新步步高学年高中物理 第十八章 原子结构 12 电子的发现原子的核式结构模型学案.docx

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新步步高学年高中物理第十八章原子结构12电子的发现原子的核式结构模型学案

1　电子的发现　

2　原子的核式结构模型

[目标定位]　1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，知道电子的电荷量和比荷.2.知道α粒子散射实验的实验方法和实验现象及卢瑟福原子核式结构模型的主要内容.3.能说出原子和原子核大小的数量级．

一、阴极射线

1．实验：

如图18－1、2－1所示，

图18－1、2－1

真空玻璃管中K是金属板制成的阴极，接感应线圈的负极，A是金属环制成的阳极，在K、A间加近万伏的高电压，可观察到玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影．

2．阴极射线：

荧光的实质是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线被命名为阴极射线．

二、电子的发现

1．让阴极射线分别通过电场或磁场，根据偏转情况，证明了它的本质是带负电的粒子流，并求出其比荷．

2．密立根通过著名的“油滴实验”精确地测出了电子电荷．电子电荷量一般取e＝1.6×10－19__C，电子质量me＝9.1×10－31__kg．

想一想　电子发现的重大意义是什么？

答案　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．从此，原子物理学飞速发展，人们对物质结构的认识进入了一个新时代．

三、α粒子散射实验

1．α粒子

从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核，带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7300倍．

2．实验结果

绝大多数α粒子穿过金箔后，基本沿原方向前进．少数α粒子发生大角度偏转，偏转角甚至大于90°.

3．卢瑟福的核式结构模型

1911年由卢瑟福提出，在原子中心有一个很小的核，叫原子核．它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动．

四、原子核的电荷与尺度

1．原子内的电荷关系

各种元素的原子核的电荷数与原子内含有的电子数相等，非常接近它们的原子序数．

2．原子核的组成

原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就等于原子核中的质子数．

3．原子核的大小

对于一般的原子核，实验确定的原子核半径R的数量级为10－15m，而整个原子半径的数量级是10－10m．因而原子内部十分“空旷”．

一、探究电子发现的历程

1．真空玻璃管两极加上高电压→玻璃管壁上发出荧光

2．德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线．

3．猜想

（1）阴极射线是一种电磁辐射．

（2）阴极射线是带电微粒．

4．英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转．

5．密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量．

例1

　汤姆孙对阴极射线的探究，最终发现了电子，由此被称为“电子之父”，关于电子的说法正确的是（　　）

A．电子是原子核的组成部分

B．电子电荷的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的

C．电子电荷量的数值约为1.602×10－19C

D．电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷

答案　BC

解析　电子是原子的组成部分，电子的发现说明原子是可以再分的．电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷，也叫荷质比．

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18－1、2－2所示．

图18－1、2－2

2．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粒子发生较大的偏转．

（3）极少数α粒子偏转角度超过90°，有的几乎达到180°.

3．注意事项：

（1）整个实验过程在真空中进行．

（2）α粒子是氦原子核，体积很小，金箔需要做得很薄，α粒子才能穿过．

4．汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射

图18－1、2－3

例2

　如图18－1、2－3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，下述说法中正确的是（　　）

A．相同时间内在A时观察到屏上的闪光次数最多

B．相同时间内在B时观察到屏上的闪光次数比放在A时稍少些

C．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少

D．放在C、D位置时屏上观察不到闪光

答案　ABC

解析　在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故A正确；少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度大于90°，极个别α粒子反弹回来，所以在B位置只能观察到少数的闪光，在C、D两位置能观察到的闪光次数极少，故D错，B、C对．

借题发挥　解决α粒子散射实验问题的技巧

（1）熟记装置及原理．

（2）理解建立核式结构模型的要点．

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、电量均比它本身大得多的物体的作用．

④绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的质量、电量都集中在体积很小的核内．

针对训练1　（2013·福建高考）在卢瑟福α粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是（　　）

答案　C

解析　α粒子与原子核相互排斥，A、D错；运动轨迹与原子核越近，力越大，运动方向变化越明显，B错，C对．

三、卢瑟福原子核式结构模型

1．内容：

在原子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核内，带负电的电子在核外空间绕核旋转．

2．对α粒子散射实验结果的解释

（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，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粒子十分接近原子核穿过时，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，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图18－1、2－4所示．

图18－1、2－4

3．数量级：

原子的半径数量级为10－10m，原子核半径的数量级为10－15m，原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一，体积只相当于原子体积的10－15.

