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(共49张PPT)
3　原子的核式结构模型
「定位·学习目标」
1.阅读教材,知道阴极射线及本质,知道电子是构成各种物质的共有成分,知道原子的核式结构模型及原子核的电荷与尺度,形成物理观念。
2.通过观察α粒子散射实验过程,培养观察能力,感悟以实验为基础的科学探究方法,培养科学思维和科学探究精神。
3.通过了解电子发现的过程以及原子核式结构的建立过程,知道科学的发展是若干科学家前赴后继、不懈努力的结果,培养科学态度。
探究·必备知识
1.阴极射线
研究稀薄气体放电时,当玻璃管中的气体足够稀薄时,阴极发出的一种 。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。
2.汤姆孙的探究
(1)方法:由气体放电管阴极发出的带电粒子通过两狭缝形成一束细细的射线,穿过两平行金属板之间的空间,到达带有标尺的荧光屏上。
「探究新知」
知识点一　电子的发现
射线
(2)结论:根据阴极射线在电场和磁场中的 情况断定,阴极射线的本质是带负电的 ,并求出了这种粒子的比荷,证明其电荷量的大小与氢离子大致相同,质量比氢离子小得多,它是构成各种物质的共有成分。组成阴极射线的粒子被称为电子。
3.密立根实验
(1)电子电荷量: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= (结果保留2位有效数字)。
(2)电荷的量子化:任何带电体的电荷只能是e的 倍。
偏转
粒子流
1.6×10-19C
整数
9.1×10-31
1 836
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(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是一种电磁辐射。(　 　)
(2)汤姆孙用不同材料的阴极做实验所得阴极射线粒子的比荷数值都相同。(　 　)
(3)电子是原子的组成部分,电子电荷量可以取任意数值。
(　 　)
(4)电子的电荷量是汤姆孙首先精确测定的。(　 　)
「新知检测」
×
√
×
×
1.汤姆孙原子模型:原子是一个 ,正电荷弥漫性地
在整个球体内, 镶嵌其中。有人形象地称为“ 模型”或“枣糕模型”。
2.α粒子散射实验
(1)实验装置:α粒子源、 、 和显微镜。
(2)实验方法:α粒子源发射的α粒子形成一束射线,打在金箔上,使显微镜在水平面内转到 对散射的α粒子进行观察。
「探究新知」
知识点二　原子的核式结构模型
球体
均匀分布
电子
西瓜
金箔
荧光屏
不同方向
(3)实验现象。
①绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿 前进。
原来的方向
③极少数α粒子偏转的角度甚至大于 ,也就是说,它们几乎被“ ”。
(4)实验意义:否定了汤姆孙的原子模型,建立了 模型。
大角度
90°
撞了回来
核式结构
3.核式结构模型
(1)内容:1911年,卢瑟福提出了核式结构模型。原子中带 电部分的体积很小,但几乎占有全部 , 在正电体的外面运动。正电体的尺度是很小的,称为 。
(2)对α粒子散射实验结果的解释:当α粒子接近原子时, 对它的影响可以忽略。但是,正电体(原子核)很小,当α粒子进入原子区域后, 离正电体(原子核)很远,受到的库仑斥力很小,运动 几乎不改变。只有 α粒子在穿过时距离正电体(原子核)很近,因此受到很强的库仑斥力,发生 散射。
正
质量
电子
原子核
电子
大部分
方向
极少数
大角度
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)汤姆孙的原子模型无法解释α粒子散射实验的现象。(　 　)
(2)α粒子散射实验中,大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹。
(　 　)
(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)α粒子散射实验证实了电子在原子核外运动。(　 　)
「新知检测」
√
×
√
×
1.原子内的电荷
由α粒子散射实验数据可以确定不同元素原子核的电荷量。原子是电中性的,可以推算出原子内的电子数,且非常接近它们的
,这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的
来排列的。
「探究新知」
知识点三　原子核的电荷与尺度
原子序数
电子数
2.原子的组成
原子由带电荷 的核与核外Z个电子组成。原子序数Z等于核电荷与 的比值。
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
。
4.原子核的大小
通常用 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 m,而整个原子半径的数量级是 m,两者相差十万倍之多。
+Ze
电子电荷大小
质子
中子
质子数
核半径
10-15
10-10
