資源簡介

3　原子的核式結(jié)構(gòu)模型
[學習目標]　
1.知道陰極射線的組成，體會電子發(fā)現(xiàn)過程中所蘊含的科學方法，知道電荷是量子化的。
2.了解α粒子散射實驗現(xiàn)象以及盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容(重難點)。
3.知道原子和原子核大小的數(shù)量級，知道原子核的電荷數(shù)。
一、電子的發(fā)現(xiàn)
科學家在研究稀薄氣體放電時發(fā)現(xiàn)，當玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時，陰極就發(fā)出一種射線。它能使對著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光，如何通過實驗判斷這種射線的本質(zhì)呢？
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1．陰極射線：________發(fā)出的一種射線。它能使對著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光。
2．湯姆孫的探究
根據(jù)陰極射線在電場和磁場中的________情況斷定，陰極射線的本質(zhì)是帶________(填“正電”或“負電”)的粒子流，并求出了這種粒子的比荷。組成陰極射線的粒子被稱為電子。
3．密立根實驗：電子電荷的精確測定是由密立根通過著名的“油滴實驗”做出的。目前公認的電子電荷e的值為e＝____________(保留兩位有效數(shù)字)。
4．電荷的量子化：任何帶電體的電荷只能是______________的整數(shù)倍。
5．電子的質(zhì)量me＝________ kg(保留兩位有效數(shù)字)，質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量的比值為＝________。
如圖所示為湯姆孫的氣體放電管。
(1)K、A部分起什么作用？
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(2)在金屬板D1、D2之間加上如圖所示的電場時，發(fā)現(xiàn)陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，說明它帶什么性質(zhì)的電荷？
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(3)在金屬板D1、D2之間單獨加哪個方向的磁場，可以讓陰極射線向上偏轉(zhuǎn)？
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(1)陰極射線實際上是高速運動的電子流。(　　)
(2)熒光屏上出現(xiàn)的淡淡熒光就是陰極射線。(　　)
(3)組成陰極射線的粒子是光電子。(　　)
(4)電子是原子的組成部分，電子電荷量可以取任意數(shù)值。(　　)
(5)電子的電荷量是湯姆孫首先精確測定的。(　　)
例1　湯姆孫通過對陰極射線的實驗研究發(fā)現(xiàn)(　　)
A．陰極射線在電場中偏向正極板一側(cè)
B．陰極射線在磁場中受力情況跟正電荷受力情況相同
C．不同材料所產(chǎn)生的陰極射線的比荷不同
D．湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，并精確測量了電子的電荷量
例2　湯姆孫測定電子比荷(電子的電荷量與質(zhì)量之比)的實驗裝置如圖所示。真空玻璃管內(nèi)，陰極K發(fā)出的電子經(jīng)加速后，穿過小孔A、C，沿中心軸線OP1以速度v進入兩塊水平正對放置的極板D1、D2間，射出后到達右端的熒光屏上形成光點。若極板D1、D2間無電壓，電子將打在熒光屏上的中心P1點。現(xiàn)在極板間加上豎直方向、電場強度大小為E的勻強電場后，電子向上偏轉(zhuǎn)；再在極板間施加一個方向垂直于紙面的勻強磁場(圖中未畫出)，電子在熒光屏上產(chǎn)生的光點又回到了P1點；接著去掉電場，電子向下偏轉(zhuǎn)，射出極板時偏轉(zhuǎn)角為θ。已知極板的長度為L，忽略電子的重力及電子間的相互作用。求：
(1)勻強磁場的磁感應強度大小；
(2)電子的比荷。
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帶電粒子的比荷常見的三種測量方法
1．利用磁偏轉(zhuǎn)測比荷：由qvB＝m得＝，只需知道磁感應強度B、帶電粒子的速度v和偏轉(zhuǎn)半徑R即可。
2．利用電偏轉(zhuǎn)測比荷：偏移量y＝at2＝·()2，故＝，所以在偏轉(zhuǎn)電場電壓U、d、L已知時，只需測量v和y即可。
3．利用加速電場測比荷：由動能定理qU＝mv2得＝，在加速電場電壓U已知時，只需測出v即可。
二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型
1.湯姆孫原子模型：湯姆孫于1898年提出了原子模型，他認為原子是一個________，__________彌漫性地____________在整個球體內(nèi)，電子________其中，有人形象地把湯姆孫模型稱為“西瓜模型”或“________模型”，如圖。
2．α粒子散射實驗：
(1)α粒子散射實驗裝置由α粒子源、______________、顯微鏡等幾部分組成，實驗時從α粒子源到熒光屏這段路程應處于________中。
(2)實驗現(xiàn)象
①____________α粒子穿過金箔后，基本上仍沿________的方向前進；
②________α粒子發(fā)生了________偏轉(zhuǎn)；極少數(shù)偏轉(zhuǎn)的角度甚至________，它們幾乎被“____________”。
