2024-2025学年新教材高中物理第四章原子结构和波粒二象性3原子的核式结构模型学案新人教版选择性必修3

PAGE17-原子的核式结构模型课程标准素养目标1.了解人类探究原子及其结构的历史。2.知道原子的核式结构模型。1.理解原子的核式结构模型及原子核、核外电子的概念。 (物理观念)2.能对α粒子散射试验现象进行说明。 (科学思维)3.知道电子的发觉过程并对α粒子散射试验的过程和结果进行沟通、评估、反思。 (科学探究)必备学问·素养奠基一、电子的发觉提示:说明阴极射线带负电。1.汤姆孙的探究:(1)让阴极射线分别通过电场和磁场,依据偏转状况,证明它是B(A.带正电B.带负电)的粒子流并求出了它的比荷。(2)换用不同材料的阴极做试验,所得比荷的数值都相同。证明这种粒子是构成各种物质的共有成分。(3)进一步探讨新现象,不论是由于正离子的轰击,紫外光的照耀,金属受热还是放射性物质的自发辐射,都能放射同样的带电粒子——电子。由此可见,电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。2.密立根“油滴试验”:(1)精确测定电子电荷。(2)电荷是量子化的。3.电子的有关常量:二、汤姆孙的原子模型1.汤姆孙原子模型:汤姆孙于1898年提出了原子模型,他认为原子是一个球体,正电荷充溢性地匀称分布在整个球体内,电子镶嵌其中,有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。2.α粒子散射试验:(1)试验装置。(2)试验现象。①绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进;②少数α粒子发生了大角度偏转;偏转的角度甚至大于90°,它们几乎被“撞了回来”。(3)试验意义:卢瑟福通过α粒子散射试验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型。三、卢瑟福的核式结构模型依据核式结构模型,原子的组成微粒是什么?它们的大小尺度是怎样的?提示:原子核和核外电子。原子半径的数量级为10-10m,原子核半径的数量级为10-151.核式结构模型:1911年由卢瑟福提出,原子中带正电的部分体积很小,但几乎占有全部质量,电子在正电体的外面运动。2.原子核的电荷与尺度:关键实力·素养形成一电子比荷的确定依据电场、磁场对电子(带电粒子)的偏转测量比荷:1.让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图),让其做匀速直线运动,依据二力平衡,即F洛=F电(Bqv=qE),得到粒子的运动速度v=。2.撤去电场(如图),保留磁场,让粒子单纯地在磁场中运动,由洛伦兹力供应向心力,即Bqv=m,依据轨迹偏转状况,由几何学问求出其半径r。3.由以上两式确定粒子的比荷表达式:=。【思索·探讨】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,发觉阴极射线向下偏转,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对外的磁场,可以让阴极射线向上偏转。【典例示范】在再现汤姆孙测阴极射线比荷的试验中,采纳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中心出现荧光斑。若在D、G间加上方向向上、场强为E的匀强电场,阴极射线将向下偏转;假如再利用通电线圈在D、G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,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)说明图中磁场沿什么方向。(3)依据L、E、B和θ,求出阴极射线的比荷。【解析】(1)由于阴极射线在电场中向下偏转,因此阴极射线受电场力方向向下,又由于匀强电场方向向上,则电场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,而与电场力平衡,由左手定则得磁场的方向垂直纸面对外。(3)设此射线带电量为q,质量为m,当射线在D、G间做匀速直线运动时,有qE=Bqv。当射线在D、G间的磁场中偏转时,有Bqv=同时又有L=r·sinθ,如图所示,解得=。答案:(1)负电(2)垂直纸面对外(3)【规律方法】求解带电粒子比荷的思路(1)带电粒子在匀强磁场中做类平抛运动,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,要留意通过画轨迹示意图来确定圆心位置,利用几何学问求其半径。(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,依据qE=qvB可求其速度。【素养训练】1.以下说法正确的是 ()A.密立根用摩擦起电的试验发觉了电子B.密立根用摩擦起电的试验测定了元电荷的电荷量C.密立根用油滴试验发觉了电子D.密立根用油滴试验测定了元电荷的电荷量【解析】选D。密立根用油滴试验测定了元电荷的电荷量,故D正确。2.(多选)1897年英国物理学家汤姆孙发觉了电子,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探讨,发觉了电子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探讨,并进一步探讨光电效应等现象,说明电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元【解析】选A、D。汤姆孙依据阴极射线在电场和磁场中的偏转状况断定阴极射线本质上是带负电的电子流,并求出了比荷,从而发觉了电子,故A正确,B错误;电子质量是质子质量的,故C错误;汤姆孙发觉用不同材料的阴极做试验,探讨阴极射线时均发出同一种粒子——电子,这就说明电子是构成物质的基本单元,而对光电效应等现象的探讨更加验证了这一点,故D正确。故选A、D。3.带电粒子的比荷是一个重要的物理量。某中学物理爱好小组设计了一个试验,探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响,以求得电子的比荷,试验装置如图所示。其中两正对极板M1、M2之间的距离为d,极板长度为L。他们的主要试验步骤如下:A.首先在两极板M1、M2之间不加任何电场、磁场,开启阴极射线管电源,放射的电子束从两极板中心通过,在荧光屏的正中心处视察到一个亮点;B.在M1、M2两极板间加合适的电场:加极性如图所示的电压,并逐步调整增大,使荧光屏上的亮点渐渐向荧光屏下方偏移,直到荧光屏上恰好看不见亮点为止,登记此时外加电压为U。请问本步骤的目的是什么?C.保持步骤B中的电压U不变,对M1、M2区域加一个大小、方向合适的磁场B,使荧光屏正中心处重现亮点。