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)原子核的电荷数等于核中的中子数。(　 　)
(2)原子中所有正电荷都集中在原子核内。(　 　)
(3)对于一般的原子,由于原子核很小,所以内部十分空旷。
(　 　)
(4)原子核的电荷量与电子电荷量大小的比值等于原子的质量数。
(　 　)
「新知检测」
×
√
√
×
突破·关键能力
要点一　对阴极射线的探究
「情境探究」
如图所示为汤姆孙的气体放电管示意图。
探究:(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
答案:(1)阴极射线向下偏转,静电力与电场线方向相反,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
答案:(2)由左手定则可得,在金属板D1、D2之间单独加垂直于纸面向外的磁场,可以让阴极射线向上偏转。
「要点归纳」
1.阴极射线带电性质的判断方法
(1)如图所示,在阴极射线所经区域加上电场,根据打在荧光屏上的亮点位置变化和电场的情况确定阴极射线带电性质。
若带电粒子沿电场线方向偏转时,粒子带正电;逆着电场线方向偏转时,粒子带负电。
(2)在阴极射线所经区域加一磁场,根据打在荧光屏上的亮点位置变化和左手定则确定阴极射线带电性质。
如果粒子按图示方向进入磁场,且做顺时针方向偏转,则粒子带正电;如做逆时针方向偏转,则粒子带负电。
2.电子比荷(或电荷量)的测定方法
(1)如图所示,让某一速率的电子通过正交的电磁场,调节场的强弱,让其做直线运动,即有Bqv=qE,可得电子的运动速度
也可以撤去磁场,让电子在电场中运动,利用电子在电场中做类平抛运动规律确定比荷。
3.电子发现的意义
(1)电子发现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)电子发现后知道各种物质里都有电子,而且电子是原子的组成部分,说明原子是可再分的。
「典例研习」
[例1] [电子的发现] 如图所示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;
(2) 推导出电子比荷的表达式。
规律方法
测量带电粒子比荷的三种常见方法
要点二　对α粒子散射实验的理解
「情境探究」
如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景。
探究:(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
答案:(1)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
答案:(2)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。
「要点归纳」
1.α粒子散射实验现象的分析
(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,是因为大多数α粒子离金原子核较远。
(2)少数发生较大偏转的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°,即为正对或基本正对着金原子核入射的α粒子。
(4)“极少数”偏转角度大于90°,说明原子核在原子内占有非常小的空间。
2.α粒子的受力及能量转化情况
(1)α粒子的受力情况:α粒子与原子核间的作用力是库仑斥力
α粒子离原子核越近,库仑斥力越大,运动加速度越大;反之,则越小。
(2)α粒子的能量转化情况:当α粒子靠近原子核时,库仑斥力做负
功,电势能增加;当α粒子远离原子核时,库仑斥力做正功,电势能
减少。
(3)库仑斥力做功的结果使电势能和动能之间相互转化,总能量保持不变。
「典例研习」
[例2] [α粒子散射实验] 关于α粒子散射实验,下列说法正确的是(　 　)
A.在实验中观察到的现象是:绝大多数α粒子穿过金箔后发生了较大偏转,有的甚至被弹回,极少数仍沿原来方向前进
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
C
解析:α粒子散射实验的现象是,绝大多数α粒子几乎不发生偏转;少数α粒子发生了较大角度的偏转;极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°,有的甚至几乎达到180°,被反弹回来),故A错误。当α粒子接近核时,是核的斥力使α粒子发生明显偏转,电子对α粒子的影响可忽略不计,故B错误。从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,推测使粒子受到排斥力的核体积极小,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,并且带有原子的全部正电荷和绝大部分质量,故C正确,D错误。
规律方法
解决α粒子散射实验问题的技巧
(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。
