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3　原子的核式结构模型
学习任务一　电子的发现
[教材链接] 阅读教材“电子的发现”相关内容,完成下列填空:
(1)1897年,汤姆孙根据阴极射线在　　　　和　　　　中的偏转情况断定,它的本质是　　　　　的粒子流,并求出了这种粒子的　　　　.组成阴极射线的粒子被称为　　　　.
(2)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e的值为　　　　　　(保留两位有效数字).
(3)电荷的量子化:任何带电体的电荷只能是　　　的整数倍.
(4)从实验测到的比荷及e的数值,可以确定电子的质量为9.1×10-31 kg;质子质量与电子质量的比值为=　　　　.
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
[反思感悟]


例2 [2024·北京四中月考] 汤姆孙测定电子比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示.真空玻璃管内,阴极K发出的电子经加速后,穿过小孔A、B沿中心轴线进入到两块水平正对放置的极板D1、D2间的区域,射出后到达右端的荧光屏上形成光点.若极板D1、D2间无电压,电子将打在荧光屏上的中心P1点;若在极板间施加偏转电压U,则电子将打P2点.若再在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(图中未画出),则电子在荧光屏上产生的光点又回到P1点.若极板D1、D2间的距离为d.
(1)求电子进入极板D1、D2区域时速度的大小;
(2)去掉D1、D2间的电压,只保留磁场.由于磁场方向与射线运动方向垂直,阴极射线在D1、D2之间有磁场的区域会形成一个半径为r的圆弧,使得阴极射线落在屏的P3点.请你推导出电子的比荷的表达式.
【要点总结】
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、带电粒子的速度v和偏转半径R即可.
2.利用电偏转测比荷:偏移量y=at2=··2,故=,所以在偏转电场电压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=,在加速电场电压U已知时,只需测出v即可.
学习任务二　原子的核式结构模型
[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.
例3 (多选)[2024·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
[反思感悟]

变式1 如图所示是卢瑟福为解释α粒子散射实验而提出的情境.占金原子质量绝大部分的原子核集中在很小的空间范围,曲线表示α粒子的运动轨迹.下列说法正确的是 (　)
A.越接近原子核的α粒子发生散射时的偏转角越小
B.电子质量约为α粒子质量的,因此电子对α粒子速度的影响可以忽略
C.由该实验可以得出α粒子与金原子核一定带异种电荷
D.若实验中换用轻金属箔片,发生大角度偏转的α粒子将会增多
【要点总结】
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.
学习任务三　原子核的电荷与尺度
[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　　　　　.
例4 下列对原子及原子核的认识,正确的是 (　)
A.原子由原子核和核外电子组成
B.原子核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量
C.原子核直径的数量级为10-10 m
D.中性原子核外电子带的负电荷之和小于原子核所带的正电荷
[反思感悟]


【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.
　　　　　　　　　　　　　　　
1.(电子的发现)(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
2.(原子的核式结构模型)[2024·浙江杭州二中月考] 关于α粒子散射实验,下列说法正确的是 (　)
A.卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的“西瓜模型”
B.使α粒子发生明显偏转的力是来自带正电的核及核外电子,当α粒子接近核时是核的斥力使α粒子偏转,当α粒子接近电子时是电子的吸引力使之偏转
C.实验表明:原子中心有一个极小的核,它占有原子体积的极小部分
D.实验表明:原子中心的核带有原子的全部正电荷和原子的全部质量
3.(原子的核式结构模型)(多选)卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有 (　)
A.原子的中心有个核,叫原子核
B.原子的正电荷均匀分布在整个原子中
C.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内
D.带负电的电子在核外运动
4.(α粒子散射实验)(多选)研究α粒子散射的实验装置如图所示,关于α粒子散射实验,下列说法正确的是 (　)
A.绝大多数α粒子沿直线穿过,偏转角很小,说明原子内部大部分是中空的
B.少数α粒子穿过金箔后发生较大角度的偏转是由于其与电子发生了碰撞
C.极少数α粒子被弹回,说明原子中心是一个体积小、带正电且占有几乎原子全部质量的核
D.在α粒子散射实验中,当α粒子最接近原子核时,电势能最小
3　原子的核式结构模型
[教材链接] (1)电场　磁场　带负电　比荷　电子　(2)1.6×10-19 C　(3)e　(4)1836
例1　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.
例2　(1)　(2)
[解析] (1)电子在极板D1、D2间电场力与洛伦兹力的作用下沿中心轴线运动,即受力平衡,设电子进入极板间时的速度为v,根据受力平衡可得evB=eE
又E=
联立解得v=
(2)去掉D1、D2间的电压,只保留磁场,电子在磁场中做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力可得evB=m
又v=
联立解得电子的比荷为=
[教材链接] (1)均匀　枣糕　α粒子散射　(2)原子核　质量　核外
例3　BC　[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.
变式1　B　[解析] 越接近原子核的α粒子受到的库仑斥力越大,发生散射时的偏转角越大,A错误;电子质量约为α粒子质量的,因此电子对α粒子速度的影响可以忽略,B正确;由该实验可以得出α粒子与金原子核一定带同种电荷,C错误;若实验中换用轻金属箔片,发生大角度偏转的α粒子将会减少,D错误.
[教材链接] (1)半径　10-10 m　10-15 m　(2)电荷数　电子数　原子序数　电子数　(3)质子　中子　质子数
例4　A　[解析] 原子由原子核和核外电子组成,故A正确;原子核的质量与电子的质量和就是原子的质量,故B错误;原子直径的数量级是10-10 m,原子核是原子内很小的核,直径数量级为10-15 m,C错误;中性原子的电子电荷量之和与原子核所带正电荷相等,D错误.
随堂巩固
1.BCD　[解析] 发现电子时,人们对原子的结构仍然不清楚,但它使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.C　[解析] 卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型,故A错误;使α粒子发生偏转的力是来自带正电的核的库仑斥力,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库仑斥力的核体积极小,所以带正电的物质只占整个原子的很小空间,故C正确;原子中心的核带有原子的全部正电荷和几乎原子的全部质量,故D错误.
3.ACD　[解析] 卢瑟福原子核式结构理论的主要内容是: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内,带负电的电子在核外运动,由此可见,选项B错误,A、C、D正确.
4.AC　[解析] 绝大多数α粒子沿直线穿过,偏转角很小,说明原子内部大部分是中空的,极少数α粒子被弹回,说明原子中心是一个体积小、带正电且几乎占有原子全部质量的核,A、C正确;少数α粒子穿过金箔后发生较大角度的偏转是由于α粒子受到金原子核的斥力作用较大,而非与电子发生了碰撞,B错误;在α粒子散射实验中,当α粒子接近原子核时,电场力对α粒子做负功,电势能增加,因此α粒子最接近原子核时,电势能最大,D错误.

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