试问外加磁场的方向如何?【解析】步骤B中电子在M1、M2两极板间做类平抛运动,当增大两极板间电压时,电子在两极板间的偏转位移增大。当在荧光屏上看不到亮点时,电子刚好打在下极板M2靠近荧光屏端的边缘,则=()2,=。由此可以看出这一步的目的是使粒子在电场中的偏转位移成为已知量,就可以表示出比荷。步骤C加上磁场后电子不偏转,电场力等于洛伦兹力,且洛伦兹力方向向上,由左手定则可知磁场方向垂直于纸面对外。答案:见解析【补偿训练】如图所示,让一束匀称的阴极射线以速率v垂直进入正交的电、磁场中,选择合适的磁感应强度B和电场强度E,带电粒子将不发生偏转,然后撤去电场,粒子将做匀速圆周运动,测得其半径为R,求阴极射线中带电粒子的比荷。【解析】因为带电粒子在复合场中不偏转,所以qE=qvB,即v=,撤去电场后,粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,则qvB=m。由此可得=。答案:二α粒子散射试验探究分析1.试验背景:α粒子散射试验是卢瑟福指导他的学生做的一个闻名的物理试验,试验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性,试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视,不应当发生大角度偏转。(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,也不应当发生大角度偏转。(3)α粒子的大角度偏转,否定汤姆孙的原子结构模型。3.大角度偏转的试验现象分析:(1)由于电子质量远小于α粒子质量,所以电子不行能使α粒子发生大角度偏转。(2)使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分。依据汤姆孙原子模型,正电荷在原子内是匀称分布的,α粒子穿过原子时,它受到的两侧斥力大部分抵消,因而也不行能使α粒子发生大角度偏转,更不能使α粒子反向弹回,这与α粒子散射试验相冲突。(3)试验现象表明原子绝大部分是空的,原子的几乎全部质量和全部正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上,否则,α粒子大角度散射是不行能的。4.原子的核式结构模型对α粒子散射试验结果的说明:(1)当α粒子穿过原子时,假如离核较远,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,运动方向变更很小。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粒子特别接近原子核穿过时,才受到很大的库仑力作用,发生大角度偏转,而这种机会很少,所以有少数粒子发生了大角度偏转。(3)假如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,如图所示,所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°。(1)α粒子与原子核之间的万有引力远小于二者之间的库仑斥力,因而可以忽视不计。(2)在处理α粒子等微观粒子时一般不计重力。【思索·探讨】如图是α粒子散射试验装置,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视察,并可以在水平面内转动,视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。【典例示范】如图所示,依据α粒子散射试验,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.加速度先变小,后变大【解析】选C。α粒子从a到b电场力做负功,速度减小,动能减小,电势能增大。从b到c电场力做正功,α粒子的速度增大,动能增大,电势能减小,加速度应先变大,后变小。正确选项应为C。【规律方法】α粒子散射试验中常用的规律(1)库仑定律F=k:用来分析α粒子和原子核间的相互作用力。(2)牛顿其次定律:该试验中α粒子只受库仑力,可依据库仑力的变更分析加速度的变更。(3)功能关系:依据库仑力做功可分析电势能的变更,也可分析动能的变更。(4)原子核带正电,其四周的电场相当于正点电荷的电场,留意应用其电场线和等势面的特点。【素养训练】1.在用α粒子轰击金箔的试验中,卢瑟福视察到的α粒子的运动状况是 ()A.全部α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进B.绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回C.少数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,绝大多数发生较大偏转,甚至被弹回D.全部α粒子都发生很大偏转【解析】选B。当α粒子穿过原子时,电子对α粒子影响很小,影响α粒子运动的主要是原子核,离核远则α粒子受到的库仑斥力很小,运动方向变更小。只有当α粒子与核特别接近时,才会受到很大的库仑斥力,而原子核很小,所以α粒子接近它的机会就很少,所以绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回,故B正确,A、C、D错误。故选B。2.依据α粒子散射试验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景,图中实线表示α粒子的运动轨迹。则关于α粒子散射试验,下列说法正确的是 ()A.图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大B.图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞C.绝大多数α粒子沿原方向接着前进说明白带正电的原子核占据原子的空间很小D.依据α粒子散射试验可以估算原子大小【解析】选C。图中大角度偏转的α粒子的电场力先做负功,后做正功,则其电势能先增大后减小,故A错误;图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核之间的库仑斥力作用,并没有发生碰撞,故B错误;从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,可以推想使粒子受到排斥力的核体主动小,所以带正电的物质只占整个原子的很小空间,故C正确;依据α粒子散射试验可以估算原子核的大小,故D错误;故选C。3.如图所示是20世纪初宏大的物理学家卢瑟福在探讨物质结构时的试验装置,请依据物理学史的学问完成下题:(1)卢瑟福用这个试验装置发觉了__________________;