(2)汤姆孙的原子模型不能解释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部分的作用。
(4)绝大多数α粒子在穿过金箔时运动方向没有明显变化,说明原子中绝大部分是空的,原子的绝大部分质量、全部正电荷都集中在体积很小的核内。
要点三　原子的核式结构模型与原子核的组成
「要点归纳」
1.原子核式结构模型与“枣糕模型”的区别
“枣糕模型” 原子的核式结构模型
原子是充满了正电荷的球体 原子内部是非常空旷的,正电荷集中在一个很小的核里
电子均匀镶嵌在原子球体内 电子绕核高速旋转
2.对原子核式结构模型的理解
(1)原子核的电荷数即为核内的质子数,与核外电子数相等,也等于原子序数。
(2)原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里。
(3)原子内部中心的原子核半径仅为原子半径的十万分之一。
「典例研习」
[例3] [原子的核式结构模型]卢瑟福提出的原子核式结构模型,不包括下面所述的是(　 　)
A.在原子的中央有一个很小的核,叫作原子核
B.原子核由质子和中子组成
C.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
D.带负电的电子在核外空间里绕着核旋转
B
解析:根据卢瑟福的核式结构模型可知,在原子中心有一个很小的核,集中了原子全部的正电荷和几乎全部质量,带负电的电子在核外空间绕核旋转,所以四个选项中不包括的是B选项,故B符合题意,A、C、D不符合题意。
检测·学习效果
1
2
3
4
1.(多选)关于电子的发现,下列叙述正确的是(　 　)
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.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.电子的发现,比较好地解释了物体的带电现象
BCD
1
2
3
4
解析:电子的发现说明原子有一定的结构,但并没有证明原子核的存在,也不能说明原子是由电子和原子核组成的,故A错误,B正确;发现电子之前,人们认为原子是不可再分的最小粒子,故C正确;物体带电的过程,就是电子转移的过程,电子的发现,比较好地解释了物体的带电现象,故D正确。
2.卢瑟福通过对α粒子散射实验的结果分析,提出的理论是(　 　)
A.原子的核式结构模型
B.电子是原子的组成部分
C.原子核由质子和中子组成
D.原子核由质子和电子组成
A
1
2
3
4
1
2
3
4
解析:α粒子散射实验中,少数α粒子发生了大角度的偏转,这种现象“枣糕模型”不能够解释,卢瑟福通过对α粒子散射实验的结果分析,提出了原子的核式结构模型。故选A。
3.1909年,物理学家卢瑟福和他的学生用α粒子轰击金箔,研究α粒子被散射的情况,其实验装置如图所示。关于α粒子散射实验,下列说法正确的是(　 　)
A.α粒子散射实验说明原子中有一个带正电的核几乎占有原子的全部质量
B.α粒子大角度散射是由于它跟电子发生了碰撞
C.大部分α粒子发生了大角度的偏转
D.α粒子散射实验证明了汤姆孙的“枣糕模型”是正确的
1
2
3
4
A
1
2
3
4
解析:从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,可以推测使α粒子受到排斥力的核体积极小,这表明原子中心的核带有原子的全部正电和几乎全部质量,故A正确;α粒子大角度散射是由于它受到原子核库仑斥力的作用,而不是与电子发生碰撞,故B错误;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,所以只有极少数发生大角度的偏转,而绝大多数基本沿直线方向前进,故C错误;α粒子散射实验证明了汤姆孙的“枣糕模型”是错误的,故D错误。
1
2
3
4
4.密立根实验的原理如图所示,A、B是两块平行放置的水平金属板,A板带正电,B板带负电。从喷雾器嘴喷出的小油滴,落到A、B两板之间电场强度大小E=1.92×105 N/C 的电场中。小油滴由于摩擦而带负电,某一小油滴受到的静电力和重力平衡。已知小油滴半径是1.64×10-4 cm,油的密度是 0.851 g/cm3,求该油滴所带的电荷量和这个电荷量与电子电荷量的比值。(π取3.14,g取 9.8 m/s2,e取1.6×10-19 C)
1
2
3
4
答案:8.02×10-19 C　5
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定位·学习目标
1.阅读教材,知道阴极射线及本质,知道电子是构成各种物质的共有成分,知道原子的核式结构模型及原子核的电荷与尺度,形成物理观念。
2.通过观察α粒子散射实验过程,培养观察能力,感悟以实验为基础的科学探究方法,培养科学思维和科学探究精神。
3.通过了解电子发现的过程以及原子核式结构的建立过程,知道科学的发展是若干科学家前赴后继、不懈努力的结果,培养科学态度。
知识点一　电子的发现
探究新知
1.阴极射线
研究稀薄气体放电时,当玻璃管中的气体足够稀薄时,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
