第3节 原子的核式结构模型

第3节原子的核式结构模型核心素养点击

物理观念(1)知道发现电子的意义。(2)了解α粒子散射实验原理和实验现象。(3)了解卢瑟福的原子核式结构模型，知道原子和原子核大小的数量级。科学思维认识原子核式结构模型建立的科学推理与论证过程。科学探究知道电子的发现过程并对α粒子散射实验的过程和结果进行交流、评价、反思。科学态度与责任体会电子发现过程和α粒子散射实验中所蕴含的科学方法。一、电子的发现1．填一填(1)阴极射线：在研究稀薄气体放电时，由

发出的，能使玻璃管壁发出______的射线。(2)电子的发现①汤姆孙的探究方法a．让阴极射线分别通过电场和磁场，根据

现象，证明它是

的粒子流并求出了其比荷。b．换用不同的阴极做实验，所得

的数值都相同，是氢离子比荷的近两千倍。c．汤姆孙研究的新现象：如光电效应、热离子发射效应和β射线等。发现不论阴极射线、β射线、光电流还是热离子流，它们都包含

。阴极偏转带负电比荷电子萤光②密立根“油滴实验”a．测得电子电荷量e的值为e＝1.602176634×10－19C。b．任何带电体的电荷都是

的，只能是e的

。③结论：量子化整数倍2．判一判(1)汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射。

(

)(2)组成阴极射线的粒子是电子。

(

)(3)电子是原子的组成部分，其电荷量可以是任意值。

(

)××√3．选一选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，如图所示，若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为

(

)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．垂直于纸面向里解析：阴极射线带负电，由阴极加速飞向阳极，在磁场中运动时，根据左手定则可知，四指指向电子运动的反方向，磁感线垂直穿过掌心，大拇指所指方向为受力方向，所加的磁场方向垂直于纸面向外，C选项正确。答案：C二、原子的核式结构模型1．填一填(1)汤姆孙的原子模型汤姆孙于1898年提出一种模型，他认为，原子是一个

体，

弥漫性地均匀分布在整个球体内，

镶嵌其中，有人形象地把汤姆孙的原子模型称为“

模型”或“

模型”。(2)α粒子散射实验①α粒子：从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7300倍。球正电荷电子西瓜枣糕②实验装置如图所示，整个装置处于真空中，其中：α粒子源R是被铅块包围的，它发射的α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在金箔F上。显微镜M带有荧光屏S，可以在水平面内转到不同的方向对散射的α粒子进行观察。被散射的α粒子打在荧光屏上会有微弱的闪光产生。通过显微镜观察闪光就可以记录在某一时间内某一方向散射的α粒子数。绝大多数少数大于撞了回来核式结构原子核正电荷质量电子(4)原子核的电荷与尺度①原子核的电荷数非常接近它们的

。②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

数。③原子核的半径的数量级为10－15m，而原子半径的数量级是10－10m，可见原子内部是十分“空旷”的。原子序数质子2．判一判(1)α粒子散射实验证明了汤姆孙的原子模型是符合事实的。

(

)(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)α粒子大角度的偏转是电子造成的。

(

)×××3．选一选如图所示为α粒子散射实验装置，粒子打到荧光屏上都会引起闪烁，若将带有荧光屏的显微镜分别放在图中A、B、C、D四处位置。则这四处位置在相等时间内统计的闪烁次数符合事实的是

(

)A．1305、25、7、1B．202、405、625、825C．1202、1010、723、203D．1202、1305、723、203解析：根据α粒子散射实验的现象可知，大多数粒子能按原来方向前进，少数粒子方向发生了偏转，极少数粒子偏转超过90°，甚至有的被反向弹回，在相等时间内A处闪烁次数最多，其次是B、C、D三处，并且数据相差比较大，A选项正确。答案：A

探究(一)电子的发现及其比荷的测定[问题驱动]如图所示为汤姆孙的气体放电管。(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？提示：阴极射线向下偏转，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？提示：由左手定则可得，在金属板D1、D2之间单独加垂直纸面向外的磁场，可以让阴极射线向上偏转。[重难释解]1．电子的发现过程(1)现象科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就能发出一种射线，它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。(2)猜想①阴极射线是一种电磁辐射。②阴极射线是带电微粒。(3)英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转。

(4)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。1897年，物理学家汤姆孙正式测定了电子的比荷，打破了原子是不可再分的最小单位的观点。因此，汤姆孙的实验是物理学发展史上最著名的经典实验之一。在实验中汤姆孙采用了如图所示的阴极射线管，从电子枪C出来的电子经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、E平行板间，接着在荧光屏F中心出现荧光斑。若在D、E间加上方向向下，场强为E的匀强电场，电子将向上偏转；如果再利用通电线圈在D、E电场区加上一垂直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，电子向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题。(1)说明图中磁场沿什么方向。(2)根据L、E、B和θ，求出电子的比荷。求解带电粒子比荷的思路(1)带电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)带电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)带电粒子通过相互垂直的匀强电、磁场时，可使其做匀速直线运动，根据qE＝qvB可求其速度。

[素养训练]1．(多选)1897年英国物理学家汤姆孙发现了电子，汤姆孙也被称为“电子之父”。下列关于电子的说法正确的是 (

)A．汤姆孙通过对阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是带负电的粒子的结论，并求出了阴极射线的比荷B．汤姆孙通过对光电效应的研究，发现了电子C．电子质量是质子质量的1836倍D．汤姆孙通过对不同材料做成的阴极发出射线的研究，并进一步研究光电效应等现象，说明电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元答案：AD

探究(二)

