资源简介

3　原子核式结构模型的发现
素养测练　　　　　　 　　　　　 　　　　　
基础巩固练
考点一　发现电子
1.下列说法正确的是(　C　)
A.阴极射线是高速质子流
B.阴极射线可以用人眼直接观察到
C.阴极射线是高速运动的电子流
D.汤姆孙测出了电子的质量
解析:阴极射线是高速运动的电子流,人们只有借助于它与物质相互撞击时,使一些物质发出荧光等现象才能观察到,故A、B错误,C正确;汤姆孙发现了电子,知道电子是原子的组成部分,但并未测出电子质量,故D错误。
2.(多选)如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图,下列说法正确的是(　AC　)
A.若在D1、D2之间不加电场和磁场,则阴极射线应打到最右端的P点
B.若在D1、D2之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向下偏转
C.若在D1、D2之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向上偏转
D.若在D1、D2之间加上垂直于纸面向里的磁场,则阴极射线不偏转
解析:实验证明,阴极射线是电子,它在极板间运动时会偏向带正电极板的一侧,选项B错误,C正确;加上磁场时,电子在磁场中受到洛伦兹力的作用,要发生偏转,选项D错误;当不加电场和磁场时,电子所受的重力可以忽略不计,因而不发生偏转,选项A正确。
3.密立根油滴实验原理如图所示,两块水平放置的金属板分别与电源的正、负极相接,板间距离为d,板间电压为U,形成竖直向下、电场强度为E的匀强电场。用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油滴。通过显微镜可找到悬浮不动的油滴,若此悬浮油滴的质量为m,重力加速度为g,则下列说法正确的是(　C　)
A.悬浮油滴带正电
B.悬浮油滴的电荷量为
C.增大电场强度,悬浮油滴将向上运动
D.油滴的电荷量不一定是电子电荷量的整数倍
解析:带电油滴在两板间静止时,其所受静电力向上,应带负电,A项错误;悬浮不动时油滴受力平衡,qE=mg,即q=mg,所以q=,B项错误;当E变大时,qE变大,油滴所受合力向上,油滴将向上运动,C项正确;任何带电物体的电荷量都是电子电荷量的整数倍,D项错误。
考点二　对α粒子散射实验的理解
4.卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用α粒子轰击金箔,实验中发现α粒子(　B　)
A.全部穿过或发生很小偏转
B.绝大多数穿过,只有少数发生较大偏转,有的甚至被弹回
C.绝大多数发生很大偏转,甚至被弹回,只有少数穿过
D.全部发生很大偏转
解析:卢瑟福的α粒子散射实验结果是绝大多数 α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但有少数发生了较大角度偏转,并且有极少数α粒子偏转角度超过了90°,有的甚至被弹回,偏转角度几乎达到180°,故B正确,A、C、D错误。
5.在α粒子散射实验中,使少数α粒子产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.原子核对α粒子的磁场力
D.核外电子对α粒子的引力
解析: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个灰尘碰撞一样,α粒子的运动方向几乎不改变,因此只能是原子核对α粒子的库仑斥力,此力较大,且原子核质量较大,是少数α粒子发生大角度偏转的原因。故选B。
6.α粒子散射实验装置如图所示,在一个小铅盒里放有少量的放射性元素作为放射源,它发出的α粒子从铅盒的小孔射出,形成很细的一束射线打到金箔上,图中虚线表示被散射的α粒子的径迹。关于该实验,下列说法正确的是(　D　)
A.实验现象可用汤姆孙提出的“枣糕模型”来解释
B.依据实验结果可以推测原子核是可以再分的
C.α粒子发生偏转是由于它跟金箔中的电子发生了“碰撞”
D.统计散射到各个方向的α粒子所占比例,可以推知原子中正电荷的大致分布情况
解析:实验现象可用卢瑟福的原子核式结构模型来解释,不能通过汤姆孙提出的“枣糕模型”来解释,故A错误;依据实验结果不可以推测原子核是可以再分的,故B错误;α粒子发生偏转是由于它受到了金箔中的金原子核的库仑斥力作用,故C错误;统计散射到各个方向的α粒子所占比例,可以推知原子中正电荷的大致分布情况,即原子的中间存在一个原子核,原子的正电荷和几乎全部质量都集中在原子核上,故D正确。
考点三　原子的核式结构模型及原子核的电荷与尺度
7.(多选)卢瑟福提出的原子核式结构模型包含的内容有(　ABD　)
A.原子中心有一个很小的核