(1)方法:由气体放电管阴极发出的带电粒子通过两狭缝形成一束细细的射线,穿过两平行金属板之间的空间,到达带有标尺的荧光屏上。
(2)结论:根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定,阴极射线的本质是带负电的粒子流,并求出了这种粒子的比荷,证明其电荷量的大小与氢离子大致相同,质量比氢离子小得多,它是构成各种物质的共有成分。组成阴极射线的粒子被称为电子。
3.密立根实验
(1)电子电荷量: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=1.6×10-19C(结果保留2位有效数字)。
(2)电荷的量子化:任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
(3)电子的质量:电子质量me=9.1×10-31kg(结果保留2位有效数字),质子质量与电子质量的比值为=1 836。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(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是一种电磁辐射。(　×　)
(2)汤姆孙用不同材料的阴极做实验所得阴极射线粒子的比荷数值都相同。(　√　)
(3)电子是原子的组成部分,电子电荷量可以取任意数值。(　×　)
(4)电子的电荷量是汤姆孙首先精确测定的。(　×　)
知识点二　原子的核式结构模型
探究新知
1.汤姆孙原子模型: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。有人形象地称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。
2.α粒子散射实验
(1)实验装置:α粒子源、金箔、荧光屏和显微镜。
(2)实验方法:α粒子源发射的α粒子形成一束射线,打在金箔上,使显微镜在水平面内转到不同方向对散射的α粒子进行观察。
(3)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(约占)发生了大角度的偏转。
③极少数α粒子偏转的角度甚至大于90°,也就是说,它们几乎被“撞了回来”。
(4)实验意义: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
(1)内容:1911年,卢瑟福提出了核式结构模型。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。正电体的尺度是很小的,称为原子核。
(2)对α粒子散射实验结果的解释:当α粒子接近原子时,电子对它的影响可以忽略。但是,正电体(原子核)很小,当α粒子进入原子区域后,大部分离正电体(原子核)很远,受到的库仑斥力很小,运动方向几乎不改变。只有极少数α粒子在穿过时距离正电体(原子核)很近,因此受到很强的库仑斥力,发生大角度散射。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)汤姆孙的原子模型无法解释α粒子散射实验的现象。(　√　)
(2)α粒子散射实验中,大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹。(　×　)
(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)α粒子散射实验证实了电子在原子核外运动。(　×　)
知识点三　原子核的电荷与尺度
探究新知
1.原子内的电荷
由α粒子散射实验数据可以确定不同元素原子核的电荷量。原子是电中性的,可以推算出原子内的电子数,且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.原子的组成
原子由带电荷+Ze的核与核外Z个电子组成。原子序数Z等于核电荷与电子电荷大小的比值。
3.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。
4.原子核的大小
通常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 10-15m,而整个原子半径的数量级是 10-10m,两者相差十万倍之多。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)原子核的电荷数等于核中的中子数。(　×　)
(2)原子中所有正电荷都集中在原子核内。(　√　)
(3)对于一般的原子,由于原子核很小,所以内部十分空旷。(　√　)
(4)原子核的电荷量与电子电荷量大小的比值等于原子的质量数。(　×　)
要点一　对阴极射线的探究
情境探究
如图所示为汤姆孙的气体放电管示意图。
探究:(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,静电力与电场线方向相反,说明阴极射线带负电。
(2)由左手定则可得,在金属板D1、D2之间单独加垂直于纸面向外的磁场,可以让阴极射线向上偏转。
要点归纳