(3)實驗意義：盧瑟福通過α粒子散射實驗，否定了湯姆孫的原子模型，建立了______________模型。
3．核式結(jié)構(gòu)模型：原子中帶______電部分的體積很小，但幾乎占有全部質(zhì)量，電子在正電體的外面運動。
1．按照J. J．湯姆孫的原子模型，正電荷均勻分布在整個原子球體內(nèi)。α粒子穿過金箔，受到電荷的作用力后，沿哪些方向前進的可能性較大，最不可能沿哪些方向前進？
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2．什么是α粒子？少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的原因是什么？
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例3　1909年，物理學家盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔，研究α粒子被散射的情況，其實驗裝置如圖所示。關(guān)于α粒子散射實驗，下列說法正確的是(　　)
A．大部分α粒子發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)
B．α粒子大角度散射是由于它跟電子發(fā)生了碰撞
C．α粒子散射實驗說明原子中有一個帶正電的核幾乎占有原子的全部質(zhì)量
D．α粒子散射實驗證明了湯姆孫的棗糕模型是正確的
例4　關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的認識歷程，下列說法正確的有(　　)
A．湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后猜想出原子內(nèi)的正電荷集中在很小的核內(nèi)
B．湯姆孫通過著名的“油滴實驗”精確測定了電子電荷
C．盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型能夠很好地解釋原子中帶正電部分的體積、質(zhì)量占比都很小
D．α粒子散射實驗中少數(shù)α粒子發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)是盧瑟福猜想原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要依據(jù)
例5　根據(jù)盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，下列說法正確的是(　　)
A．原子中的正電荷均勻分布在整個原子范圍內(nèi)
B．原子的質(zhì)量均勻分布在整個原子范圍內(nèi)
C．原子中的正電荷和質(zhì)量都均勻分布在整個原子范圍內(nèi)
D．原子中的正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在很小的區(qū)域范圍內(nèi)
三、原子核的電荷與尺度
1．原子核的電荷數(shù)：各種元素的原子核的電荷數(shù)，即原子內(nèi)的________數(shù)，非常接近它們的____________，這說明元素周期表中的各種元素是按原子中的________來排列的。
2．原子核的組成：原子核是由________和________組成的，原子核的電荷數(shù)就是核中的__________。
原子核的電荷數(shù)＝中性原子的電子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)。
3．原子核的大小：用核________描述核的大小。一般的原子核，實驗確定的核半徑的數(shù)量級為________ m，而整個原子半徑的數(shù)量級是________ m，兩者相差十萬倍之多。
例6　下列對原子及原子核的認識，正確的是(　　)
A．原子由原子核和核外電子組成
B．原子核帶有原子的全部正電荷和全部原子的質(zhì)量
C．原子核直徑的數(shù)量級為10－10 m
D．中性原子核外電子帶的負電荷之和小于原子核所帶的正電荷
3　原子的核式結(jié)構(gòu)模型
[學習目標]　1.知道陰極射線的組成，體會電子發(fā)現(xiàn)過程中所蘊含的科學方法，知道電荷是量子化的。2.了解α粒子散射實驗現(xiàn)象以及盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容(重難點)。3.知道原子和原子核大小的數(shù)量級，知道原子核的電荷數(shù)。
一、電子的發(fā)現(xiàn)
科學家在研究稀薄氣體放電時發(fā)現(xiàn)，當玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時，陰極就發(fā)出一種射線。它能使對著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光，如何通過實驗判斷這種射線的本質(zhì)呢？
答案　讓射線通過電場或磁場，根據(jù)射線在電場或磁場中的偏轉(zhuǎn)情況來判斷。
1．陰極射線：陰極發(fā)出的一種射線。它能使對著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光。
2．湯姆孫的探究
根據(jù)陰極射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況斷定，陰極射線的本質(zhì)是帶負電(填“正電”或“負電”)的粒子流，并求出了這種粒子的比荷。組成陰極射線的粒子被稱為電子。
3．密立根實驗：電子電荷的精確測定是由密立根通過著名的“油滴實驗”做出的。目前公認的電子電荷e的值為e＝1.6×10－19 C(保留兩位有效數(shù)字)。
4．電荷的量子化：任何帶電體的電荷只能是e的整數(shù)倍。
