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3　原子的核式结构模型
素养·目标定位
目标素养
1.了解阴极射线及汤姆孙发现电子的过程
2.了解原子结构模型建立的历史过程及各种模型建立的依据
3.知道α粒子散射实验的实验方法和实验现象以及核式结构模型的主要内容
知识概览
课前·基础认知
一、电子发现
1.J.J.汤姆孙对阴极射线的研究。
(1)探究方法:根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况,断定它的带电性质,并求出这种粒子的比荷。
(2)实验现象:换用　不同材料　的阴极做实验,所得比荷的数值都　相同　,是氢离子比荷的近两千倍。
(3)结论:①阴极射线粒子带负电,其　电荷量　的大小与氢离子一样,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;②电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。
微思考 哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的正负
提示:带电粒子垂直进入匀强电场时,正、负电荷的偏转方向不同,偏转方向与电场方向相同(相反)的粒子带正(负)电,不带电者不偏转。
带电粒子垂直进入匀强磁场时,做匀速圆周运动,所受的洛伦兹力提供向心力,根据左手定则可知其电性。
二、J.J.原子的核式结构模型
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。
2.α粒子散射实验。
(1)实验的装置:主要由　放射源　、金箔、荧光屏、显微镜和转动圆盘几部分组成。
(2)实验现象:绝大多数α粒子沿　原来　的方向前进,少数α粒子发生了　大角度　偏转,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”。
(3)原子的核式结构的提出。
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。
(4)实验现象的解释。
①当α粒子穿过原子时,如果离核较远,受到原子核的斥力很小,α粒子就像穿过“一片空地”一样,无遮无挡,运动方向改变很小,因为原子核很小,所以绝大多数α粒子不发生偏转。
②只有当α粒子穿过原子时十分接近原子核,才受到很大的库仑力作用,偏转角才很大,而这种机会很少。
③如果α粒子正对着原子核射来,那么偏转角几乎达到180°,这种机会极少。
微探究 如图为卢瑟福所做的α粒子
散射实验装置的示意图。
(1)该实验中为什么用金箔作靶子
(2)当把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,
哪个位置相同时间内观察到屏上的闪光次数最多
提示:(1)金的延展性好,可以做得很薄,而且金的原子序数大,产生的库仑斥力大,偏转明显。
(2)在A处相同时间内观察到屏上的闪光次数最多。
三、原子核的电荷与尺度
1.原子核的电荷:原子核是由质子和中子构成的,原子核的电荷数就是核中的　质子数　。
2.原子核的大小:原子半径的数量级为　10-10 m　,原子核半径的数量级为　10-15 m　。
微判断 (1)α粒子带有一个单位的正电荷,质量为氢原子质量的2倍。(　　)
(2)α粒子散射实验证实了汤姆孙的枣糕式原子模型。(　　)
(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)原子核的电荷数等于核中的中子数。(　　)
(5)对于一般的原子,由于原子核很小,因此原子内部十分空旷。
(　　)
×
×
√
×
√
课堂·重难突破
一 电子的发现
问题探究
在如图所示的演示实验中,K和A之间加上高电压后,玻璃管壁上观察到淡淡的荧光及管中物体投射在玻璃管壁上的阴影,这说明阴极能够发出某种射线,并且撞击玻璃引起荧光。
(1)人们对这种阴极射线的本质的认识有两种观点,一种观点认为,它是电磁辐射,另一种观点认为,它是带电微粒,如何用实验判断哪种观点正确
(2)根据带电粒子在电、磁场中的运动规律,哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的电性
提示:(1)可以让阴极射线通过电场或磁场,比如射线沿垂直于磁场方向通过磁场后发生了偏转,则说明该射线是由带电微粒组成的。
(2)判断粒子所带电荷的正、负,可以让粒子以一定的初速度垂直于电场线的方向进入一匀强电场,如果粒子沿着电场线的方向偏转,那么粒子带正电。也可以让粒子以一定的速度垂直于磁感线的方向进入一匀强磁场,由左手定则也可以判断粒子的电性。
归纳总结
1.对阴极射线本质的认识——两种观点。
两种观点 代表人物 观点内容
电磁波说 赫兹 阴极射线是一种电磁辐射
粒子说 J.J.汤姆孙 阴极射线是一种带电粒子流
2.阴极射线粒子带电性质的判断方法。
(1)方法一:在阴极射线所经区域加上电场,通过打在荧光屏上的亮点的变化和电场的情况确定阴极射线的带电性质。
