第3節(jié) 原子的核式結(jié)構(gòu)模型

第3節(jié)原子的核式結(jié)構(gòu)模型核心素養(yǎng)點擊

物理觀念(1)知道發(fā)現(xiàn)電子的意義。(2)了解α粒子散射實驗原理和實驗現(xiàn)象。(3)了解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，知道原子和原子核大小的數(shù)量級。科學思維認識原子核式結(jié)構(gòu)模型建立的科學推理與論證過程?？茖W探究知道電子的發(fā)現(xiàn)過程并對α粒子散射實驗的過程和結(jié)果進行交流、評價、反思?？茖W態(tài)度與責任體會電子發(fā)現(xiàn)過程和α粒子散射實驗中所蘊含的科學方法。一、電子的發(fā)現(xiàn)1．填一填(1)陰極射線：在研究稀薄氣體放電時，由

發(fā)出的，能使玻璃管壁發(fā)出______的射線。(2)電子的發(fā)現(xiàn)①湯姆孫的探究方法a．讓陰極射線分別通過電場和磁場，根據(jù)

現(xiàn)象，證明它是

的粒子流并求出了其比荷。b．換用不同的陰極做實驗，所得

的數(shù)值都相同，是氫離子比荷的近兩千倍。c．湯姆孫研究的新現(xiàn)象：如光電效應、熱離子發(fā)射效應和β射線等。發(fā)現(xiàn)不論陰極射線、β射線、光電流還是熱離子流，它們都包含

。陰極偏轉(zhuǎn)帶負電比荷電子螢光②密立根“油滴實驗”a．測得電子電荷量e的值為e＝1.602176634×10－19C。b．任何帶電體的電荷都是

的，只能是e的

。③結(jié)論：量子化整數(shù)倍2．判一判(1)湯姆孫認為陰極射線是一種電磁輻射。

(

)(2)組成陰極射線的粒子是電子。

(

)(3)電子是原子的組成部分，其電荷量可以是任意值。

(

)××√3．選一選陰極射線從陰極射線管中的陰極發(fā)出，在其間的高電壓下加速飛向陽極，如圖所示，若要使射線向上偏轉(zhuǎn)，所加磁場的方向應為

(

)A．平行于紙面向左 B．平行于紙面向上C．垂直于紙面向外

D．垂直于紙面向里解析：陰極射線帶負電，由陰極加速飛向陽極，在磁場中運動時，根據(jù)左手定則可知，四指指向電子運動的反方向，磁感線垂直穿過掌心，大拇指所指方向為受力方向，所加的磁場方向垂直于紙面向外，C選項正確。答案：C二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型1．填一填(1)湯姆孫的原子模型湯姆孫于1898年提出一種模型，他認為，原子是一個

體，

彌漫性地均勻分布在整個球體內(nèi)，

鑲嵌其中，有人形象地把湯姆孫的原子模型稱為“

模型”或“

模型”。(2)α粒子散射實驗①α粒子：從放射性物質(zhì)中發(fā)射出來的快速運動的粒子，質(zhì)量為氫原子質(zhì)量的4倍、電子質(zhì)量的7300倍。球正電荷電子西瓜棗糕②實驗裝置如圖所示，整個裝置處于真空中，其中：α粒子源R是被鉛塊包圍的，它發(fā)射的α粒子經(jīng)過一條細通道，形成一束射線，打在金箔F上。顯微鏡M帶有熒光屏S，可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)到不同的方向?qū)ι⑸涞摩亮Ｗ舆M行觀察。被散射的α粒子打在熒光屏上會有微弱的閃光產(chǎn)生。通過顯微鏡觀察閃光就可以記錄在某一時間內(nèi)某一方向散射的α粒子數(shù)。絕大多數(shù)少數(shù)大于撞了回來核式結(jié)構(gòu)原子核正電荷質(zhì)量電子(4)原子核的電荷與尺度①原子核的電荷數(shù)非常接近它們的

。②原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)就是核中的

數(shù)。③原子核的半徑的數(shù)量級為10－15m，而原子半徑的數(shù)量級是10－10m，可見原子內(nèi)部是十分“空曠”的。原子序數(shù)質(zhì)子2．判一判(1)α粒子散射實驗證明了湯姆孫的原子模型是符合事實的。