α粒子散射实验及现象分析[问题驱动]如图是α粒子散射实验装置，各部分的作用是什么？提示：放射源放出快速运动的α粒子，α粒子通过金箔时被散射，打在荧光屏上发出荧光，可通过带有荧光屏的放大镜进行观察，并可以在水平面内转动，观察不同方向和不同位置通过金箔的散射α粒子数量，整个装置封闭在真空内。[重难释解]1．实验背景：α粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。2．否定汤姆孙的原子结构模型(1)质量远小于原子的电子，对α粒子的运动影响完全可以忽略，不应该发生大角度偏转。(2)α粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对α粒子运动方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转。(3)α粒子的大角度偏转，否定汤姆孙的原子结构模型。3．卢瑟福的核式结构模型对α粒子散射分析(1)分布情况：原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核内，原子中绝大部分是空的。(2)受力情况①少数α粒子靠近原子核时，受到的库仑斥力大；②大多数α粒子离原子核较远，受到的库仑斥力较小。(3)偏转情况①绝大多数α粒子运动方向不会明显变化(因为电子的质量相对于α粒子很小)；②少数α粒子发生大角度偏转，甚至被弹回；③如果α粒子几乎正对着原子核射来，偏转角就几乎达到180°，这种机会极少。如图所示，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。在α粒子从a运动到b再运动到c的过程中，下列说法中正确的是(

)A．动能先增大后减小B．电势能先减小后增大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[答案]

C2．库仑力对α粒子的做功情况(1)当α粒子靠近原子核时，库仑斥力做负功，电势能增加。(2)当α粒子远离原子核时，库仑斥力做正功，电势能减小。3．α粒子的能量转化仅有库仑力做功时，能量只在电势能和动能之间发生相互转化，且总能量保持不变。[素养训练]1．α粒子散射实验中，使α粒子散射的原因是

(

)A．α粒子与原子核外电子碰撞B．α粒子与原子核发生接触碰撞C．α粒子发生明显衍射D．α粒子与原子核的库仑斥力作用解析：α粒子与原子核外电子的作用是很微弱的。由于原子核的质量和电荷量很大，α粒子与原子核很近时，库仑斥力很强，足可以使α粒子发生大角度偏转甚至反向弹回，使α粒子散射的原因是与原子核的库仑斥力，选项D正确。答案：D2．X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若α粒子入射时的动能相同，其偏转轨迹可能是图中的

(

)解析：α粒子离金核越远其所受斥力越小，轨迹弯曲程度就越小，故选项D正确。答案：D3．(多选)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．能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子解析：原子核带正电，与α粒子之间存在库仑力，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错误，B正确；由于原子核非常小，绝大多数α粒子经过时离原子核较远，因而运动方向几乎不变，只有离原子核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D正确。答案：BCD探究(三)原子的核式结构与原子核的大小[问题驱动]卢瑟福根据α粒子散射实验结果分析得出，原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核内。(1)原子核外的部分带什么电？其质量特点如何？提示：带负电，其质量很小。(2)原子核半径的数量级是多少？原子半径数量级呢？提示：10－15m,10－10m。[重难释解]1．原子的核式结构模型与原子的枣糕模型的对比2．原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近原子序数。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．原子核的大小：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。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均匀嵌在原子球体内(多选)关于原子核式结构理论说法正确的是

(

)A．是通过发现电子现象得出来的B．原子的中心有个核，叫作原子核C．原子的正电荷均匀分布在整个原子中D．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外旋转[解析]

原子的核式结构模型是在α粒子的散射实验结果的基础上提出的，A错误；原子中绝大部分是空的，带正电的部分集中在原子中心一个很小的范围，称为原子核，B正确，C错误；原子核集中了原子全部正电荷和几乎全部质量，带负电的电子在核外旋转，D正确。[答案]

BD[素养训练]1．人们在研究原子结构时提出过许多模型，其中比较有名的是枣糕模型和核式结构模型，它们的模型示意图如图所示。下列说法中正确的是 (

)A．α粒子散射实验与枣糕模型和核式结构模型的建立无关B．科学家通过α粒子散射实验否定了枣糕模型，建立了核式结构模型C．科学家通过α粒子散射实验否定了核式结构模型，建立了枣糕模型D．科学家通过α粒子散射实验否定了枣糕模型和核式结构模型解析：α粒子散射实验与核式结构模型的建立有关，通过该实验，否定了枣糕模型，建立了核式结构模型，故B正确。答案：B2．关于原子结构，下列说法正确的是 (

)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10－10mC．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：卢瑟福的原子结构模型的内容为：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，故C、D错误；又因为原子核半径的数量级为10－15m，原子半径的数量级为10－10m，两者相差十万倍之多，因此原子内部是十分“空旷”的，故A正确，B错误。答案：A3．(多选)在α粒子散射实验中，如果两个具有相同能量的α粒子，从不同大小的角度散射出来，则散射角度大的α粒子 (

)A．更接近原子核B．更远离原子核C．受到一个以上的原子核作用D．受到原子核较大的冲量作用解析：由于原子的体积远远大于原子核的体积，当α粒子穿越某一个原子的空间时，其他原子核距α粒子相对较远，而且其他原子核对α粒子的作用力也可以近似相互抵消，所以散射角度大的这个α粒子并不是由于受到多个原子核作用造成的，C错；由库仑定律可知，α粒子受到的斥力与距离的平方成反比，α粒子距原子核越近，斥力越大，运动状态改变越大，即散射角度越大，A对，B错；当α粒子受到原子核较大的冲量作用时，动量的变化量就大，即速度的变化量就大，则散射角度就大，D对。答案：AD一、培养创新意识和创新思维(选自鲁科版新教材课后练习)已知α