如图所示的带电粒子在电场中运动,受静电力作用后运动状态发生改变(粒子重力忽略不计)。带电粒子在不受其他力时,沿着电场线方向偏转时,粒子带正电,逆着电场线方向偏转时,粒子带负电。
(2)方法二:在阴极射线所经区域加一磁场,根据亮点位置的变化和左手定则确定阴极射线的带电性质。
如图所示的带电粒子将受到洛伦兹力作用,速度方向始终与洛伦兹力方向垂直,利用左手定则,即可判断粒子的电性。如果粒子按图示方向进入磁场,且做顺时针的圆周运动,则粒子带正电;如做逆时针的圆周运动,则粒子带负电。
3.电子比荷的测定方法。
如图所示,让粒子通过正交的电磁场,让其做直线运动,根据二力平衡,即F洛=F静(Bqv=qE),得到粒子的运动速度v= 。
4.电子发现的意义。
电子是人类发现的第一个比原子小的粒子。电子的发现,打破了原子不可再分的传统观念,使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也有内部结构。J.J.汤姆孙也由于发现了电子,荣获了1906年诺贝尔物理学奖,被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。
典型例题
【例1】 在再现J.J.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为B的匀强磁场(图中未画出),荧光斑恰好回到荧光屏中心,接着再去掉电场,阴极射线在D、G间向上偏转,离开DG区域时偏转角为θ。
解析:(1)由阴极射线在电场中向下偏转可知,阴极射线粒子受静电力方向向下,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,所以阴极射线粒子带负电。
(2)由于所加磁场使阴极射线粒子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)设阴极射线粒子的电荷量为q,质量为m,
当其在D、G间做匀速直线运动时,有qE=Bqv
当其在D、G间的磁场中偏转时,如图所示:
规律方法 求解阴极射线粒子的比荷的思路 (1)阴极射线粒子在匀强电场中做类平抛运动,可利用运动的分解、运动学公式、牛顿运动定律列出相应的关系式。 (2)阴极射线粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,要注意通过画轨迹示意图来确定圆心位置,利用几何知识求其半径。 (3)阴极射线粒子匀速直线运动通过相互垂直的匀强电磁场时,根据qE=qvB可求其速度。
二 α粒子散射实验和原子的核式结构模型
问题探究
α粒子散射的实验装置如图所示。实验过程中,α粒子为什么会发生大角度偏转
提示:α粒子受到原子核的库仑力作用。
归纳总结
1.α粒子散射实验。
(1)实验装置:α粒子源、金箔、显微镜和荧光屏。
(2)实验现象。
①绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。
②少数α粒子发生了大角度的偏转。
③极少数α粒子的偏转角大于90°,甚至有极个别α粒子被反弹回来。
(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粒子与金核间的库仑斥力大,偏转明显。
(4)实验意义:卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了J.J.汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型。
2.原子的核式结构模型。
(1)核式结构模型。
1911年由卢瑟福提出,在原子中心有一个很小的核,它集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量,电子在核外空间运动。
(2)原子核的电荷与尺度。
3.原子的核式结构模型与原子的枣糕模型的比较。
比较项 枣糕模型 核式结构模型
特点 原子是充满了正电荷的球体,电子均匀镶嵌在原子球体内 原子内部是非常空旷的,正电荷集中在一个很小的核里,电子绕核高速旋转
比较项 枣糕模型 核式结构模型
对α
粒子
散射
实验
的解
释 受力 α粒子在原子内部时,受到的库仑斥力相互抵消,几乎为零 少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大,而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小
偏转 不会发生大角度偏转 绝大多数α粒子运动方向不变,少数α粒子发生大角度偏转,极少数α粒子偏转角度超过90°,有的甚至被弹回
分析 不符合α粒子散射现象 符合α粒子散射现象
典型例题
【例2】 卢瑟福的α粒子散射实验装
置如图所示,在一个小铅盒里放有少量
的放射性元素钋,它发出的α粒子从铅
盒的小孔射出,形成很细的一束射线,射到金箔上,最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(　　)
A.该实验证实了原子枣糕模型的正确性