(2)图中的放射源发出的是____________粒子;

(3)图中的金箔是________层分子膜(选填“单”或“多”);

(4)如图位置的四个显微镜中,闪光频率最高的是________显微镜;

(5)除上述试验成就外,卢瑟福还发觉了__________的存在;(选填“电子”“质子”或“中子”)

(6)最终卢瑟福__________诺贝尔奖(填是否获得了)。

【解析】(1)该图显示的是卢瑟福的α粒子散射试验,该试验的结果推翻了原有的原子“枣糕状”模型概念,卢瑟福在其试验现象的基础上提出了“核式结构”的原子模型观点。(2)该图显示的是卢瑟福的α粒子散射试验,因此放射源发出的是α粒子。(3)选择单层分子膜的金箔是为了尽量保证α粒子只与一个金箔原子发生碰撞。(4)放在A位置时,相同时间内视察到屏上的闪光次数最多,大多数射线基本不偏折,金箔原子内部很空旷,因此A位置的显微镜闪光频率最高。(5)1919年,卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的试验,发觉了质子的存在。(6)卢瑟福于1908年获得诺贝尔化学奖。答案:(1)核式结构模型(2)α(3)单(4)A(5)质子(6)获得了【补偿训练】1.如图所示是α粒子被重核散射时的运动轨迹,其中不行能存在的轨迹是 ()A.aB.bC.cD.d【解析】选C。依据α粒子散射试验现象的说明,离核越近偏转越明显,C轨迹离核较远,应当偏转很少,故正确答案为C项。2.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,后受原子核的引力作用B.α粒子始终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粒子始终受到库仑斥力,速度始终减小【解析】选B。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,远离时做正功,速度增大,故D错误。三原子的核式结构模型与原子核的组成1.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变更。(2)汤姆孙模型不能说明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、电荷量均比它本身大得多的物体的作用。(4)绝大多数α粒子在穿过金原子层时运动方向没有明显变更,说明原子中绝大多数部分是空的。原子的质量电荷量都集中在体积很小的核上。2.原子的核式结构与原子的枣糕模型的对比:核式结构枣糕模型原子内部是特别空旷的,正电荷集中在一个很小的核里原子是充溢了正电荷的球体电子绕核高速旋转电子匀称嵌在原子球体内3.原子内的电荷关系:原子核的电荷数与核外的电子数相等,特别接近原子序数。4.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。5.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【思索·探讨】如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景。(1)为什么绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来运动方向前进?提示:因为原子核很小,所以绝大多数α粒子穿过原子时,离核较远,受到原子核的斥力很小,基本上仍沿原来运动方向前进。(2)为什么少数的α粒子穿过金箔后,发生了大角度的偏转?提示:少数α粒子特别接近原子核穿过时,才受到很大的库仑力作用,发生大角度偏转。【典例示范】关于α粒子的散射,下列说法正确的是 ()A.α粒子穿过金箔后多数发生了大角度的偏转B.α粒子的散射试验发觉了质子C.α粒子的散射试验表明原子的正电荷和几乎全部质量匀称分布在一个球上D.α粒子的散射试验表明原子的正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上【解析】选D。α粒子穿过金箔后多数粒子不变更方向,少数粒子发生了大角度的偏转,选项A错误;α粒子的散射确定了原子的核式结构模型,并不是发觉质子的试验,选项B错误;α粒子的散射试验表明原子的正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上,选项C错误,D正确,故选D。【素养训练】1.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10-10C.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】选A。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;又因为原子核半径的数量级为10-15m,原子半径的数量级为10-102.卢瑟福预想到原子核内除质子外,还有中子的事实依据是 ()A.电子数与质子数相等B.原子核的质量大约是质子质量的整数倍C.原子核的核电荷数比其质量数小D.质子和中子的质量几乎相等【解析】选C。原子核假如只是由质子组成,那么核的质量与质子质量的比值(即质量数)应当与核的电荷与质子的电荷的比值(即电荷数)相等,但原子核的核电荷数只是质量数的一半或少一些,所以,原子核内除了质子,还可能有一种质量与质子质量相等、但不带电的中性粒子,即中子。【拓展例题】考查内容:密立根测电子的电荷量【典例】美国物理学家密立根通过如图所示的试验装置,最先测出了电子的电荷量,被称为密立根油滴试验。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悬浮在两板间保持静止。(1)若要测出该油滴的电荷量,须要测出的物理量有_________________。