(

)(2)α粒子散射實驗中大多數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)或反彈。

(

)(3)α粒子大角度的偏轉(zhuǎn)是電子造成的。

(

)×××3．選一選如圖所示為α粒子散射實驗裝置，粒子打到熒光屏上都會引起閃爍，若將帶有熒光屏的顯微鏡分別放在圖中A、B、C、D四處位置。則這四處位置在相等時間內(nèi)統(tǒng)計的閃爍次數(shù)符合事實的是

(

)A．1305、25、7、1B．202、405、625、825C．1202、1010、723、203D．1202、1305、723、203解析：根據(jù)α粒子散射實驗的現(xiàn)象可知，大多數(shù)粒子能按原來方向前進，少數(shù)粒子方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)超過90°，甚至有的被反向彈回，在相等時間內(nèi)A處閃爍次數(shù)最多，其次是B、C、D三處，并且數(shù)據(jù)相差比較大，A選項正確。答案：A

探究(一)電子的發(fā)現(xiàn)及其比荷的測定[問題驅(qū)動]如圖所示為湯姆孫的氣體放電管。(1)在金屬板D1、D2之間加上如圖所示的電場時，發(fā)現(xiàn)陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，說明它帶什么性質(zhì)的電荷？提示：陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，與電場線方向相反，說明陰極射線帶負電。(2)在金屬板D1、D2之間單獨加哪個方向的磁場，可以讓陰極射線向上偏轉(zhuǎn)？提示：由左手定則可得，在金屬板D1、D2之間單獨加垂直紙面向外的磁場，可以讓陰極射線向上偏轉(zhuǎn)。[重難釋解]1．電子的發(fā)現(xiàn)過程(1)現(xiàn)象科學家在研究稀薄氣體放電時發(fā)現(xiàn)，當玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時，陰極就能發(fā)出一種射線，它能使對著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光。(2)猜想①陰極射線是一種電磁輻射。②陰極射線是帶電微粒。(3)英國物理學家湯姆孫讓陰極射線在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)。

(4)密立根通過“油滴實驗”精確測定了電子的電荷量和電子的質(zhì)量。1897年，物理學家湯姆孫正式測定了電子的比荷，打破了原子是不可再分的最小單位的觀點。因此，湯姆孫的實驗是物理學發(fā)展史上最著名的經(jīng)典實驗之一。在實驗中湯姆孫采用了如圖所示的陰極射線管，從電子槍C出來的電子經(jīng)過A、B間的電場加速后，水平射入長度為L的D、E平行板間，接著在熒光屏F中心出現(xiàn)熒光斑。若在D、E間加上方向向下，場強為E的勻強電場，電子將向上偏轉(zhuǎn)；如果再利用通電線圈在D、E電場區(qū)加上一垂直紙面的磁感應強度為B的勻強磁場(圖中未畫)，熒光斑恰好回到熒光屏中心，接著再去掉電場，電子向下偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角為θ，試解決下列問題。(1)說明圖中磁場沿什么方向。(2)根據(jù)L、E、B和θ，求出電子的比荷。求解帶電粒子比荷的思路(1)帶電粒子在勻強電場中做類平拋運動，可利用運動的分解、運動學公式、牛頓運動定律列出相應的關系式。(2)帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，要注意通過畫軌跡示意圖來確定圓心位置，利用幾何知識求其半徑。(3)帶電粒子通過相互垂直的勻強電、磁場時，可使其做勻速直線運動，根據(jù)qE＝qvB可求其速度。

[素養(yǎng)訓練]1．(多選)1897年英國物理學家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，湯姆孫也被稱為“電子之父”。下列關于電子的說法正確的是 (

)A．湯姆孫通過對陰極射線在電場和磁場中的運動得出了陰極射線是帶負電的粒子的結(jié)論，并求出了陰極射線的比荷B．湯姆孫通過對光電效應的研究，發(fā)現(xiàn)了電子C．電子質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的1836倍D．湯姆孫通過對不同材料做成的陰極發(fā)出射線的研究，并進一步研究光電效應等現(xiàn)象，說明電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元答案：AD

探究(二)

