多选)关于电子的发现,下列说法正确的是( )A.电子的发现,说明原子是由电子和原子核组成的B.电子的发现,说明原子具有一定的结构C.在电子被人类发现前,人们认为原子是组成物质的最小微粒D.电子带负电,使人们意识到原子内应该还有带正电的部分【解析】选B、C、D。发现电子时,人们对原子的结构仍然不清楚,但人们意识到电子应该是原子的组成部分,故A错误,B正确;在电子被人类发现前,人们认为原子是组成物质的最小微粒,C正确;原子对外显电中性,而电子带负电,使人们意识到,原子中应该还有其他带正电的部分,D正确。
2.(多选)下列说法中正确的是( )A.汤姆孙精确地测出了电子电荷量e=1.602 177 33(49)×10-19 CB.电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的C.汤姆孙油滴实验更重要的发现是电荷量是量子化的,即任何电荷量只能是e的整数倍D.通过实验测得电子的比荷及其电荷量e的值,就可以确定电子的质量【解析】选B、D。电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的,选项A、C错误,选项B正确。测出比荷的值 和电子电荷量e的值,可以确定电子的质量,故选项D正确。
3.(多选)在α粒子散射实验中,只有少数的α粒子发生大角度的偏转,下列解释正确的是( )A.相对于原子的体积,集中几乎所有质量的原子核体积很小B.多数α粒子通过金箔时,离原子核较远,受到周围原子核的库仑斥力作用可忽略C.少数的α粒子通过金箔时与电子发生碰撞,运动方向发生了较大的改变D.少数的α粒子通过金箔时,离原子核较近,受到原子核较大的冲量作用
【解析】选A、B、D。由于原子的体积远远大于原子核的体积,原子内多为“空旷地带”,当α粒子穿越金箔时,多数α粒子离原子核较远,α粒子受到的库仑力可忽略,A、B正确;电子的质量较小,α粒子的运动方向几乎不产生影响,C错误;当少数α粒子距原子核较近时,库仑斥力较大,α粒子受到原子核较大的冲量作用,就会发生大角度的偏转,D正确。
4.(多选)如图所示为α粒子散射实验中α粒子穿过某一金原子核附近的示意图,A、B、C分别位于两个等势面上,则以下说法中正确的是( )A.α粒子在A处的速度比B处的速度小B.α粒子在B处的动能最大,电势能最小C.α粒子在A、C两处的速度大小相等D.α粒子在B处的速度比在C处的速度要小
【解析】选C、D。α粒子由A经B运动到C,由于受到库仑力的作用,α粒子先减速后加速,所以A项错误,D正确;库仑斥力对α粒子先做负功后做正功,使动能先减小后增大,电势能先增大后减小,B项错误。A、C处于同一个等势面上,从A到C库仑力不做功,速度大小不变,C项正确。
5.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 。【解析】加速度a= ,仅加电场时有d= 加复合场时有Bqv0=Eq,解以上两式得 答案:
【补偿训练】(多选)用α粒子撞击金原子核发生散射,图中关于α粒子的运动轨迹正确的是( )A.a B.bC.cD.d【解析】选C、D。α粒子受金原子核的排斥力,方向沿两者的连线方向,运动轨迹弯向受力方向的一侧,A、B均错误;离原子核越近,α粒子受到的斥力越大,偏转越大,C、D正确。
【新思维·新考向】情境:密立根设置了一个均匀电场,方法是将两块金属板以水平方式平行排列,作为两极,两极之间可产生相当大的电势差。金属板上有四个小洞,其中三个是用来将光线射入装置中,另外一个则设有一部显微镜,用以观测实验。喷入平行金属板中的油滴可经由控制电场来改变位置。为了避免油滴因为光线照射蒸发而使误差增加,此实验使用蒸气压较低的油。其中少数的油滴在喷入平行金属板之前,因为与喷嘴摩擦而获得电荷,成为实验对象。
