2017-2018学年物理人教版选修3-5讲义第十八章原子结构18-12

[目标定位]1.知道阴极射线是由电子组成的以及电荷量是量子化的.2.了解α粒子散射实验的原理和现象以及卢瑟福原子核式结构模型的主要内容.3.知道原子和原子核的大小数量级，原子核的电荷数．一、阴极射线1．实验图1如图1所示，真空玻璃管中K是金属板制成的阴极，接感应圈的负极，A是金属环制成的阳极，接感应圈的正极，会在K、A间产生近万伏的高电压，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．【深度思考】阴极射线中的粒子全部来源于阴极吗？答案在通常情况下，气体是不导电的，在强电场条件下，气体能够被电离而导电．在高真空的放电管中，阴极射线中的粒子主要来自阴极．对于真空度不高的放电管，粒子还可能来自管中的气体．【例1】(多选)下面对阴极射线的认识正确的是()A．阴极射线是由阴极发出的粒子撞击玻璃管壁上的荧光粉而产生的B．只要阴阳两极间加有电压，就会有阴极射线产生C．阴极射线是真空玻璃管内由阴极发生的射线D．阴阳两极间加有高压时，电场很强，阴极中的电子受到很强的电场力作用而脱离阴极解析阴极射线是由阴极直接发出的，故A错误；只有当两极间有高压且阴极接电源负极时，阴极中的电子才会受到足够大的电场力作用而脱离阴极成为阴极射线，故B错误，D正确；阴极射线是真空玻璃管内由阴极发出的射线，C正确．答案CD阴极射线的实质是带负电的电子流，电子在电场(或磁场)中运动时所受的电场力(或洛伦兹力)远大于其自身的重力，故研究阴极射线在电、磁场中的运动时，除题目特别说明外，一般不考虑重力的影响．二、电子的发现1．汤姆孙根据阴极射线分别通过电场或磁场发生偏转，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．换用不同材料的阴极做实验，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．密立根通过著名的“油滴实验”精确地测出了电子电荷量．电子电荷量一般取e＝1.6×10－19_C，电子质量me＝9.1×10－31_kg.【例2】(多选)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1.602×10－19D．电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷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．答案BC【例3】电子的电荷量最早由美国科学家密立根通过油滴实验测出，如图2所示，两块水平放置的平行金属板上、下极板与电源正负极相接，上、下极板分别带正、负电荷，油滴从喷雾器喷出后，由于摩擦而起电，油滴进入上极板中央小孔后落到匀强电场中，通过显微镜可以观察到油滴的运动，两金属板间距为d，不计空气阻力和浮力．图2(1)调节两板的电势差u，当u＝U0时，使得某个质量为m1的油滴恰好做匀速直线运动，求油滴所带的电荷量q为多少？(2)若油滴进入电场时的速度可以忽略，当两金属板间的电势差u＝U时，观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动时，经过时间t运动到下极板，求此油滴的电荷量Q.解析(1)油滴匀速下落过程受到的电场力和重力平衡，由平衡条件得：qeq\f(U0,d)＝m1g，得q＝m1geq\f(d,U0).(2)油滴加速下落，其所带电荷量为Q，因油滴带负电，则油滴所受的电场力方向向上，设此时的加速度的大小为a，由牛顿第二定律和运动学公式得：m2g－Qeq\f(U,d)＝m2a，d＝eq\f(1,2)at2，解得Q＝eq\f(m2d,U)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g－\f(2d,t2))).答案(1)eq\f(m1gd,U0)(2)eq\f(m2d,U)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g－\f(2d,t2)))解决带电粒子在电场中运动的三个步骤(1)确定研究对象，并根据题意判断是否可以忽略带电粒子的重力．在本题中，油滴是个实物粒子，受重力较大，且题目中强调其在电场中能做匀速直线运动，不能忽略其重力；(2)对研究对象进行受力分析，必要时要画出力的示意图；(3)选用恰当的物理规律列方程求解．三、α粒子散射实验1．α粒子从放射性物质(如铀和镭)中发射出来的快速运动的粒子，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．实验装置和实验现象(1)装置：放射源、金箔、荧光屏等，如图3所示．图3(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°.【深度思考】α粒子散射实验现象能否定汤姆孙原子模型的依据是什么？答案(1)α粒子在穿过原子之间时，所受周围的正、负电荷作用的库仑力是平衡的，α粒子不会发生偏转．(2)α粒子正对着电子射来，质量远小于α粒子的电子不可能使α粒子发生明显偏转，更不可能使它反弹．【例4】(多选)如图4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()图4A．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B、D错，C对．答案ACα粒子散射实验问题(1)明确实验装置中各部分的组成及作用．(2)弄清实验现象，知道“绝大多数”、“少数”和“极少数”粒子的运动情况．针对训练卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是()答案D解析α粒子轰击金箔后偏转，越靠近金原子核，偏转的角度越大，所以A、B、C错误，D正确．四、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，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5所示．图53．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，即原子内含有的电子数，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，原子核的电荷数就是核中的质子数．(3)原子核的大小对于一般的原子核，实验确定的核半径R的数量级为10－15_m，而整个原子半径的数量级是10－10_m．因而原子内部十分“空旷”．【例5】(多选)关于α粒子的散射实验，下列说法中正确的是()A．该实验说明原子中正电荷是均匀分布的B．α粒子发生大角度散射的主要原因是原子中原子核的作用C．只有少数α粒子发生大角度散射的原因是原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上D．卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子核式结构理论解析α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转说明三点：一是原子内有一质量很大的粒子存在；二是这一粒子带有较大的正电荷；三是这一粒子的体积很小，但不能说明原子中正电荷是均匀分布的，故A错误，B、C正确；卢瑟福依据α粒子散射实验的现象提出了原子的核式结构理论，D正确．答案BCD对α粒子散射实验要清楚两点：一是α粒子散射实验的实验现象；二是对实验现象的微观解释——原子的核式结构．1．(电子的发现及对电子的认识)(多选)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．