1.阴极射线带电性质的判断方法
(1)如图所示,在阴极射线所经区域加上电场,根据打在荧光屏上的亮点位置变化和电场的情况确定阴极射线带电性质。
若带电粒子沿电场线方向偏转时,粒子带正电;逆着电场线方向偏转时,粒子带负电。
(2)在阴极射线所经区域加一磁场,根据打在荧光屏上的亮点位置变化和左手定则确定阴极射线带电性质。
如果粒子按图示方向进入磁场,且做顺时针方向偏转,则粒子带正电;如做逆时针方向偏转,则粒子带负电。
2.电子比荷(或电荷量)的测定方法
(1)如图所示,让某一速率的电子通过正交的电磁场,调节场的强弱,让其做直线运动,即有Bqv=qE,可得电子的运动速度v=。
(2)其他条件不变,撤去电场而保留磁场,让电子在磁场中运动,根据运动的轨迹由几何知识求出其半径r,由Bqv=得=。
也可以撤去磁场,让电子在电场中运动,利用电子在电场中做类平抛运动规律确定比荷。
3.电子发现的意义
(1)电子发现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)电子发现后知道各种物质里都有电子,而且电子是原子的组成部分,说明原子是可再分的。
典例研习
[例1] [电子的发现] 如图所示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;
(2) 推导出电子比荷的表达式。
解析:(1)当电子受到的静电力与洛伦兹力平衡时,电子做匀速直线运动,亮点重新回到中心O,设电子的速度为v,则evB=eE,而E=,则v=。
(2)当极板间仅有偏转电场时,电子以速度v进入后,竖直方向做匀加速运动,加速度为a=。
电子在水平方向做匀速运动,
在电场中的运动时间t1=。
电子在电场中竖直向上偏转的距离为d1=a=。
离开电场时竖直向上的分速度vy=at1=。
电子离开电场后做匀速直线运动,
经t2时间到达荧光屏,t2=。
t2时间内向上运动的距离为d2=vyt2=。
电子向上的总偏转距离为d=d1+d2=(L2+),
可解得=。
答案:(1)　(2)=
测量带电粒子比荷的三种常见方法
(1)利用磁偏转测比荷:让带电粒子垂直于磁场方向进入匀强磁场,若已知磁感应强度B、带电粒子的速度v和偏转半径R,由qvB=m得=。
(2)利用电偏转测比荷:让带电粒子垂直于电场方向进入带电金属板间,已知偏转电场电压U、极板距离d、极板长度L时,测出粒子速度v和偏转量y,则 y=at2=··()2,故=。
(3)利用加速电场测比荷:让速度忽略不计的带电粒子进入电场,测出经电势差U的速度v,由qU=mv2 得=。
要点二　对α粒子散射实验的理解
情境探究
如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景。
探究:(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
(2)为什么少数的α粒子穿过金箔后,发生了大角度的偏转
答案:(1)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)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。
要点归纳
1.α粒子散射实验现象的分析
(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,是因为大多数α粒子离金原子核较远。
(2)少数发生较大偏转的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°,即为正对或基本正对着金原子核入射的α粒子。
(4)“极少数”偏转角度大于90°,说明原子核在原子内占有非常小的空间。
2.α粒子的受力及能量转化情况
(1)α粒子的受力情况:α粒子与原子核间的作用力是库仑斥力F=。
α粒子离原子核越近,库仑斥力越大,运动加速度越大;反之,则越小。
(2)α粒子的能量转化情况:当α粒子靠近原子核时,库仑斥力做负功,电势能增加;当α粒子远离原子核时,库仑斥力做正功,电势能减少。
(3)库仑斥力做功的结果使电势能和动能之间相互转化,总能量保持不变。
典例研习
[例2] [α粒子散射实验] 关于α粒子散射实验,下列说法正确的是(　C　)
A.在实验中观察到的现象是:绝大多数α粒子穿过金箔后发生了较大偏转,有的甚至被弹回,极少数仍沿原来方向前进
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
解析:α粒子散射实验的现象是,绝大多数α粒子几乎不发生偏转;少数α粒子发生了较大角度的偏转;极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°,有的甚至几乎达到180°,被反弹回来),故A错误。当α粒子接近核时,是核的斥力使α粒子发生明显偏转,电子对α粒子的影响可忽略不计,故B错误。从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,推测使粒子受到排斥力的核体积极小,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,并且带有原子的全部正电荷和绝大部分质量,故C正确,D错误。