问题:能说说实验的原理吗?提示:此实验的目的是要测量单一电子的电荷。方法主要是平衡重力与电场力,使油滴悬浮于两片金属电极之间。并根据已知的电场强度,计算出整颗油滴的总电荷量。重复对许多油滴进行实验之后,密立根发现所有油滴的总电荷值皆为同一数字的倍数,因此认定此数值为单一电子的电荷e。
【基础达标】 (25分钟·60分)一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)1.关于阴极射线的本质,下列说法正确的是( )A.阴极射线本质是氢原子B.阴极射线本质是电磁波C.阴极射线本质是电子D.阴极射线本质是X射线【解析】选C。阴极射线是由于电子动能变大,原子核束缚不住电子,电子逃逸出来,形成的粒子流。所以答案选C。
十二 原子的核式结构模型
2.通过如图的实验装置,卢瑟福建立了原子核式结构模型。实验时,若将荧光屏和显微镜分别放在位置1、2、3。则能观察到粒子数量最多的是位置( ) A.1 B.2 C.3 D.一样多
【解析】选C。卢瑟福通过这个实验,得出了原子核式结构模型。放在3位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数较少。放在2位置时,屏上仍能观察一些闪光,但次数极少。放在1位置时,屏上可以观察到闪光,只不过很少很少。故C正确,A、B、D错误。故选C。
3.如图,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( )A.卢瑟福根据α粒子散射实验提出了能量量子化理论B.大多数α粒子击中金箔后几乎沿原方向返回C.α粒子经过a、c两点时动能相等D.从a经过b运动到c的过程中α粒子的电势能先减小后增大
【解析】选C。卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构理论,选项A错误; 大多数α粒子击中金箔后几乎不改变方向而沿原方向前进,选项B错误;因a、c两点距离金原子核的距离相等,可知电势能相等,则α粒子经过a、c两点时动能相等,选项C正确;从a经过b运动到c的过程中,电场力先做负功,后做正功,可知α粒子的电势能先增大后减小,选项D错误。
4.卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构,正确反映实验结果的示意图是( ) 【解析】选D。α粒子轰击金箔后偏转,越靠近金原子核,偏转的角度越大,所以A、B、C错误,D正确。
5.下列对α粒子散射实验装置的描述,你认为正确的有( )A.实验器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜B.金箔的厚度对实验无影响C.如果不用金箔改用铝箔,就不会发生散射现象D.实验装置放在空气中和真空中都可以
【解析】选A。由对α粒子散射实验装置的描述可知A项正确;实验所用的金箔的厚度极小,如果金箔的厚度过大,α粒子穿过金箔时必然受到较大的阻碍作用而影响实验效果,B项错;如果改用铝箔,由于铝核的质量仍远大于α粒子的质量,散射现象仍然发生,C项错;空气的流动及空气中有许多漂浮的分子,会对α粒子的运动产生影响,实验装置是放在真空中进行的,D项错。
6.(多选)根据卢瑟福的原子的核式结构理论,下列对原子结构的认识中,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
【解析】选A、B、C。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。
二、非选择题(本题共2小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)7.(12分)若氢原子的核外电子绕核做半径为r的匀速圆周运动,则其角速度ω是多少?电子绕核的运动可等效为环形电流,则电子运动的等效电流I是多少(已知电子的质量为m,电荷量为e,静电力常量用k表示)?