B.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
C.原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上
D.带负电的电子在核外空间绕原子核旋转
解析:卢瑟福提出的原子核式结构模型是原子中心有一个很小的原子核,它集中了原子的几乎全部质量和所有的正电荷,电子在核外绕原子核旋转。故A、B、D正确,C错误。
8.原子核由质子和中子组成,原子核的直径大小可能落在下列尺标图的哪个区间(　B　)
A.甲 B.乙
C.丙 D.丁
解析:原子核极小,它的直径在10-15～10-14 m之间,体积只占原子体积的几千亿分之一。故选B。
能力提升练
9.如图所示为α粒子散射实验的图景,图中实线表示α粒子运动轨迹。关于α粒子散射实验,下列说法正确的是(　D　)
A.卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子
B.图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大
C.根据α粒子散射实验可以估算原子的大小
D.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在原子中占据的空间很小
解析:卢瑟福在α粒子散射实验中没有发现电子,A错误;题图中大角度偏转的α粒子受到的静电力先做负功,后做正功,则其电势能先增大后减小,B错误;根据α粒子散射实验可以估算原子核的大小,C错误;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在原子中占据的空间很小,D正确。
10.(杭州月考)如图甲是一款阴极射线管,K极是圆形金属板电极,A极为圆环状金属电极,对于K、A间的电场分布来说,A极可以等效为圆形金属板电极,在K、A之间加上高压,阴极射线就可以在K极和A极之间运行,如图乙是K极和A极之间的部分电场分布,下列说法正确的是(　B　)
甲
A.阴极射线的本质是α射线
B.图乙中P点电势低于Q点电势
C.如果在图乙中P点由静止释放一电子,则电子会沿该处电场线运动到A极
D.从K极静止出发的阴极射线粒子,沿中间直线电场线到达A极时,其所受静电力做的功最多
解析:阴极射线的本质是β射线,故A错误;因为K为阴极,A为阳极,所以P点电势低于Q点电势,故B正确;由于P点所在的电场线为曲线,所以在P点由静止释放的电子不会沿该处电场线运动,故C错误;从K极出发的阴极射线粒子,沿任意轨迹到达A极,其所受静电力做的功都一样多,故D错误。
11.如图甲所示为α粒子散射实验装置的剖面图,图中铅盒内的放射性元素钋(Po)所放出的α粒子由铅盒上的小孔射出,形成一束很细的粒子束打到金箔上。α粒子束能穿过很薄的金箔打到荧光屏上,并产生闪光,这些闪光可以通过显微镜观察;α粒子穿越金箔前后运动方向之间的夹角θ称为散射角,如图乙所示,荧光屏和显微镜可一起绕金箔沿圆周转动,以便观察α粒子穿过金箔后散射角的变化情况。下列说法正确的是(　D　)
A.整个装置可以不放在抽成真空的容器中
B.α粒子散射实验的结果表明,少数α粒子穿过金箔后,散射角很小(平均为2°～3°),几乎沿原方向前进
C.α粒子散射实验中观察到的个别α粒子被反弹回来,这种现象可用“枣糕模型”来解释
D.原子的核式结构模型有些类似太阳系,原子核犹如太阳,电子犹如行星,可称为原子的“行星模型”
解析:整个装置一定要放在抽成真空的容器中,选项A错误;α粒子散射实验的结果表明,绝大多数α粒子穿过金箔后,散射角很小(平均为2°～3°),几乎沿原方向前进,少数α粒子的散射角较大,极少数α粒子的散射角超过90°,个别α粒子甚至被反弹回来,选项B错误;α粒子散射实验中观察到的个别α粒子被反弹回来,这种现象可用原子的核式结构模型来解释,选项C错误;原子的核式结构模型有些类似太阳系,原子核犹如太阳,电子犹如行星,所以也被称为原子的“行星模型”,选项D正确。
思维拓展练
12.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(共35张PPT)
3　原子核式结构模型的发现
[课标引领]
学习目标要求 核心素养和关键能力
1.知道阴极射线是由电子组成的,电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。 2.了解α粒子散射实验原理和实验现象。 3.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容。 4.知道原子和原子核大小的数量级,原子核的电荷数。 1.科学思维
通过实验,建立原子模型。
2.关键能力
实验探究和模型构建能力。
预学智测
·
科学思维
知识点一　电子的发现