5．電子的質(zhì)量me＝9.1×10－31 kg(保留兩位有效數(shù)字)，質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量的比值為＝
1 836。
如圖所示為湯姆孫的氣體放電管。
(1)K、A部分起什么作用？
(2)在金屬板D1、D2之間加上如圖所示的電場時，發(fā)現(xiàn)陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，說明它帶什么性質(zhì)的電荷？
(3)在金屬板D1、D2之間單獨加哪個方向的磁場，可以讓陰極射線向上偏轉(zhuǎn)？
答案　(1)K、A部分產(chǎn)生陰極射線。
(2)陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，與電場線方向相反，說明陰極射線帶負電。
(3)由左手定則可得，在金屬板D1、D2之間單獨加垂直紙面向外的磁場，可以讓陰極射線向上偏轉(zhuǎn)。
(1)陰極射線實際上是高速運動的電子流。(　√　)
(2)熒光屏上出現(xiàn)的淡淡熒光就是陰極射線。(　×　)
(3)組成陰極射線的粒子是光電子。(　×　)
(4)電子是原子的組成部分，電子電荷量可以取任意數(shù)值。(　×　)
(5)電子的電荷量是湯姆孫首先精確測定的。(　×　)
例1　湯姆孫通過對陰極射線的實驗研究發(fā)現(xiàn)(　　)
A．陰極射線在電場中偏向正極板一側(cè)
B．陰極射線在磁場中受力情況跟正電荷受力情況相同
C．不同材料所產(chǎn)生的陰極射線的比荷不同
D．湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，并精確測量了電子的電荷量
答案　A
解析　陰極射線實質(zhì)上就是高速電子流，所以在電場中偏向正極板一側(cè)，A正確；由于電子帶負電，所以其在磁場中受力情況與正電荷不同，B錯誤；不同材料所產(chǎn)生的陰極射線都是電子流，所以它們的比荷是相同的，C錯誤；在湯姆孫實驗證實陰極射線就是帶負電的電子流時，并未得出電子的電荷量，最早精確測出電子電荷量的是密立根，D錯誤。
例2　湯姆孫測定電子比荷(電子的電荷量與質(zhì)量之比)的實驗裝置如圖所示。真空玻璃管內(nèi)，陰極K發(fā)出的電子經(jīng)加速后，穿過小孔A、C，沿中心軸線OP1以速度v進入兩塊水平正對放置的極板D1、D2間，射出后到達右端的熒光屏上形成光點。若極板D1、D2間無電壓，電子將打在熒光屏上的中心P1點。現(xiàn)在極板間加上豎直方向、電場強度大小為E的勻強電場后，電子向上偏轉(zhuǎn)；再在極板間施加一個方向垂直于紙面的勻強磁場(圖中未畫出)，電子在熒光屏上產(chǎn)生的光點又回到了P1點；接著去掉電場，電子向下偏轉(zhuǎn)，射出極板時偏轉(zhuǎn)角為θ。已知極板的長度為L，忽略電子的重力及電子間的相互作用。求：
(1)勻強磁場的磁感應強度大小；
(2)電子的比荷。
答案　(1)　(2)sin θ
解析　(1)電子以速度v進入復合場，當電子在靜電力和洛倫茲力共同作用下做勻速直線運動時，電子將打在P1點，電子受力平衡則有eE＝evB，
解得勻強磁場的磁感應強度B＝
(2)撤去電場后，電子僅在磁場中向下偏轉(zhuǎn)，由洛倫茲力提供向心力有evB＝
由幾何關(guān)系知L＝rsin θ，
可得＝sin θ。
帶電粒子的比荷常見的三種測量方法
1．利用磁偏轉(zhuǎn)測比荷：由qvB＝m得＝，只需知道磁感應強度B、帶電粒子的速度v和偏轉(zhuǎn)半徑R即可。
2．利用電偏轉(zhuǎn)測比荷：偏移量y＝at2＝·()2，故＝，所以在偏轉(zhuǎn)電場電壓U、d、L已知時，只需測量v和y即可。
3．利用加速電場測比荷：由動能定理qU＝mv2得＝，在加速電場電壓U已知時，只需測出v即可。
二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型
1.湯姆孫原子模型：湯姆孫于1898年提出了原子模型，他認為原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內(nèi)，電子鑲嵌其中，有人形象地把湯姆孫模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”，如圖。
2．α粒子散射實驗：
(1)α粒子散射實驗裝置由α粒子源、金箔、顯微鏡等幾部分組成，實驗時從α粒子源到熒光屏這段路程應處于真空中。
(2)實驗現(xiàn)象
①絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進；
②少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)；極少數(shù)偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°，它們幾乎被“撞了回來”。
(3)實驗意義：盧瑟福通過α粒子散射實驗，否定了湯姆孫的原子模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型。
3．核式結(jié)構(gòu)模型：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質(zhì)量，電子在正電體的外面運動。
1．按照J. J．湯姆孫的原子模型，正電荷均勻分布在整個原子球體內(nèi)。α粒子穿過金箔，受到電荷的作用力后，沿哪些方向前進的可能性較大，最不可能沿哪些方向前進？
答案　α粒子受到的各方向正電荷的斥力基本會相互平衡，因此α粒子沿直線運動的可能性最大，最不可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。
2．什么是α粒子？少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的原因是什么？