解决α粒子散射实验问题的技巧
(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。
(2)汤姆孙的原子模型不能解释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部分的作用。
(4)绝大多数α粒子在穿过金箔时运动方向没有明显变化,说明原子中绝大部分是空的,原子的绝大部分质量、全部正电荷都集中在体积很小的核内。
要点三　原子的核式结构模型与原子核的组成
要点归纳
1.原子核式结构模型与“枣糕模型”的区别
“枣糕模型” 原子的核式结构模型
原子是充满了正电荷的球体 原子内部是非常空旷的,正电荷集中在一个很小的核里
电子均匀镶嵌在原子球体内 电子绕核高速旋转
2.对原子核式结构模型的理解
(1)原子核的电荷数即为核内的质子数,与核外电子数相等,也等于原子序数。
(2)原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里。
(3)原子内部中心的原子核半径仅为原子半径的十万分之一。
典例研习
[例3] [原子的核式结构模型]卢瑟福提出的原子核式结构模型,不包括下面所述的是(　B　)
A.在原子的中央有一个很小的核,叫作原子核
B.原子核由质子和中子组成
C.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
D.带负电的电子在核外空间里绕着核旋转
解析:根据卢瑟福的核式结构模型可知,在原子中心有一个很小的核,集中了原子全部的正电荷和几乎全部质量,带负电的电子在核外空间绕核旋转,所以四个选项中不包括的是B选项,故B符合题意,A、C、D不符合题意。
1.(多选)关于电子的发现,下列叙述正确的是(　BCD　)
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.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.电子的发现,比较好地解释了物体的带电现象
解析:电子的发现说明原子有一定的结构,但并没有证明原子核的存在,也不能说明原子是由电子和原子核组成的,故A错误,B正确;发现电子之前,人们认为原子是不可再分的最小粒子,故C正确;物体带电的过程,就是电子转移的过程,电子的发现,比较好地解释了物体的带电现象,故D正确。
2.卢瑟福通过对α粒子散射实验的结果分析,提出的理论是(　A　)
A.原子的核式结构模型
B.电子是原子的组成部分
C.原子核由质子和中子组成
D.原子核由质子和电子组成
解析:α粒子散射实验中,少数α粒子发生了大角度的偏转,这种现象“枣糕模型”不能够解释,卢瑟福通过对α粒子散射实验的结果分析,提出了原子的核式结构模型。故选A。
3.1909年,物理学家卢瑟福和他的学生用α粒子轰击金箔,研究α粒子被散射的情况,其实验装置如图所示。关于α粒子散射实验,下列说法正确的是(　A　)
A.α粒子散射实验说明原子中有一个带正电的核几乎占有原子的全部质量
B.α粒子大角度散射是由于它跟电子发生了碰撞
C.大部分α粒子发生了大角度的偏转
D.α粒子散射实验证明了汤姆孙的“枣糕模型”是正确的
解析:从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,可以推测使α粒子受到排斥力的核体积极小,这表明原子中心的核带有原子的全部正电和几乎全部质量,故A正确;α粒子大角度散射是由于它受到原子核库仑斥力的作用,而不是与电子发生碰撞,故B错误;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,所以只有极少数发生大角度的偏转,而绝大多数基本沿直线方向前进,故C错误;α粒子散射实验证明了汤姆孙的“枣糕模型”是错误的,故D错误。
4.密立根实验的原理如图所示,A、B是两块平行放置的水平金属板,A板带正电,B板带负电。从喷雾器嘴喷出的小油滴,落到A、B两板之间电场强度大小E=1.92×105 N/C 的电场中。小油滴由于摩擦而带负电,某一小油滴受到的静电力和重力平衡。已知小油滴半径是1.64×10-4 cm,油的密度是 0.851 g/cm3,求该油滴所带的电荷量和这个电荷量与电子电荷量的比值。(π取3.14,g取 9.8 m/s2,e取1.6×10-19 C)
解析:小油滴质量为m=ρV=ρ·πr3,
根据平衡条件有Eq=mg,
联立得q=。
代入数据得q≈8.02×10-19 C,
小油滴所带电荷量q与电子电荷量e的比值
=≈5。
答案:8.02×10-19 C　5
课时作业
考点一　电子的发现
1.(多选)阴极射线管及方向坐标如图所示,电子束从阴极射出,沿直线射出狭缝后掠射到荧光屏上,显示出电子束的径迹,以下偏转情况判断正确的是(　BC　)
A.在阴极射线管中加一个方向向上的电场,射线向上偏转
B.在阴极射线管中加一个方向向下的电场,射线向上偏转
C.在阴极射线管中加一个方向向前的磁场,射线向上偏转
D.在阴极射线管中加一个方向向后的磁场,射线向上偏转