「科学思维」
1.思考判断
(1)阴极射线是高速运动的电子流。(　 　)
(2)电子是汤姆孙发现的。(　 　)
(3)电子的电荷是由汤姆孙首先测定出来的。(　 　)
√
√
×
2.(多选)下列说法符合事实的是(　 　)
A.原子是不可再分的最小粒子
B.J.J.汤姆孙研究阴极射线时发现了电子
C.电子的电荷最早由密立根通过油滴实验测得
D.爱因斯坦在研究黑体辐射问题时提出了能量子假说
BC
解析:原子不是不可再分的最小微粒,原子本身也有结构,故A错误;J.J.汤姆孙研究阴极射线时发现了电子,故B正确;电子的电荷最早由密立根通过油滴实验测得,故C正确;普朗克在研究黑体辐射问题时提出了能量子假说,故D错误。
知识点二　原子的核式结构模型 原子核的电荷与尺度
1.思考判断
(1)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。(　 　)
(2)卢瑟福否定了汤姆孙模型,建立了原子核式结构模型。(　 　)
(3)α粒子大角度的偏转是电子造成的。(　 　)
(4)卢瑟福认为原子核很小,集中了原子所有质量和正电荷。(　 　)
(5)卢瑟福提出的原子的核式结构模型已经很完美了。(　 　)
「科学思维」
√
×
×
×
×
2.下列关于原子模型及其建立过程叙述正确的是(　 　)
A.阴极射线是电子流,汤姆孙测出了电子的比荷,并精确测定了电子电荷量
B.汤姆孙认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布于球内,电子镶嵌其中;该理论无法解释α粒子散射现象,后被卢瑟福核式结构模型所取代
C.通过α粒子散射实验可以估算出原子核尺度数量级为10-10 m
D.卢瑟福根据α粒子散射实验指出原子的全部正电荷和全部质量都集中在一个很小的区域——原子核
B
解析:阴极射线是电子流,汤姆孙测出了电子的比荷,密立根精确测定了电子电荷量,故A错误;汤姆孙认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布于球内,电子镶嵌其中,该理论无法解释α粒子散射现象,后被卢瑟福核式结构模型所取代,故B正确;通过α粒子散射实验可以估算出原子核尺度数量级为10-15 m,故C错误;卢瑟福根据α粒子散射实验指出原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的区域——原子核,故D错误。
探究重点
·
深化学习
要点一　电子比荷的测量
1.带电粒子比荷的测定方法
(1)利用磁偏转测量。
(2)利用电偏转测量。
2.电子电荷量的精确测定是密立根通过“油滴实验”做出的,密立根实验的重要意义是发现电荷量是量子化的,即任何电荷只能是e的整数倍。
[例1] 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。
名师点拨
关于阴极射线的两点提醒
(1)阴极射线不是一种电磁辐射,而是带负电的粒子流。
(2)阴极射线(电子)从电源的负极射出,用左手定则判断其受力方向时四指的指向和射线的运动方向相反。
[针对训练1] 为了再现汤姆孙测阴极射线比荷的实验,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中心出现光斑。若在D、G间加上方向向上、电场强度为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电场区加上一垂直于纸面的磁感应强度大小为B的匀强磁场(图中未画出),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。
答案:(1)负电
解析:(1)由于阴极射线在匀强电场中向下偏转,因此阴极射线所受静电力方向向下,又由于匀强电场方向向上,则静电力的方向与电场方向相反,所以阴极射线带负电。
(2)说明图中磁场的方向。
答案: (2)垂直于纸面向外
解析: (2)由于所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力,而与静电力平衡,由左手定则得磁场的方向垂直于纸面向外。
(3)根据L、E、B和θ,求出阴极射线粒子的比荷。
要点二　对α粒子散射实验的理解
1.装置
放射源、金箔、荧光屏等,如图所示。
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.实验的注意事项
(1)整个实验过程在真空中进行。
(2)金箔需要做得很薄,α粒子才能穿过。
(3)使用金箔的原因是金的延展性好,可以做得很薄。另外一点就是金的原子序数大,α粒子与金原子核间的库仑斥力大,偏转明显。