【解析】电子绕核运动的向心力是库仑力,因为 其运动周期为 其等效电流 答案:
8.(12分)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距离为Y0,求电子的比荷。
【解析】由于电子在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 则 答案:
【补偿训练】电子所带电荷量最早是由美国科学家密立根通过油滴实验测出的。油滴实验的原理如图所示,两块水平放置的平行金属板与电源连接,上、下板分别带正、负电荷。油滴从喷雾器喷出后,由于摩擦而带电,油滴进入上板中央小孔后落到匀强电场中,通过显微镜可以观察到油滴的运动情况。两金属板间的距离为d,忽略空气对油滴的浮力和阻力。
(1)调节两金属板间的电势差u,当u=U0时,使得某个质量为m1的油滴恰好做匀速运动,则该油滴所带电荷量q为多少?(2)若油滴进入电场时的速度可以忽略,当两金属板间的电势差u=U时,观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动,经过时间t运动到下极板,求此油滴所带电荷量Q。
【解析】(1)由平衡条件知 解得 (2)若Q为正电荷,根据牛顿第二定律有m2g+ =m2a,且d= at2,由以上两式解得 若Q为负电荷,根据牛顿第二定律有m2g- =m2a,又d= at2,由以上两式解得 答案:(1) (2)
【能力提升】（15分钟·40分）9.(7分)(多选)在α粒子散射实验中,如果两个具有相同能量的α粒子,从不同大小的角度散射出来,则散射角度大的α粒子( )A.更接近原子核B.更远离原子核C.受到一个以上的原子核作用D.受到原子核较大的冲量作用
【解析】选A、D。由于原子的体积远远大于原子核的体积,当α粒子穿越某一个原子的空间时,其他原子核距α粒子相对较远,而且其他原子核对α粒子的作用力也可以近似相互抵消,所以散射角度大的这个α粒子并不是由于受到多个原子核作用造成的,C错;由库仑定律可知,α粒子受到的斥力与距离的平方成反比,α粒子距原子核越近,斥力越大,运动状态改变越大,即散射角度越大,A对,B错;当α粒子受到原子核较大的冲量作用时,动量的变化量就大,即速度的变化量就大,则散射角度就大,D对。
10.(7分)在α粒子散射实验中,α粒子的偏转是由于受到原子内正电荷的库仑力作用而发生的,其中有极少数α粒子发生了大角度偏转,甚至被反向弹回。假定一个速度为v的高速α粒子 )与金原子核 )发生弹性正碰(碰撞前金原子核可认为是静止的),则( )A.α粒子在靠近金原子核的过程中电势能逐渐减小B.α粒子散射实验说明原子核是由质子和中子组成的C.α粒子散射实验说明带正电的物质均匀分布在原子内部D.当它们的距离最小时,α粒子与金原子核的动量大小之比为4∶197
【解析】选D。α粒子在靠近金原子核的过程中,库仑力做负功,电势能逐渐增加,选项A错误;α粒子散射实验是原子的核式结构理论的基础,并不能说明原子核是由质子和中子组成的,选项B错误;α粒子散射实验说明带正电的物质分布在原子内部很小的区域内,即原子的内部有一个很小的原子核,选项C错误;α粒子在靠近金原子核的过程中,系统动量守恒,当它们的距离最小时,两者的速度相等,则α粒子与金原子核的动量大小之比等于质量之比,即为4∶197,选项D正确。
11.(7分)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中实线所示。图中P、Q为轨迹上的点,虚线是过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该α粒子的作用,那么关于该原子核的位置,下列说法中正确的是( )A.可能在①区域 B.可能在②区域C.可能在③区域D.可能在④区域
【解析】选A。α粒子带正电,原子核也带正电,对靠近它的α粒子产生斥力,故原子核不会在④区域;如原子核在②、③区域,α粒子会向①区域偏;如原子核在①区域,可能会出现题图所示的轨迹,故应选A。
12.(19分)英国科学家汤姆孙以及他所带领的一批学者对原子结构的研究奠定了近代物理学的基石,其中他对阴极射线粒子比荷测定实验最为著名,装置如图1所示。某班的学生在实验室重做该实验,装置如图2所示,在玻璃管内的阴极K发射的射线被加速后,沿直线到达画有正方形方格的荧光屏上。在上下正对的平行金属极板上加上电压,在板间形成电场强度为E的匀强电场,射线向上偏转;再给玻璃管前后的励磁线圈加上适当的电压,在线圈之间形成磁感应强度为B的匀强磁场,射线沿直线运动,不发生偏转。之后再去掉平行板间的电压,射线向下偏转,经过屏上A点,如图3所示。(不计射线的重力,匀强电场、匀强磁场范围限定在刻度“1”和“7”所在的竖直直线之间,且射线由刻度“1”所在位置进入该区域)。求:
(1)求该射线进入场区域时的初速度v。(2)已知正方形方格边长为d,求该射线粒子的比荷 。(3)带电粒子在磁场中运动到A点的时间。
【解析】(1)射线被加速后在电场力和洛伦兹力共同作用下做匀速直线运动,根据二力平衡得:qE=qvB解得:射线被加速后的速度为
(2)去掉金属板间电压后,粒子不再受到电场力,只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,经过A点,则圆心为O点,半径为r,如图所示:则有(4d)2=r2-(r-2d)2解得:r=5d因为洛伦兹力提供向心力,则 联立解得:
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