解析:电子带负电,所受电场力方向与电场线方向相反,如果加一个方向向上的电场,则电子受到的电场力方向向下,射线向下偏转;如果加一个方向向下的电场,电子受到的电场力方向向上,射线向上偏转,故A错误,B正确;在阴极射线管中施加一个方向向前的磁场时,根据左手定则可知,电子受到的洛伦兹力向上,因此会向上偏转,反之,加一个方向向后的磁场,射线向下偏转,故C正确,D错误。
2.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,板间产生竖直向下的匀强电场,图中油滴由于带负电而悬浮在两板间保持静止。
(1)(多选)若要测出该油滴的电荷量,需要测出的物理量有　　　 。(填字母)
A.油滴质量m B.两板间的电压U
C.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　　　　　　　(选填“奇数倍”“偶数倍”或“整数倍”),这个最小电荷量被认为是元电荷。
解析:(1)(2)两金属板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,即mg=qE=q,可得q=。由以上分析可知要测出该油滴的电荷量,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。故选ABC。
(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。
答案:(1)ABC　(2)　(3)整数倍
考点二　α粒子散射实验
3.α粒子散射实验被评为世界十大经典物理实验之一,此实验开创了原子结构研究的先河,为建立现代原子核理论打下了基础,关于α粒子散射实验,下列说法正确的是(　B　)
A.汤姆孙根据α粒子散射实验,最先提出了原子的核式结构模型
B.该实验表明原子中绝大部分是空的
C.该实验表明α粒子大角度偏转可能是与电子直接碰撞造成的
D.在其他条件相同的情况下,只改变金箔的厚度,对实验结果没有
影响
解析:卢瑟福根据α粒子散射实验,最先提出了原子的核式结构模型,故A错误;绝大多数α粒子在穿过金箔时运动方向没有发生明显变化,说明原子中绝大部分是空的,故B正确;α粒子发生大角度偏转是与原子核之间的距离较近,同种电荷之间存在库仑力,相互排斥,故C错误;在相同的条件下,改变金箔的厚度对实验结果有影响,故D错误。
4.(多选) 如图为卢瑟福所做的α粒子散射实验装置的示意图,荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时,下列说法正确的是(　AD　)
A.相同时间内在A时观察到屏上的闪光次数最多
B.放在C、D位置时屏上观察不到闪光
C.该实验说明原子中正电荷是均匀分布的
D.只有少数α粒子发生大角度散射的原因是原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上
解析:该实验的实验现象是绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,即相同时间内在A时观察到屏上的闪光次数最多,但有少数α粒子发生大角度偏转,极少数偏转的角度甚至大于90°,即放在C位置时屏上观察到少数闪光,放在D位置时屏上观察到极少数闪光,故A正确,B错误;上述实验结果说明,原子中正电荷并不是均匀分布的,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,故C错误,D正确。
5.当α粒子被重核散射时,如图所示的运动轨迹中不可能存在的是(　D　)
A.C轨迹和D轨迹 B.D轨迹和B轨迹
C.A轨迹和D轨迹 D.B轨迹和C轨迹
解析:α粒子受原子核的斥力作用,则轨迹不可能为B和C,可能为A和D。故选D。
6.根据卢瑟福提出的原子核式结构模型解释α粒子散射实验,使极少数α粒子发生大角度偏转的作用力是(　B　)
A.原子核对α粒子的万有引力
B.原子核对α粒子的库仑斥力
C.核外电子对α粒子的万有引力
D.核外电子对α粒子的库仑斥力
解析:微观粒子间的万有引力远小于库仑力,所以使极少数α粒子发生大角度偏转的作用力不是原子核对α粒子的万有引力,也不是核外电子对α粒子的万有引力,故A、C错误;α粒子和电子接近时,它们之间有库仑引力作用,但由于电子的质量只有α粒子质量的七千三百分之一,α粒子与电子碰撞就像一颗子弹与一粒灰尘碰撞一样,α粒子的运动方向几乎不改变,所以使极少数α粒子发生大角度偏转的作用力是原子核对α粒子的库仑斥力,当α粒子与原子核距离较近时,
它们之间的库仑斥力很大,使得α粒子发生大角度偏转,故B正确,
D错误。
考点三　原子的核式结构模型
7.(多选)下列对原子的有关认识,正确的是(　AC　)
A.原子由原子核和核外电子组成
B.原子核的质量就是原子的质量
C.原子核的电荷数就是核中的质子数
D.原子序数等于核电荷数与电子电荷量大小的比值
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之和是原子的质量,故B错误;原子核的电荷数就是核中的质子数,故C正确;原子序数等于原子核的电荷量与电子电荷量大小的比值,故D错误。