[例2] (多选)卢瑟福的α粒子散射实验装置如图所示,开有小孔的铅盒里面包裹着少量的放射性元素钋。铅能够很好地吸收α粒子,使得α粒子只能从小孔射出,形成很细的一束射线射到厚度为几微米的金箔上,最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(　 　)
A.绝大多数α粒子能穿过金箔
B.极少数α粒子发生了大角度偏转
C.该实验为汤姆孙“枣糕模型”奠定了基础
D.该实验说明原子具有核式结构,正电荷集中在原子中心
ABD
解析:根据卢瑟福的α粒子散射实验的现象可知,绝大多数α粒子能穿过金箔,少数α粒子方向发生了改变,极少数α粒子发生了大角度偏转,选项A、B正确;该实验否定了汤姆孙“枣糕模型”,为原子的核式结构模型奠定了基础,选项C错误;该实验说明原子具有核式结构,正电荷集中在原子中心,选项D正确。
[针对训练2] (多选)如图所示为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,关于观察到的现象,下列说法正确的是(　 　)
A.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多
B.相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多
C.放在C、D位置时屏上观察不到闪光
D.放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少
ABD
解析:根据α粒子散射实验现象,绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上沿原方向前进,因此在A位置观察到的闪光次数最多,故A正确;少数α粒子发生大角度偏转,因此从A到D观察到的闪光次数会逐渐减少,故B、D正确,C错误。
要点三　原子的核式结构模型与原子核的组成
1.原子的核式结构模型与原子的“枣糕模型”的根本区别
核式结构模型 “枣糕模型”
原子内部是非常空旷的,正电荷集中在一个很小的核里 原子是充满了
正电荷的球体
电子绕核高速旋转 电子镶嵌在
原子球体内
2.原子内的电荷关系:原子核的电荷数即核内质子数,与核外的电子数相等。
3.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。
4.原子半径的数量级是10-10 m,原子核半径的数量级是10-15 m,两者相差十万倍之多。
[例3] (多选)关于原子的核式结构模型,下列说法正确的是(　 　)
A.原子中绝大部分是“空”的,原子核很小
B.电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力提供的
C.原子的全部正电荷和质量都集中在原子核里
D.原子核的直径数量级是10-10 m
AB
解析:由于原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,而原子核又很小,所以原子内绝大部分区域是“空”的,选项A正确,C错误;电子绕原子核做圆周运动是原子核与电子间的库仑力提供向心力,选项B正确;原子核半径的数量级是 10-15 m,原子半径的数量级是10-10 m,选项D错误。
[针对训练3] 关于原子结构的认识历程,下列说法正确的是(　 　)
A.汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内
B.汤姆孙通过著名的“油滴实验”精确测定了电子的电荷
C.卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释原子中带正电部分的体积、质量占比都很小
D.α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福提出原子核式结构模型的主要依据
D
解析:汤姆孙发现电子后猜想出原子核内的正电荷是均匀分布的,选项A错误;密立根通过著名的“油滴实验”精确测定了电子的电荷,选项B错误;卢瑟福提出的原子核式结构模型解释了原子中带正电部分的体积很小,但几乎占有全部质量,选项C错误;α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福提出原子核式结构模型的主要依据,选项D正确。
感谢观看3　原子核式结构模型的发现
[课标引领]
学习目标要求 核心素养和关键能力
1.知道阴极射线是由电子组成的,电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。 2.了解α粒子散射实验原理和实验现象。 3.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容。 4.知道原子和原子核大小的数量级,原子核的电荷数。 1.科学思维 通过实验,建立原子模型。 2.关键能力 实验探究和模型构建能力。