答案　α粒子(He)是氦原子核。質(zhì)量是電子質(zhì)量的7 300倍。α粒子帶正電，α粒子受原子中帶正電的占原子質(zhì)量絕大部分的原子核的排斥力發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)。
例3　1909年，物理學家盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔，研究α粒子被散射的情況，其實驗裝置如圖所示。關(guān)于α粒子散射實驗，下列說法正確的是(　　)
A．大部分α粒子發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)
B．α粒子大角度散射是由于它跟電子發(fā)生了碰撞
C．α粒子散射實驗說明原子中有一個帶正電的核幾乎占有原子的全部質(zhì)量
D．α粒子散射實驗證明了湯姆孫的棗糕模型是正確的
答案　C
解析　當α粒子穿過原子時，電子對α粒子影響很小，影響α粒子運動的主要是原子核，離核遠則α粒子受到的庫侖斥力很小，運動方向改變小。只有當α粒子與核十分接近時，才會受到很大庫侖斥力，而原子核很小，所以α粒子接近它的機會就很少，所以只有極少數(shù)α粒子有大角度的偏轉(zhuǎn)，而絕大多數(shù)基本按直線方向前進，故A錯誤；α粒子大角度散射是由于它受到原子核庫侖斥力的作用，而不是與電子發(fā)生碰撞，故B錯誤；從絕大多數(shù)α粒子幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可以推測使粒子受到排斥力的核體積極小，實驗表明原子中心的核帶有原子的全部正電，和幾乎全部質(zhì)量，故C正確；α粒子散射實驗證明了湯姆孫的棗糕模型是錯誤的，故D錯誤。
例4　關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的認識歷程，下列說法正確的有(　　)
A．湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后猜想出原子內(nèi)的正電荷集中在很小的核內(nèi)
B．湯姆孫通過著名的“油滴實驗”精確測定了電子電荷
C．盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型能夠很好地解釋原子中帶正電部分的體積、質(zhì)量占比都很小
D．α粒子散射實驗中少數(shù)α粒子發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)是盧瑟福猜想原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要依據(jù)
答案　D
解析　湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后猜想出原子核內(nèi)的正電荷是均勻分布的，故A錯誤；密立根通過著名的油滴實驗精確測定了電子電荷，故B錯誤；盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型，能夠很好地解釋原子中帶正電部分的體積很小，質(zhì)量占比很大，故C錯誤；α粒子散射實驗中少數(shù)α粒子發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)是盧瑟福猜想原子的核式結(jié)構(gòu)模型的主要依據(jù)，故D正確。
例5　根據(jù)盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，下列說法正確的是(　　)
A．原子中的正電荷均勻分布在整個原子范圍內(nèi)
B．原子的質(zhì)量均勻分布在整個原子范圍內(nèi)
C．原子中的正電荷和質(zhì)量都均勻分布在整個原子范圍內(nèi)
D．原子中的正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在很小的區(qū)域范圍內(nèi)
答案　D
解析　為了解釋α粒子散射實驗，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里。故選D。
三、原子核的電荷與尺度
1．原子核的電荷數(shù)：各種元素的原子核的電荷數(shù)，即原子內(nèi)的電子數(shù)，非常接近它們的原子序數(shù)，這說明元素周期表中的各種元素是按原子中的電子數(shù)來排列的。
2．原子核的組成：原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)就是核中的質(zhì)子數(shù)。
原子核的電荷數(shù)＝中性原子的電子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)。
3．原子核的大小：用核半徑描述核的大小。一般的原子核，實驗確定的核半徑的數(shù)量級為10－15 m，而整個原子半徑的數(shù)量級是10－10 m，兩者相差十萬倍之多。
例6　下列對原子及原子核的認識，正確的是(　　)
A．原子由原子核和核外電子組成
B．原子核帶有原子的全部正電荷和全部原子的質(zhì)量
C．原子核直徑的數(shù)量級為10－10 m
D．中性原子核外電子帶的負電荷之和小于原子核所帶的正電荷
答案　A
解析　原子由原子核和核外電子組成，A正確；原子核的質(zhì)量與電子的質(zhì)量和就是原子的質(zhì)量，B錯誤；原子直徑的數(shù)量級是10－10 m，原子核是原子內(nèi)很小的核，直徑數(shù)量級為10－15 m，C錯誤；中性原子電子電荷量之和與原子核所帶正電荷之和相等，D錯誤。

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