8.关于原子结构,下列说法正确的是(　A　)
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 m
C.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: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,A正确,B错误;原子核集中了全部的正电荷和几乎全部的质量,C、D错误。
综合提升练
9.在α粒子散射实验中,下列图景正确的是(　B　)
　
A B
　
C D
解析:当α粒子进入原子区域后,离带正电的原子核远时受到的库仑斥力小,运动方向改变小,只有极少数α粒子在穿过时距离原子核很近,受到很强的库仑斥力,发生大角度散射,故A错误,B正确;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完全可以忽略,α粒子偏转主要是带正电的原子核造成的,故C、D错误。
10.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,a、c两点在同一等势线上,在α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中,下列说法正确的是(　C　)
A.动能先增大后减小
B.电势能先减少后增加
C.电场力先做负功后做正功,总功等于零
D.加速度先减小后增大
解析:α粒子受到斥力作用,根据电场力做功特点可知,从a运动到b过程中电场力做负功,电势能增加,动能减小,从b运动到c过程中,电场力做正功,电势能减少,动能增大,整个过程中由于a与c在同一等势线上,故总功等于零,A、B错误,C正确;根据点电荷周围电场的特点可知,距离原子核近的地方电场强度大,故越靠近原子核的位置加速度越大,因此α粒子加速度先增大后减小,故D错误。
11.人类对原子结构的认识,涉及许多实验的探究及众多科学家的创造性思想。
(1)1897年,汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况(图甲),断定阴极射线是　　　　　 　　　(选填“电磁波”或“带负电的粒子流”),进而认为原子是一个球体,提出原子“西瓜模型”或“　　　　　模型”。
(2)卢瑟福进行α粒子散射实验并提出了原子核式结构模型。如图乙是α粒子散射实验的图景,图中实线表示α粒子的运动轨迹,其中沿轨迹2运动的α粒子在b点时距原子核最近。下列说法错误的是　　。
A.绝大多数α粒子运动的轨迹类似轨迹1,说明原子中绝大部分是
空的
B.发生超过90°大角度偏转的α粒子是极少数的
C.沿轨迹2运动的α粒子的加速度先增大后减小
D.沿轨迹2运动的α粒子的电势能先减少后增加
解析:(1)汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况,断定其本质是带负电的粒子流。汤姆孙认为正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内,电子镶嵌其中,提出原子的“西瓜模型”或“枣糕模型”。
(2)绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进,运动轨迹类似轨迹1,说明原子中绝大部分是空的,故A说法正确;发生超过90°大角度偏转的α粒子是极少数的,故B说法正确;根据点电荷电场分布可知,离原子核近的地方电场强度大,故沿轨迹2运动的α粒子的加速度先增大后减小,故C说法正确;α粒子受到斥力作用,沿轨迹2运动的α粒子所受电场力先做负功,后做正功,则α粒子的电势能先增加后减少,故D说法错误。
答案:(1)带负电的粒子流　枣糕　(2)D
12.在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,接着在荧光屏的中心F点出现荧光斑。若在D、G间加上方向向下,场强大小为E的匀强电场,阴极射线将向上偏转;如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一垂直于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,阴极射线向下偏转,偏转角为θ,试解决下列问题:
(1)说明阴极射线的电性;
(2)说明图中磁场的方向;
(3)根据L、E、B和θ,求出阴极射线的比荷。
解析:(1)由于D、G间只有匀强电场时,阴极射线向上偏转,因此受电场力方向向上,又由于匀强电场方向向下,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下的洛伦兹力,由左手定则得磁场的方向垂直于纸面向里。
(3)设此射线带电量为q,质量为m,当射线在DG间做匀速直线运动时,有qE=Bqv,当射线只在DG间的磁场中偏转时,其轨迹如图所示,
根据洛伦兹力提供向心力,有Bqv=,
同时又有L=r·sin θ,
解得=。
答案:(1)负电　(2)垂直于纸面向里　(3)

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