知识点一　电子的发现
科学思维
1.思考判断
(1)阴极射线是高速运动的电子流。(　√　)
(2)电子是汤姆孙发现的。(　√　)
(3)电子的电荷是由汤姆孙首先测定出来的。(　×　)
2.(多选)下列说法符合事实的是(　BC　)
A.原子是不可再分的最小粒子
B.J.J.汤姆孙研究阴极射线时发现了电子
C.电子的电荷最早由密立根通过油滴实验测得
D.爱因斯坦在研究黑体辐射问题时提出了能量子假说
解析:原子不是不可再分的最小微粒,原子本身也有结构,故A错误;J.J.汤姆孙研究阴极射线时发现了电子,故B正确;电子的电荷最早由密立根通过油滴实验测得,故C正确;普朗克在研究黑体辐射问题时提出了能量子假说,故D错误。
知识点二　原子的核式结构模型
原子核的电荷与尺度
科学思维
1.思考判断
(1)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。(　×　)
(2)卢瑟福否定了汤姆孙模型,建立了原子核式结构模型。(　√　)
(3)α粒子大角度的偏转是电子造成的。(　×　)
(4)卢瑟福认为原子核很小,集中了原子所有质量和正电荷。(　×　)
(5)卢瑟福提出的原子的核式结构模型已经很完美了。(　×　)
2.下列关于原子模型及其建立过程叙述正确的是(　B　)
A.阴极射线是电子流,汤姆孙测出了电子的比荷,并精确测定了电子电荷量
B.汤姆孙认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布于球内,电子镶嵌其中;该理论无法解释α粒子散射现象,后被卢瑟福核式结构模型所取代
C.通过α粒子散射实验可以估算出原子核尺度数量级为10-10 m
D.卢瑟福根据α粒子散射实验指出原子的全部正电荷和全部质量都集中在一个很小的区域——原子核
解析:阴极射线是电子流,汤姆孙测出了电子的比荷,密立根精确测定了电子电荷量,故A错误;汤姆孙认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布于球内,电子镶嵌其中,该理论无法解释α粒子散射现象,后被卢瑟福核式结构模型所取代,故B正确;通过α粒子散射实验可以估算出原子核尺度数量级为10-15 m,故C错误;卢瑟福根据α粒子散射实验指出原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的区域——原子核,故D错误。
要点一　电子比荷的测量
1.带电粒子比荷的测定方法
(1)利用磁偏转测量。
①让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场(如图甲),让其做匀速直线运动,根据二力平衡,即F洛=F电(qvB=qE),得到粒子的运动速度 v=。
②撤去匀强电场,保留匀强磁场(如图乙),让带电粒子在匀强磁场中运动,由洛伦兹力提供向心力,即qvB=m,根据轨迹偏转情况,由几何知识求出其半径r。
③由以上两式确定带电粒子的比荷表达式:=。
(2)利用电偏转测量。
带电粒子在匀强电场中运动,沿电场方向的偏转距离y=at2=··()2,故=,所以在偏转电场中,U、d、L已知时,只需测量v和y即可。
(3)利用加速电场测量。
由动能定理得qU=mv2,解得=,在加速电场电压U已知时,只需测出v即可。
2.电子电荷量的精确测定是密立根通过“油滴实验”做出的,密立根实验的重要意义是发现电荷量是量子化的,即任何电荷只能是e的整数倍。
[例1] 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)电子在正交的匀强电场和匀强磁场中做匀速直线运动,有evB=eE=e,得v=,
即打到荧光屏O点的电子速度的大小为。
(2)由d=··()2+·,
可得==。
答案:(1)　(2)=
关于阴极射线的两点提醒
(1)阴极射线不是一种电磁辐射,而是带负电的粒子流。
(2)阴极射线(电子)从电源的负极射出,用左手定则判断其受力方向时四指的指向和射线的运动方向相反。
[针对训练1] 为了再现汤姆孙测阴极射线比荷的实验,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中心出现光斑。若在D、G间加上方向向上、电场强度为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电场区加上一垂直于纸面的磁感应强度大小为B的匀强磁场(图中未画出),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)说明图中磁场的方向。
(3)根据L、E、B和θ,求出阴极射线粒子的比荷。