例3

　下列对原子结构的认识中，错误的是（　　）

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，向心力为库仑力

C．原子的全部正电荷都集中在原子核里

D．原子核的直径大约为10－10m

答案　D

解析　卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，卢瑟福提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核直径的数量级为10－15m，而原子直径的数量级为10－10m，是原子核直径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的库仑引力而绕核旋转，所以本题应选D.

针对训练2　在卢瑟福α粒子散射实验中，只有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是（　　）

A．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里

B．正电荷在原子内是均匀分布的

C．原子中存在着带负电的电子

D．原子的质量在原子核内是均匀分布的

答案　A

解析　本题考查了学生对α粒子散射实验结果与原子的核式结构关系的理解．原子的核式结构正是建立在α粒子散射实验结果基础上的，C、D的说法没有错，但与题意不符．

电子的发现及对电子的认识

1．关于阴极射线的性质，判断正确的是（　　）

A．阴极射线带负电

B．阴极射线带正电

C．阴极射线的比荷比氢原子比荷大

D．阴极射线的比荷比氢原子比荷小

答案　AC

解析　通过让阴极射线在电场、磁场中的偏转的研究发现阴极射线带负电，其比荷比氢原子的比荷大得多，故A、C正确．

2．阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，在其间的高电压下加速飞向阳极，如图18－1、2－5所示．若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为（　　）

图18－1、2－5

A．平行于纸面向左B．平行于纸面向上

C．垂直于纸面向外D．垂直于纸面向里

答案　C

解析　由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线方向向右传播，说明电子的运动方向向右，相当于存在向左的电流，利用左手定则，使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外，故选项C正确．

α粒子散射实验的理解

3．在α粒子的散射实验中，使少数α粒子发生大角度偏转的作用力是原子核对α粒子的（　　）

A．万有引力B．库仑力

C．磁场力D．核力

答案　B

原子的核式结构模型

4．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绕着核旋转

答案　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，叫做原子核，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空间绕着核旋转，由此可见，B选项错误，A、C、D选项正确．

5．卢瑟福对α粒子散射实验的解释是（　　）

A．使α粒子产生偏转的主要原因是原子中电子对α粒子的作用力

B．使α粒子产生偏转的力是库仑力

C．原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进

D．能发生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子

答案　BCD

解析　原子核带正电，与α粒子间存在库仑力，当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转，电子对它的影响可忽略，故A错、B对；由于原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远因而运动方向几乎不变，只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D对．

题组一　电子的发现及对电子的认识

1．关于阴极射线的本质，下列说法正确的是（　　）

A．阴极射线本质是氢原子

B．阴极射线本质是电磁波

C．阴极射线本质是电子

D．阴极射线本质是X射线

答案　C

解析　阴极射线是原子受激发射出的电子，关于阴极射线是电磁波、X射线都是在研究阴极射线过程中的一些假设，是错误的．

2．关于阴极射线，下列说法正确的是（　　）

A．阴极射线就是稀薄气体导电的辉光放电现象

B．阴极射线是在真空管内由阴极发出的电子流

C．阴极射线是组成物体的原子

D．阴极射线沿直线传播，但可被电场、磁场偏转

答案　BD

解析　阴极射线是在真空管中由阴极发出的电子流，B正确，A错误；电子是原子的组成部分，C错误；电子可被电场、磁场偏转，D正确．

3．关于电荷的电荷量下列说法错误的是（　　）

A．电子的电量是由密立根油滴实验测得的

B．物体所带电荷量可以是任意值

C．物体所带电荷量最小值为1.6×10－19C

D．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍

答案　B

解析　密立根的油滴实验测出了电子的电量为1.6×10－19C，并提出了电荷量子化的观点，因而A对，B错，C对；任何物体的电荷量都是e的整数倍，故D对．因此选B.

