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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，这种射线的本质是什么呢？
这种射线称为阴极射线（cathode ray）。对这种射线本质的认识有两种观点：一种观点认为，它是一种电磁辐射；另一种观点认为，它是带电微粒。如何用实验判断哪一种观点正确呢？
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第3节 原子的核式结构模型
英国物理学家J. J. 汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流
1、汤姆孙实验装置及实验原理
阴极
⑵阴极射线通过A、B形成一束细细射线。
⑶D1、D2之间加电场（或磁场）检测射线的带电性质。
荧光屏
⑴阴极射线的产生机理：管中残存气体分子中的正负电荷在强电场的作用下被“拉开”（即气体分子被电离），正电荷（即正离子）在电场加速下撞击阴极，于是阴极释放更多粒子流，形成了阴极射线。
阳极
缝隙
金属板
一.电子的发现
学习任务一 阴极射线与电子的发现
2、测定粒子的比荷
⑴应用带电粒子在恒定电场中的偏转求比荷（电偏转）
①两极板C、D间无电场和磁场时，粒子将打在荧光屏上的O点。
③在两极板间施加一个方向垂直于纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场，则粒子在荧光屏上产生的光点又回到O点。
②在极板间施加电压U（上正下负），离开极板区域的粒子将打在荧光屏上的P点
2、测定粒子的比荷
⑵应用带电粒子在恒定磁场中的偏转求比荷（磁偏转）
①两极板C、D间无电场和磁场时，粒子将打在荧光屏上的O点。
②在两极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场，则离开极板区域的粒子将打在荧光屏上的P点。
③再在极板间施加电压U（下正上负）则粒子在荧光屏上产生的光点又回到O点。
3、汤姆孙发现电子
⑴阴极射线的本质是带负电的粒子流。
⑵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。
⑶阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子一样，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
电子的发现是物理学史上的重要事件。人们由此认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构。
第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理学家密立根利用油滴实验测量出的。
电子的质量m=9.1094×10－31 kg
电子的电荷量e=1.6022×10－19 C
密立根实验发现：电荷具有量子化的特征，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
密立根 (美国)
4.密立根测电子电量
例1 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.汤姆孙直接精确测得了阴极射线粒子的电荷量
学习任务一
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;
汤姆孙并没有直接精确测得阴极射线粒子的电荷量,D错误.
变式1 关于阴极射线,下列说法正确的是 (　)
A.阴极射线是真空管内由负极放出的质子流
B.阴极射线是在真空管内由正极放出的电子流
C.阴极射线管中的高电压是为了使电子加速
D.阴极射线管中的高电压是为了使电子偏转,使实验现象更明显
学习任务一
C
[解析]阴极射线是在真空管内由负极放出的高速电子流,A、B错误;
阴极射线管中的高电压是为了使电子加速,C正确,D错误.
变式2 [2023·大连二十四中月考] 图为汤姆孙用来测定电子比荷的装置.当极板P和P'间不加偏转电压时,电子束打在荧光屏的中心O点处,形成一个亮点;加上偏转电压U后,亮点偏离到O'点,O'点到O点的竖直距离为d,水平距离可忽略不计.此时在P与P'之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场,调节磁感应强度,当其大小为B时,亮点重新回到O点.已知极板水平方向长度为L1,极板间距为b,极板右端到荧光屏的距离为L2.
(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小;
学习任务一
[答案] 　
[解析] 设电子的速度为v,则有evB=eE
所以v==.
【要点总结】
学习任务一
1.对阴极射线本质的认识
观点 代表人物 对阴极射线本质的认识
电磁波说 赫兹 认为阴极射线是一种电磁辐射
粒子说 汤姆孙 认为阴极射线是一种带电微粒
2.阴极射线带电性质的判断
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
在阴极射线所经区域加上磁场 通过打在荧光屏上亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质
实验结果:根据阴极射线在电场或磁场中的偏转,可以判断出阴极射线是一种带负电的粒子流 [教材链接]阅读教材“原子的核式结构模型”相关内容,完成下列填空:
(1)如图所示为汤姆孙1898年提出的原子模型:他认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地　　　　分布在整个球体内,电子镶嵌其中.汤姆孙模型被称为“西瓜模型”或“　　　　模型”.该模型能够解释一些实验现象,后来被　　　　　　　实验否定了.
(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,
叫作　　　　　,原子的全部正电荷和几乎全部的　　　　都
集中在原子核里,带负电的电子在　　　　空间运动.