解析:(1)由于阴极射线在匀强电场中向下偏转,因此阴极射线所受静电力方向向下,又由于匀强电场方向向上,则静电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,而与静电力平衡,由左手定则得磁场的方向垂直于纸面向外。
(3)设此射线粒子的带电荷量为q,质量为m,当射线在D、G间做匀速直线运动时,有qE=qvB;当射线在D、G间的磁场中偏转时,如图所示,有qvB=,又有L=rsin θ,解得=。
答案:(1)负电　(2)垂直于纸面向外　(3)
要点二　对α粒子散射实验的理解
1.装置
放射源、金箔、荧光屏等,如图所示。
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.实验的注意事项
(1)整个实验过程在真空中进行。
(2)金箔需要做得很薄,α粒子才能穿过。
(3)使用金箔的原因是金的延展性好,可以做得很薄。另外一点就是金的原子序数大,α粒子与金原子核间的库仑斥力大,偏转明显。
[例2] (多选)卢瑟福的α粒子散射实验装置如图所示,开有小孔的铅盒里面包裹着少量的放射性元素钋。铅能够很好地吸收α粒子,使得α粒子只能从小孔射出,形成很细的一束射线射到厚度为几微米的金箔上,最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(　ABD　)
A.绝大多数α粒子能穿过金箔
B.极少数α粒子发生了大角度偏转
C.该实验为汤姆孙“枣糕模型”奠定了基础
D.该实验说明原子具有核式结构,正电荷集中在原子中心
解析:根据卢瑟福的α粒子散射实验的现象可知,绝大多数α粒子能穿过金箔,少数α粒子方向发生了改变,极少数α粒子发生了大角度偏转,选项A、B正确;该实验否定了汤姆孙“枣糕模型”,为原子的核式结构模型奠定了基础,选项C错误;该实验说明原子具有核式结构,正电荷集中在原子中心,选项D正确。
[针对训练2] (多选)如图所示为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,关于观察到的现象,下列说法正确的是(　ABD　)
A.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多
B.相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多
C.放在C、D位置时屏上观察不到闪光
D.放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少
解析:根据α粒子散射实验现象,绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上沿原方向前进,因此在A位置观察到的闪光次数最多,故A正确;少数α粒子发生大角度偏转,因此从A到D观察到的闪光次数会逐渐减少,故B、D正确,C错误。
要点三　原子的核式结构模型
与原子核的组成
1.原子的核式结构模型与原子的“枣糕模型”的根本区别
核式结构模型 “枣糕模型”
原子内部是非常空旷的,正电荷集中在一个很小的核里 原子是充满了 正电荷的球体
电子绕核高速旋转 电子镶嵌在 原子球体内
2.原子内的电荷关系:原子核的电荷数即核内质子数,与核外的电子数相等。
3.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。
4.原子半径的数量级是10-10 m,原子核半径的数量级是10-15 m,两者相差十万倍之多。
[例3] (多选)关于原子的核式结构模型,下列说法正确的是(　AB　)
A.原子中绝大部分是“空”的,原子核很小
B.电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力提供的
C.原子的全部正电荷和质量都集中在原子核里
D.原子核的直径数量级是10-10 m
解析:由于原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,而原子核又很小,所以原子内绝大部分区域是“空”的,选项A正确,C错误;电子绕原子核做圆周运动是原子核与电子间的库仑力提供向心力,选项B正确;原子核半径的数量级是 10-15 m,原子半径的数量级是10-10 m,选项D错误。
[针对训练3] 关于原子结构的认识历程,下列说法正确的是(　D　)
A.汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内
B.汤姆孙通过著名的“油滴实验”精确测定了电子的电荷
C.卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释原子中带正电部分的体积、质量占比都很小