α粒子散射實驗及現(xiàn)象分析[問題驅(qū)動]如圖是α粒子散射實驗裝置，各部分的作用是什么？提示：放射源放出快速運動的α粒子，α粒子通過金箔時被散射，打在熒光屏上發(fā)出熒光，可通過帶有熒光屏的放大鏡進行觀察，并可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，觀察不同方向和不同位置通過金箔的散射α粒子數(shù)量，整個裝置封閉在真空內(nèi)。[重難釋解]1．實驗背景：α粒子散射實驗是盧瑟福指導他的學生做的一個著名的物理實驗，實驗的目的是想驗證湯姆孫原子模型的正確性，實驗結(jié)果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)。在此基礎上，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。2．否定湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型(1)質(zhì)量遠小于原子的電子，對α粒子的運動影響完全可以忽略，不應該發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。(2)α粒子在穿過原子時，受到各方向正電荷的斥力基本上會相互平衡，對α粒子運動方向的影響不會很大，也不應該發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。(3)α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)，否定湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型。3．盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型對α粒子散射分析(1)分布情況：原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在原子核內(nèi)，原子中絕大部分是空的。(2)受力情況①少數(shù)α粒子靠近原子核時，受到的庫侖斥力大；②大多數(shù)α粒子離原子核較遠，受到的庫侖斥力較小。(3)偏轉(zhuǎn)情況①絕大多數(shù)α粒子運動方向不會明顯變化(因為電子的質(zhì)量相對于α粒子很小)；②少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回；③如果α粒子幾乎正對著原子核射來，偏轉(zhuǎn)角就幾乎達到180°，這種機會極少。如圖所示，根據(jù)α粒子散射實驗，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。圖中虛線表示原子核所形成的電場的等勢線，實線表示一個α粒子的運動軌跡。在α粒子從a運動到b再運動到c的過程中，下列說法中正確的是(

)A．動能先增大后減小B．電勢能先減小后增大C．電場力先做負功后做正功，總功等于零D．加速度先減小后增大[答案]

C2．庫侖力對α粒子的做功情況(1)當α粒子靠近原子核時，庫侖斥力做負功，電勢能增加。(2)當α粒子遠離原子核時，庫侖斥力做正功，電勢能減小。3．α粒子的能量轉(zhuǎn)化僅有庫侖力做功時，能量只在電勢能和動能之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，且總能量保持不變。[素養(yǎng)訓練]1．α粒子散射實驗中，使α粒子散射的原因是

(

)A．α粒子與原子核外電子碰撞B．α粒子與原子核發(fā)生接觸碰撞C．α粒子發(fā)生明顯衍射D．α粒子與原子核的庫侖斥力作用解析：α粒子與原子核外電子的作用是很微弱的。由于原子核的質(zhì)量和電荷量很大，α粒子與原子核很近時，庫侖斥力很強，足可以使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)甚至反向彈回，使α粒子散射的原因是與原子核的庫侖斥力，選項D正確。答案：D2．X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若α粒子入射時的動能相同，其偏轉(zhuǎn)軌跡可能是圖中的