(电子的发现及对电子的认识)(多选)如图6所示，一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线径迹下偏，则()图6A．导线中的电流由A流向BB．导线中的电流由B流向AC．如要使电子束的径迹向上偏，可以通过改变AB中电流的方向来实现D．电子的径迹与AB中电流的方向无关答案BC解析阴极射线带负电，由左手定则判断管内磁场垂直纸面向里；由安培定则判断AB中电流的方向由B流向A.电流方向改变，管内磁场方向改变，电子受力方向也改变．3．(α粒子散射实验的理解)(多选)关于α粒子散射实验，下列说法正确的是()A．在实验中，观察到的现象是：绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，极少数发生了较大角度的偏转B．使α粒子发生明显偏转的力来自带正电的核和核外电子，当α粒子接近核时，是核的斥力使α粒子发生明显偏转；当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转C．实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分D．实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量答案AC解析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粒子发生了大角度偏转，A正确；当α粒子接近核时，是核的斥力使α粒子发生明显偏转，B错误；从绝大多数α粒子几乎不发生偏转，推测使粒子受到排斥力的核体积极小，C正确；实验表明原子中心的核带有原子的全部正电和绝大部分质量，D错误．4．(原子的核式结构模型)(多选)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．(原子的核式结构模型)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，其偏转轨道可能是下图中的()答案D解析α粒子离金核越远其所受斥力越小，轨道弯曲程度就越小，故选项D正确．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．(多选)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”．下列关于电子的说法正确的是()A．任何物质中均有电子B．不同的物质中具有不同的电子C．电子质量是质子质量的1836倍D．电子是一种粒子，是构成物质的基本单元答案AD解析汤姆生对不同材料的阴极发出的射线进行研究，均为同一种粒子—即电子，电子是构成物质的基本单元，它的质量远小于质子质量；由此可知A、D正确，B、C错误．3．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1所示．若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为()图1A．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，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，为使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，磁场方向应为垂直于纸面向外，故选项C正确．4．(多选)如图2所示是阴极射线显像管及其偏转圈的示意图，显像管中有一个阴极，工作时它能发射阴极射线，荧光屏被阴极射线轰击就能发光．安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场，可以使阴极射线发生偏转．下列说法中正确的是()图2A．如果偏转线圈中没有电流，则阴极射线应该打在荧光屏正中的O点B．如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上A点，则偏转磁场的磁感应强度的方向应该垂直纸面向里C．如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上B点，则偏转磁场的磁感应强度的方向应该垂直纸面向里D．如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动，则偏转磁场的磁感应强度应该先由小到大，再由大到小答案AC解析偏转线圈中没有电流，阴极射线沿直线运动，打在O点，A正确；由阴极射线的电性及左手定则可知B错误，C正确；由R＝eq\f(mv,qB)可知，B越小，R越大，故磁感应强度应先由大变小，再由小变大，故D错误．题组二对α粒子散射实验的理解5．(多选)在α粒子散射实验中，选用金箔的原因下列说法正确的是()A．金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔B．金核不带电C．金原子核质量大，被α粒子轰击后不易移动D．金核半径大，易形成大角度散射答案ACD解析α粒子散射实验中，选用金箔是因为金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔，α粒子很容易穿过，A正确．金原子核质量大，被α粒子轰击后不易移动，C正确．金核带正电，半径大，易形成大角度散射．故D正确，B错误．6．在卢瑟福的α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图3所示，图中P、Q两点为轨迹上的点，虚线是过P、Q两点并与轨道相切的直线．两虚线和轨迹将平面分成四个区域，不考虑其他原子核对α粒子的作用，那么关于该原子核的位置，下列说法正确的是()图3A．可能在①区域 B．可能在②区域C．可能在③区域 D．可能在④区域答案A解析因为α粒子与此原子核之间存在着斥力，如果原子核在②、③或④区，α粒子均应向①区偏折，所以不可能．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．(多选)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－答案BD9．α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子的碰撞影响，是因为()A．α粒子与电子根本无相互作用B．α粒子受电子作用的合力为零，电子是均匀分布的C．α粒子和电子碰撞损失的能量极少，可忽略不计D．电子很小，α粒子碰撞不到电子答案C解析在α粒子散射实验中，电子与α粒子存在相互作用，A错；电子质量大约只有α粒子的eq\f(1,7300)，电子与α粒子碰撞后，电子对α粒子的影响就像灰尘对子弹的影响，完全可忽略不计，C正确，B、D错误．10．(多选)α粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时，α粒子符合下列哪种情况()A．动能最小B．势能最小C．α粒子与金原子核组成的系统的能量小D．所受金原子核的斥力最大答案AD解析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．题组四综合应用11．为了测定带电粒子的比荷eq\f(q,m)，让这个带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间，已知匀强电场的场强为E，在通过长为L的两金属板间后，测得偏离入射方向的距离为d，如果在两板间加垂直于电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直于粒子的入射方向，磁感应强度为B，则粒子恰好不偏离