D.α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福提出原子核式结构模型的主要依据
解析:汤姆孙发现电子后猜想出原子核内的正电荷是均匀分布的,选项A错误;密立根通过著名的“油滴实验”精确测定了电子的电荷,选项B错误;卢瑟福提出的原子核式结构模型解释了原子中带正电部分的体积很小,但几乎占有全部质量,选项C错误;α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福提出原子核式结构模型的主要依据,选项D正确。
素养测练　　　　　　 　　　　　 　　　　　
基础巩固练
考点一　发现电子
1.下列说法正确的是(　C　)
A.阴极射线是高速质子流
B.阴极射线可以用人眼直接观察到
C.阴极射线是高速运动的电子流
D.汤姆孙测出了电子的质量
解析:阴极射线是高速运动的电子流,人们只有借助于它与物质相互撞击时,使一些物质发出荧光等现象才能观察到,故A、B错误,C正确;汤姆孙发现了电子,知道电子是原子的组成部分,但并未测出电子质量,故D错误。
2.(多选)如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图,下列说法正确的是(　AC　)
A.若在D1、D2之间不加电场和磁场,则阴极射线应打到最右端的P点
B.若在D1、D2之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向下偏转
C.若在D1、D2之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向上偏转
D.若在D1、D2之间加上垂直于纸面向里的磁场,则阴极射线不偏转
解析:实验证明,阴极射线是电子,它在极板间运动时会偏向带正电极板的一侧,选项B错误,C正确;加上磁场时,电子在磁场中受到洛伦兹力的作用,要发生偏转,选项D错误;当不加电场和磁场时,电子所受的重力可以忽略不计,因而不发生偏转,选项A正确。
3.密立根油滴实验原理如图所示,两块水平放置的金属板分别与电源的正、负极相接,板间距离为d,板间电压为U,形成竖直向下、电场强度为E的匀强电场。用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油滴。通过显微镜可找到悬浮不动的油滴,若此悬浮油滴的质量为m,重力加速度为g,则下列说法正确的是(　C　)
A.悬浮油滴带正电
B.悬浮油滴的电荷量为
C.增大电场强度,悬浮油滴将向上运动
D.油滴的电荷量不一定是电子电荷量的整数倍
解析:带电油滴在两板间静止时,其所受静电力向上,应带负电,A项错误;悬浮不动时油滴受力平衡,qE=mg,即q=mg,所以q=,B项错误;当E变大时,qE变大,油滴所受合力向上,油滴将向上运动,C项正确;任何带电物体的电荷量都是电子电荷量的整数倍,D项错误。
考点二　对α粒子散射实验的理解
4.卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用α粒子轰击金箔,实验中发现α粒子(　B　)
A.全部穿过或发生很小偏转
B.绝大多数穿过,只有少数发生较大偏转,有的甚至被弹回
C.绝大多数发生很大偏转,甚至被弹回,只有少数穿过
D.全部发生很大偏转
解析:卢瑟福的α粒子散射实验结果是绝大多数 α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但有少数发生了较大角度偏转,并且有极少数α粒子偏转角度超过了90°,有的甚至被弹回,偏转角度几乎达到180°,故B正确,A、C、D错误。
5.在α粒子散射实验中,使少数α粒子产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.原子核对α粒子的磁场力
D.核外电子对α粒子的引力
解析: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个灰尘碰撞一样,α粒子的运动方向几乎不改变,因此只能是原子核对α粒子的库仑斥力,此力较大,且原子核质量较大,是少数α粒子发生大角度偏转的原因。故选B。
6.α粒子散射实验装置如图所示,在一个小铅盒里放有少量的放射性元素作为放射源,它发出的α粒子从铅盒的小孔射出,形成很细的一束射线打到金箔上,图中虚线表示被散射的α粒子的径迹。关于该实验,下列说法正确的是(　D　)
A.实验现象可用汤姆孙提出的“枣糕模型”来解释
B.依据实验结果可以推测原子核是可以再分的
C.α粒子发生偏转是由于它跟金箔中的电子发生了“碰撞”
D.统计散射到各个方向的α粒子所占比例,可以推知原子中正电荷的大致分布情况