B.只有少数的α粒子发生大角度偏转
C.根据该实验估算出原子核的直径约为10-10 m
D.α粒子与金原子中的电子碰撞可能会发生大角度偏转
B
解析:根据α粒子散射实验现象,卢瑟福提出了原子核式结构模型,否定了J.J.汤姆孙的原子枣糕模型,选项A错误;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粒子偏转角度超过90°,选项B正确;根据该实验估算出原子核的直径的数量级为10-15 m,选项C错误;电子质量远小于α粒子的质量,α粒子与电子碰撞时不会发生大角度的偏转,选项D错误。
规律总结 1.分析α粒子散射实验中的现象时,应注意是“绝大多数”“少数”还是“极少数”粒子的行为。“大角度偏转”只是少数粒子的行为。 2.α粒子散射实验是得出核式结构模型的实验基础,对实验现象的分析是建立卢瑟福核式结构模型的关键。通过对α粒子散射实验这一宏观探测,间接地构建出原子结构的微观图景。
成 果 验 收 站
1.对阴极射线管的认识,下列说法错误的是(　　)
A.阴极射线管是用来观察电子束运动轨迹的装置
B.借助阴极射线管可以看到每个电子的运动轨迹
C.阴极射线管内部应抽成真空
D.阴极射线管工作时,它的阴极和阳极之间存在强电场
答案:B
解析:阴极射线管可以从阴极发射出电子,用荧光屏可以显示出电子束的轨迹,选项A正确。电子发射出来时速度极大,无法看到每个电子的运动轨迹,只能观察到电子束的轨迹,选项B错误。电子质量很小,阴极射线管内如有空气,电子因与空气分子碰撞,能量损失很大,轨迹很短,所以阴极射线管内部应抽成真空,选项C正确。阴极射线管工作时,在它的阴极和阳极之间加上高电压,产生强电场,使电子脱离阴极加速,选项D正确。
2.美国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,板间产生匀强电场,方向竖直向下,图中油滴由于带负电,因此悬浮在两板间保持静止。
(1)若要测出该油滴的电荷量,需要测出的物理量有　　　(填写选项前的字母)。
A.油滴的质量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整数倍,这个最小电荷量被认为是元电荷,其值为e=　　　　 C。(保留两位有效数字)
4.(多选)根据α粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。原子核式结构模型的α粒子散射图如图所示,图中实线表示α粒子运动轨迹。其中一个α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中,α粒子在b点时距原子核最近。下列说法正确的是(　　)
A.卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子
B.α粒子出现较大角度偏转的原因是α粒子
运动到b时受到的库仑力较大
C.α粒子从a到c的运动过程中电势能先变小后变大
D.α粒子从a到c的运动过程中加速度先变大后变小
BD
解析:J.J.汤姆孙在对阴极射线的探究中发现了电子,选项A错误。α粒子出现大角度偏转的原因是靠近原子核时(运动到b时)受到较大的斥力作用,选项B正确。α粒子从a到c受到的库仑力先增大后减小,加速度先变大后变小,库仑力先做负功后做正功,电势能先变大后变小,选项C错误,D正确。
5.卢瑟福通过α粒子散射实验得出了原子核式结构模型,实验装置如图所示,带电粒子打到荧光屏上就会产生光斑,为验证α粒子散射实验结论,现在1、2、3、4四处放置带有荧光屏的显微镜,则这四处位置一段时间内统计的闪烁次数符合实验事实的是(　　)
A.1 605、35、11、1
B.1 242、1 305、723、203
C.2、10、655、1 205
D.1 232、1 110、733、203
答案:A
解析:α粒子散射实验的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,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°,选项A符合事实。
6.在卢瑟福的α粒子散射实验中,有少数α粒子发生了大角度偏转,其原因是(　　)
A.原子是可再分的
B.正电荷在原子内是均匀分布的
C.原子中有带负电的电子,电子会对粒子有引力作用
D.原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
答案:D
解析:阴极射线的发现,说明原子是可再分的,α粒子散射实验,并不能说明原子可再分,选项A错误。在α粒子散射实验中有少数α粒子发生了较大角度的偏转,这是由于α粒子与原子核均带正电,且原子核极小,α粒子能接近原子核的机会很小,大多数α粒子都从核外的空间穿过,α粒子与电子碰撞时如同子弹碰到尘埃一样,运动方向基本不发生改变,只有少数α粒子十分接近原子核时,受到很大的斥力作用,斥力使α粒子发生大角度偏转,选项D正确,B、C错误。

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