A.油滴质量m B.两板间的电压UC.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,密立根发觉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)

【解析】(1)(2)平行板电容器间的电场为匀强电场,液滴处于静止状态,所以电场力与重力平衡,故mg=qE=q,可得q=,所以须要测出的物理量有油滴质量m、两板间的电压U、两板间的距离d。(3)这个最小电荷量是元电荷,其大小等于电子的电荷量e=1.6×10-19C。答案:(1)A、B、C(2)(3)1.6×10-19【课堂回眸】课堂检测·素养达标1.(多选)关于电子的发觉,下列说法正确的是 ()A.电子的发觉,说明原子是由电子和原子核组成的B.电子的发觉,说明原子具有肯定的结构C.在电子被人类发觉前,人们认为原子是组成物质的最小微粒D.电子带负电,使人们意识到原子内应当还有带正电的部分【解析】选B、C、D。发觉电子时,人们对原子的结构仍旧不清晰,但人们意识到电子应当是原子的组成部分,故A错误,B正确;在电子被人类发觉前,人们认为原子是组成物质的最小微粒,C正确;原子对外显电中性,而电子带负电,使人们意识到,原子中应当还有其他带正电的部分,D正确。2.(多选)下列说法中正确的是 ()A.汤姆孙精确地测出了电子电荷量e=1.60217733(49)×10-19B.电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴试验”测出的C.汤姆孙油滴试验更重要的发觉是电荷量是量子化的,即任何电荷量只能是e的整数倍D.通过试验测得电子的比荷及其电荷量e的值,就可以确定电子的质量【解析】选B、D。电子的电荷量是密立根通过“油滴试验”测出的,选项A、C错误,选项B正确。测出比荷的值和电子电荷量e的值,可以确定电子的质量,故选项D正确。3.(多选)在α粒子散射试验中,只有少数的α粒子发生大角度的偏转,下列说明正确的是 ()A.相对于原子的体积,集中几乎全部质量的原子核体积很小B.多数α粒子通过金箔时,离原子核较远,受到四周原子核的库仑斥力作用可忽视C.少数的α粒子通过金箔时与电子发生碰撞,运动方向发生了较大的变更D.少数的α粒子通过金箔时,离原子核较近,受到原子核较大的冲量作用【解析】选A、B、D。由于原子的体积远远大于原子核的体积,原子内多为“空旷地带”,当α粒子穿越金箔时,多数α粒子离原子核较远,α粒子受到的库仑力可忽视,A、B正确;电子的质量较小,α粒子的运动方向几乎不产生影响,C错误;当少数α粒子距原子核较近时,库仑斥力较大,α粒子