解析:实验现象可用卢瑟福的原子核式结构模型来解释,不能通过汤姆孙提出的“枣糕模型”来解释,故A错误;依据实验结果不可以推测原子核是可以再分的,故B错误;α粒子发生偏转是由于它受到了金箔中的金原子核的库仑斥力作用,故C错误;统计散射到各个方向的α粒子所占比例,可以推知原子中正电荷的大致分布情况,即原子的中间存在一个原子核,原子的正电荷和几乎全部质量都集中在原子核上,故D正确。
考点三　原子的核式结构模型及原子核的电荷与尺度
7.(多选)卢瑟福提出的原子核式结构模型包含的内容有(　ABD　)
A.原子中心有一个很小的核
B.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
C.原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上
D.带负电的电子在核外空间绕原子核旋转
解析:卢瑟福提出的原子核式结构模型是原子中心有一个很小的原子核,它集中了原子的几乎全部质量和所有的正电荷,电子在核外绕原子核旋转。故A、B、D正确,C错误。
8.原子核由质子和中子组成,原子核的直径大小可能落在下列尺标图的哪个区间(　B　)
A.甲 B.乙
C.丙 D.丁
解析:原子核极小,它的直径在10-15～10-14 m之间,体积只占原子体积的几千亿分之一。故选B。
能力提升练
9.如图所示为α粒子散射实验的图景,图中实线表示α粒子运动轨迹。关于α粒子散射实验,下列说法正确的是(　D　)
A.卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子
B.图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大
C.根据α粒子散射实验可以估算原子的大小
D.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在原子中占据的空间很小
解析:卢瑟福在α粒子散射实验中没有发现电子,A错误;题图中大角度偏转的α粒子受到的静电力先做负功,后做正功,则其电势能先增大后减小,B错误;根据α粒子散射实验可以估算原子核的大小,C错误;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在原子中占据的空间很小,D正确。
10.(杭州月考)如图甲是一款阴极射线管,K极是圆形金属板电极,A极为圆环状金属电极,对于K、A间的电场分布来说,A极可以等效为圆形金属板电极,在K、A之间加上高压,阴极射线就可以在K极和A极之间运行,如图乙是K极和A极之间的部分电场分布,下列说法正确的是(　B　)
甲
A.阴极射线的本质是α射线
B.图乙中P点电势低于Q点电势
C.如果在图乙中P点由静止释放一电子,则电子会沿该处电场线运动到A极
D.从K极静止出发的阴极射线粒子,沿中间直线电场线到达A极时,其所受静电力做的功最多
解析:阴极射线的本质是β射线,故A错误;因为K为阴极,A为阳极,所以P点电势低于Q点电势,故B正确;由于P点所在的电场线为曲线,所以在P点由静止释放的电子不会沿该处电场线运动,故C错误;从K极出发的阴极射线粒子,沿任意轨迹到达A极,其所受静电力做的功都一样多,故D错误。
11.如图甲所示为α粒子散射实验装置的剖面图,图中铅盒内的放射性元素钋(Po)所放出的α粒子由铅盒上的小孔射出,形成一束很细的粒子束打到金箔上。α粒子束能穿过很薄的金箔打到荧光屏上,并产生闪光,这些闪光可以通过显微镜观察;α粒子穿越金箔前后运动方向之间的夹角θ称为散射角,如图乙所示,荧光屏和显微镜可一起绕金箔沿圆周转动,以便观察α粒子穿过金箔后散射角的变化情况。下列说法正确的是(　D　)
A.整个装置可以不放在抽成真空的容器中
B.α粒子散射实验的结果表明,少数α粒子穿过金箔后,散射角很小(平均为2°～3°),几乎沿原方向前进
C.α粒子散射实验中观察到的个别α粒子被反弹回来,这种现象可用“枣糕模型”来解释
D.原子的核式结构模型有些类似太阳系,原子核犹如太阳,电子犹如行星,可称为原子的“行星模型”
解析:整个装置一定要放在抽成真空的容器中,选项A错误;α粒子散射实验的结果表明,绝大多数α粒子穿过金箔后,散射角很小(平均为2°～3°),几乎沿原方向前进,少数α粒子的散射角较大,极少数α粒子的散射角超过90°,个别α粒子甚至被反弹回来,选项B错误;α粒子散射实验中观察到的个别α粒子被反弹回来,这种现象可用原子的核式结构模型来解释,选项C错误;原子的核式结构模型有些类似太阳系,原子核犹如太阳,电子犹如行星,所以也被称为原子的“行星模型”,选项D正确。
思维拓展练
12.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

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