(

)解析：α粒子離金核越遠其所受斥力越小，軌跡彎曲程度就越小，故選項D正確。答案：D3．(多選)盧瑟福對α粒子散射實驗的解釋是 (

)A．使α粒子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的主要原因是原子中電子對α粒子的作用力B．使α粒子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的力是庫侖力C．原子核很小，α粒子接近它的機會很小，所以絕大多數(shù)的α粒子仍沿原來的方向前進D．能產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子是穿過原子時離原子核近的α粒子解析：原子核帶正電，與α粒子之間存在庫侖力，當α粒子靠近原子核時受庫侖力而偏轉(zhuǎn)，電子對它的影響可忽略，故A錯誤，B正確；由于原子核非常小，絕大多數(shù)α粒子經(jīng)過時離原子核較遠，因而運動方向幾乎不變，只有離原子核很近的α粒子受到的庫侖力較大，方向改變較多，故C、D正確。答案：BCD探究(三)原子的核式結(jié)構(gòu)與原子核的大小[問題驅(qū)動]盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗結(jié)果分析得出，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在原子核內(nèi)。(1)原子核外的部分帶什么電？其質(zhì)量特點如何？提示：帶負電，其質(zhì)量很小。(2)原子核半徑的數(shù)量級是多少？原子半徑數(shù)量級呢？提示：10－15m,10－10m。[重難釋解]1．原子的核式結(jié)構(gòu)模型與原子的棗糕模型的對比2．原子內(nèi)的電荷關系：原子核的電荷數(shù)與核外的電子數(shù)相等，非常接近原子序數(shù)。3．原子核的組成：原子核由質(zhì)子和中子組成，原子核的電荷數(shù)等于原子核的質(zhì)子數(shù)。4．原子核的大?。涸拥陌霃綌?shù)量級為10－10m，原子核半徑的數(shù)量級為10－15m，原子核的半徑只相當于原子半徑的十萬分之一，體積只相當于原子體積的10－15。核式結(jié)構(gòu)模型棗糕模型原子內(nèi)部是非?？諘绲?，正電荷集中在一個很小的核里原子是充滿了正電荷的球體電子繞核高速旋轉(zhuǎn)電子均勻嵌在原子球體內(nèi)(多選)關于原子核式結(jié)構(gòu)理論說法正確的是

(

)A．是通過發(fā)現(xiàn)電子現(xiàn)象得出來的B．原子的中心有個核，叫作原子核C．原子的正電荷均勻分布在整個原子中D．原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外旋轉(zhuǎn)[解析]

原子的核式結(jié)構(gòu)模型是在α粒子的散射實驗結(jié)果的基礎上提出的，A錯誤；原子中絕大部分是空的，帶正電的部分集中在原子中心一個很小的范圍，稱為原子核，B正確，C錯誤；原子核集中了原子全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量，帶負電的電子在核外旋轉(zhuǎn)，D正確。[答案]

BD[素養(yǎng)訓練]1．人們在研究原子結(jié)構(gòu)時提出過許多模型，其中比較有名的是棗糕模型和核式結(jié)構(gòu)模型，它們的模型示意圖如圖所示。下列說法中正確的是 (

)A．α粒子散射實驗與棗糕模型和核式結(jié)構(gòu)模型的建立無關B．科學家通過α粒子散射實驗否定了棗糕模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型C．科學家通過α粒子散射實驗否定了核式結(jié)構(gòu)模型，建立了棗糕模型D．科學家通過α粒子散射實驗否定了棗糕模型和核式結(jié)構(gòu)模型解析：α粒子散射實驗與核式結(jié)構(gòu)模型的建立有關，通過該實驗，否定了棗糕模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型，故B正確。答案：B2．關于原子結(jié)構(gòu)，下列說法正確的是 (

)A．原子中原子核很小，核外很“空曠”B．原子核的半徑的數(shù)量級是10－10mC．原子的全部電荷都集中在原子核里D．原子的全部質(zhì)量都集中在原子核里解析：盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)容為：在原子中心有一個很小的核，叫原子核。它集中了全部的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量，電子在核外空間運動，故C、D錯誤；又因為原子核半徑的數(shù)量級為10－15m，原子半徑的數(shù)量級為10－10m，兩者相差十萬倍之多，因此原子內(nèi)部是十分“空曠”的，故A正確，B錯誤。答案：A3．(多選)在α粒子散射實驗中，如果兩個具有相同能量的α粒子，從不同大小的角度散射出來，則散射角度大的α粒子 (

)A．更接近原子核B．更遠離原子核C．受到一個以上的原子核作用D．受到原子核較大的沖量作用解析：由于原子的體積遠遠大于原子核的體積，當α粒子穿越某一個原子的空間時，其他原子核距α粒子相對較遠，而且其他原子核對α粒子的作用力也可以近似相互抵消，所以散射角度大的這個α粒子并不是由于受到多個原子核作用造成的，C錯；由庫侖定律可知，α粒子受到的斥力與距離的平方成反比，α粒子距原子核越近，斥力越大，運動狀態(tài)改變越大，即散射角度越大，A對，B錯；當α粒子受到原子核較大的沖量作用時，動量的變化量就大，即速度的變化量就大，則散射角度就大，D對。答案：AD一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維(選自魯科版新教材課后練習)已知α