学习任务二 原子的核式结构模型
学习任务二
均匀　
枣糕　
α粒子散射　
核外
原子核
　质量　
α粒子是从放射性物质（如铀和镭）中发射出来的快速运动的粒子，质量为氢原子质量的4 倍、电子质量的7300倍。
⑴α粒子
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粒子散射实验的研究时，所用仪器的示意图。
1.α粒子散射实验
⑵实验原理和实验装置
③M显微镜带有光屏S，可以在水平而内转到不同的方向对散射的α粒子进行观察。
①R是被铅块包围的α粒子源
②F是金箔：接收α粒子的轰击
当α粒子打到金箔时，发生了α粒子的散射。统计散射到各个方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况。
为什么用金？
金的延展性好，
核电荷量大，
核质量大。
1.α粒子射入金箔时难免与电子碰撞。试估计这种碰撞对α粒子速度影响的大小。
2.按照J. J.汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内。请分析：α粒子穿过金箔，受到电荷的作用力后，沿哪些方向前进的可能性较大，最不可能沿哪些方向前进。
α粒子的质量大约是电子质量的7300倍，α粒子与电子碰撞时，对α粒子速度影响的很小，碰撞前后，质量大的α粒子速度几乎不变。只可能是电子的速度发生大的改变，因此不可能出现α粒子反弹现象，即使是非对心碰撞，也不会有大角度散射。
按照J. J.汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内，由于受库仑斥力的作用，α粒子穿过原子时，受到的各个方向正电荷的斥力基本会相互平衡，因此对α粒子运动的影响不会很大。大部分α粒子会有小角度偏转，但不可能有大角度偏转。
思考与讨论
2.α粒子散射实验现象
①绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进。
③极少数偏转的角度甚至大于90°，也就是说，它们几乎被“撞了回来”。
②少数α粒子（约占 ）发生了大角度偏转，
3.对α粒子散射实验的解释
①J. J.汤姆孙的模型无法解释大角度散射的实验结果。
②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。
⑴大角度的偏转不可能是电子造成的
⑵α粒子偏转主要是具有原子的大部分质量的带正电部分造成的
因为电子的质量只有α粒子的 ，它对α粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可以忽略。
4.卢瑟福核式结构模型
⑶带负电的电子在核外空间绕着核旋转做圆周运动
⑴在原子的中心有一个体积很小、带正电荷的核，叫做原子核
⑵原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
例2 如图所示为卢瑟福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 (　)
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粒子撞击到金原子后产生的反弹
学习任务二
C
学习任务二
[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粒子有大角度散射.所以A处观察到的闪光次数多,B处观察到的闪光次数少,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,选用不同重金属箔作为α粒子散射的靶,观察到的实验结果基本相似,选项D错误,C正确.
变式3 (多选)[2023·天津一中月考] α粒子散射实验是近代物理学中经典的实验之一,卢瑟福通过该实验证实了原子的核式结构模型,其实验装置如图所示.下列说法正确的是 ( 　)
A.荧光屏在B位置的亮斑比A位置多
B.该实验说明原子的正电荷和绝大部分
质量集中在一个很小的核上
C.荧光屏在C位置的亮斑比A、B位置少
D.该实验说明原子质量均匀地分布在原子内
学习任务二
BC
学习任务二
[解析]根据α粒子散射实验现象,大多数粒子通过金箔后运动方向不变,少数粒子运动方向发生改变,极少数偏转超过90°,甚至有的被反向弹回,可知荧光屏在B位置的亮斑比A位置少,荧光屏在C位置的亮斑比A、B位置少,选项A错误,C正确;
该实验说明原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上,而不是原子质量均匀地分布在原子内,选项B正确,D错误.
【要点总结】
学习任务二
1.实验过程:α粒子从铅盒射出,形成细射线打在金箔上,被散射的α粒子打在荧光屏上产生闪光,用可转动的显微镜从不同角度进行观察.
2.现象及解释
(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进.大多数α粒子离金原子核较远.
(2)少数α粒子发生较大的偏转.发生较大偏转的α粒子是由于离金原子核较近,库仑斥力较大.
(3)极少数α粒子偏转角度超过90°,有的几乎达到180°.正对或基本正对着金原子核入射的α粒子在库仑斥力作用下先减速至较小速度然后加速远离金原子核.
3.实验意义:否定了汤姆孙的原子结构模型,提出了原子的核式结构模型.
[教材链接]阅读教材“原子核的电荷与尺度”相关内容,完成下列填空:
(1)原子核的大小:原子核的质量几乎集中了原子的全部质量,但它的　　　　却非常小,原子半径的数量级是　　　　　,而原子核半径的数量级是　　　　　,两者相差十万倍之多.
(2)原子核的电荷:各种元素的原子核的　　　　　,即原子内的　　　　　,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
　　　　　来排列的.