4．如图18－1、2－6是阴极射线管示意图．接通电源后，阴极射线由阴极沿x轴正方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线．要使荧光屏上的亮线向下（z轴负方向）偏转，在下列措施中可采用的是（　　）

图18－1、2－6

A．加一磁场，磁场方向沿z轴负方向

B．加一磁场，磁场方向沿y轴正方向

C．加一电场，电场方向沿z轴负方向

D．加一电场，电场方向沿y轴正方向

答案　B

解析　若加磁场，由左手定则可知，所加磁场方向沿y轴正方向，B正确；若加电场，因电子向下偏转，则电场方向沿z轴正方向．

题组二　对α粒子散射实验的理解

5．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（　　）

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

答案　B

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，故选项A错误．α粒子被散射时只有少数发生了较大角度偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°，故选项B正确，选项C、D错误．

6．如图所示，X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它们入射时的动能相同，其偏转轨道可能是图中的（　　）

答案　D

解析　α粒子离金核越远，其所受斥力越小，轨道弯曲的就越小，故D对．

7．当α粒子穿过金箔发生大角度偏转的过程中，下列说法正确的是（　　）

A．α粒子先受到原子核的斥力作用，后受原子核的引力的作用

B．α粒子一直受到原子核的斥力作用

C．α粒子先受到原子核的引力作用，后受到原子核的斥力作用

D．α粒子一直受到库仑斥力，速度一直减小

答案　B

解析　α粒子与金原子核带同种电荷，两者相互排斥，故A、C错误，B正确；α粒子在靠近金原子核时斥力做负功，速度减小，远离时斥力做正功，速度增大，故D错误．

题组三　卢瑟福的核式结构模型

8．卢瑟福的α粒子散射实验的结果显示了下列哪些情况（　　）

A．原子内存在电子

B．原子的大小为10－10m

C．原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上

D．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内

答案　D

解析　根据α粒子散射实验现象，绝大多数α粒子穿过金箔后沿原来方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°，可知C错，A与题意不符；而实验结果不能判定原子的大小为10－10m，B错，故选D.

9．关于卢瑟福的原子核式结构学说的内容，下列叙述正确的是（　　）

A．原子是一个质量分布均匀的球体

B．原子的质量几乎全部集中在原子核内

C．原子的正电荷和负电荷全部集中在一个很小的核内

D．原子半径的数量级是10－10m，原子核半径的数量级是10－15m

答案　BD

解析　根据卢瑟福的原子核式结构学说，可知选项B、D正确．

10．α粒子散射实验中，当α粒子最接近原子核时，α粒子符合下列哪种情况（　　）

A．动能最小

B．势能最小

C．α粒子与金原子组成的系统的能量小

D．所受原子核的斥力最大

答案　AD

解析　该题考查了原子的核式结构、动能、电势能、库仑定律及能量守恒等知识点．α粒子在接近金原子核的过程中，要克服库仑斥力做功，动能减少，电势能增加，两者相距最近时，动能最小，电势能最大，总能量守恒．根据库仑定律，距离最近时，斥力最大．

11．已知金的原子序数为79，α粒子离金原子核的最近距离为10－13m，则α粒子离金核最近时受到的库仑力多大？

对α粒子产生的加速度多大？

已知α粒子的电荷量qα＝2e，质量mα＝6.64×10－27kg.

答案　3.64N　5.48×1026m/s2

解析　分别根据库仑定律和牛顿第二定律可算出：

α粒子离核最近时受到的库仑力

F＝k

＝k

＝9×109×

N

＝3.64N.

库仑斥力对α粒子产生的加速度大小

a＝

＝

m/s2＝5.48×1026m/s2.

12．已知电子质量为9.1×10－31kg，带电荷量为－1.6×10－19C，若氢原子核外电子绕核旋转时的轨道半径为0.53×10－10m，求电子绕核运动的线速度大小、动能、周期和形成的等效电流．

答案　2.19×106m/s　2.18×10－18J　1.53×10－16s　1.05×10－3A

解析　由卢瑟福的原子模型可知：

电子绕核做圆周运动所需的向心力由核对电子的库仑引力来提供．

根据

＝k

，得v＝e

＝1.6×10－19×

m/s＝2.19×106m/s；

其动能Ek＝

mv2＝

×9.1×10－31×（2.19×106）2J

＝2.18×10－18J；

运动周期T＝

＝

s

＝1.53×10－16s；

电子绕核运动形成的等效电流

I＝

＝

＝

A＝1.05×10－3A.