(3)原子核的组成:原子核是由　　　　和　　　　组成的,原子核的电荷数就是核中的　　　　　.
学习任务三 原子核的电荷与尺度
学习任务三
质子数
半径　
10-10 m　
10-15 m　
电荷数　
电子数　
原子序数　
电子数　
质子　
中子　
例3 [2023·徐州一中期末] 1909年,英国物理学家卢瑟福和他的助手盖革、马斯顿一起进行了著名的“α粒子散射实验”,实验中大量的粒子穿过金箔前后的运动图景如图所示.卢瑟福通过对实验结果的分析和研究,于1911年建立了他自己的原子结构模型.下列关于α粒子散射实验的描述中,正确的是 (　)
A.绝大多数α粒子穿过金箔后,都发生了大角度偏转
B.少数α粒子穿过金箔后,基本上沿原来方向前进
C.通过α粒子散射实验,确定了原子核半径的数量级为10-15 m
D.通过α粒子散射实验,确定了原子半径的数量级为10-15 m
学习任务三
[解析] 绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上沿原来方向前进,少数α粒子穿过金箔后,发生大角度偏转,A、B错误;
通过α粒子散射实验卢瑟福确定了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,不是通过α粒子散射实验确定的,D错误,C正确.
C
【要点总结】
1.原子核中的质子数、原子核的电荷数、元素的原子序数都相等.
2.核外电子数等于核内质子数,仅限于呈电中性的原子,对于带电离子,核外电子数和核内质子数不相等.
学习任务三
汤姆孙发现电子
密立根油滴
电子的发现
原子的核式结构模型
卢瑟福α粒子散射实验
原子核式结构模型特点
原子核的电荷与尺度
电子的电性
电子的比荷
测出电子电量：e=1.602×10-19C
原子核的电荷数就是核中的质子数。
原子核半径的数量级为10-15 m
课堂小结
课后习题
1.加在阴极射线管内两个电极之间的电压为4×103V，如果电子离开阴极表面时的速度为0，试求电子到达阳极时的速度。
课后习题
2.一个半径为1.6×10-4cm的带负电的油滴，在电场强度为1.92V/m、方向竖直向下的匀强电场中，如果油滴受到的库仑力恰好与重力平衡，问：这个油滴带有几个电子的电荷？已知油的密度为0.851×103kg/m3。
课后习题
3.一种测定电子比荷的实验装置如图4.3-5所示。真空玻璃管内阴极K发出的电子经阳极A与阴极K之间的高压加速后，形成一细束电子流，以平行于平板电容器极板的速度进入两极板C、D间的区域，若两极板C、D间无电压，电子将打在荧光屏上的O点，若在两极板间施加电压U，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P点；若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场，则电子在荧光屏上产生的光点又回到O点。已知极板的长度为5.00cm，C、D间的距离为1.50cm，极板区的中点M到荧光屏中点O的距离为12.50cm，电压U为200V，磁感应强度B为6.3×10-4T，P点到O点的距离y为3.00cm。试求电子的比荷。
课后习题
4.卢瑟福提出的原子结构的模型是怎样的？他提出这种模型的依据是什么？
4.卢瑟福的原子核式结构模型是：在原子的中间有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中于原子核，带负电的电子在核外空间里绕核旋转。
卢瑟福提出原子核式结构的依据是α粒子散射实验。α粒子穿过原子时，电子对它的运动影响很小，影响粒子运动的主体是原子核。α粒子进入原子区域后，由于原子核很小，大部分α粒子离核较远，受到的库仑力很小，运动方向几乎不变。极少数α粒子距核较近，因此受到很强的库仑力，发生大角度散射。
课后习题
5.按照原子的核式结构模型的比例，假如原子核有绿豆那么大，那么整个原子有多大？
5.如果假设原子核像绿豆那么大，则整个原子就相当于直径为300 m的球体。
提示：原子大小的数量级是10-10m,原子核大小的数量级是10-15m,两者相差10万倍。如果假设原子核像绿豆那么大，绿豆可看作直径约为0.003m的球体，则整个原子就相当于直径为300 m的球体。
课后习题
6.α粒子散射实验用的是金箔等重金属箔，而没有用轻金属箔，例如铝箔。除了金的延展性好，可以把金箔做得非常薄这个原因以外，你认为还有什么原因？
6.被打金属箔的原子量越大，出现大角度散射现象越明显。金原子的质量比α粒子质量大得多，且几乎全部集中在金原子核内。当α粒子穿过重金属箔金原子区域，靠近金原子核时，其作用力对α粒子运动方向影响很大，出现大角度散射现象较明显，比使用轻金属箔(如铝箔)的实验效果更好。

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