2024年高中物理第十八章原子结构第1节第2节原子的核式结构模型电子的发现学案新人教版选修3-5

PAGEPAGE1第1节电子的发觉第2节原子的核式结构模型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粒子散射试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．试验装置：真空玻璃管、阴极、阳极和感应圈．2．试验现象：感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上发出荧光．3．阴极射线：荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线命名为阴极射线．二、电子的发觉1．汤姆孙依据阴极射线分别通过电场或磁场，依据偏转状况，证明白它的本质是带负电的粒子流，并求出其比荷．2．密立根通过闻名的“油滴试验”精确地测出了电子电荷．电子电荷量一般取e＝1.6×10－19C，电子质量me＝9.1×10－31kg.三、α粒子散射试验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，正电荷充满性地匀称分布在整个球体内，电子镶嵌其中．2．α粒子散射试验(1)α粒子从放射性物质(如铀和镭)中放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)试验现象绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子偏转角度甚至大于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判一判(1)英国物理学家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，电子电荷量可以取随意数值．()(4)α粒子散射试验证明白汤姆孙的原子模型是符合事实的．()(5)α粒子散射试验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹．()(6)α粒子大角度的偏转是电子造成的．()提示：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)×(6)×做一做关于原子结构，汤姆孙提出“葡萄干蛋糕模型”、卢瑟福提出“行星模型”，如图甲和乙所示，都采纳了类比推理的方法．下列事实中，主要采纳类比推理的是()A．人们为便于探讨物体的运动而建立质点模型B．伽利略从教堂吊灯的摇摆中发觉摆的等时性规律C．库仑依据牛顿的万有引力定律提出库仑定律D．托马斯·杨通过双缝干涉试验证明光是一种波提示：选C．模型可以帮助我们理解一些无法干脆视察的事物，类比有助于我们更好地相识事物的本质．质点模型是一种志向化的物理模型，是为探讨物体的运动而建立的；伽利略的摆的等时性是通过自然现象发觉的；托马斯·杨是通过试验证明光是一种波，是建立在事实的基础上的．故正确选项为C．电子的发觉1.eq\x(真空玻璃管两极加上高电压)→eq\x(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“油滴试验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量．如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线将()A．向纸内偏转 B．向纸外偏转C．向下偏转 D．向上偏转[思路点拨]由安培定则判定直导线在阴极射线处的磁场方向，再由左手定则判定受力方向．[解析]由题目条件不难推断阴极射线所在处磁场垂直纸面对外，电子从负极射出，由左手定则可判定阴极射线(电子)向上偏转．故正确选项为D．[答案]Deq\a\vs4\al()阴极射线(电子)从电源的负极射出，用左手定则推断其受力方向时四指的指向和射线的运动方向相反．1.(多选)汤姆孙对阴极射线的探究，最终发觉了电子，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闻名的“油滴试验”实现的C．电子电荷量的数值约为1.602×10－19CD．电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷解析：选BC．电子是原子的组成部分，电子的发觉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．电子比荷的测定1910年美国物理学家密立根通过闻名的“油滴试验”，简练而又精确地测定了电子的电荷量．更重要的是密立根试验发觉电荷是量子化的，即任何电荷的电荷量只能是元电荷e的整数倍，并求得了元电荷即电子所带的电荷量e.密立根试验的原理(1)如图所示，两块平行放置的水平金属板A、B与电源相连接，使A板带正电，B板带负电，从喷雾器喷嘴喷出的小油滴经上面金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场中．(2)小油滴由于摩擦而带负电，调整A、B两板间的电压，可以使小油滴静止在两板之间，此时电场力和重力平衡，即mg＝Eq，则电荷的电荷量q＝eq\f(mg,E).试验发觉，q肯定是某个最小电荷量的整数倍，这个最小的电荷量就是电子的电荷量．汤姆孙用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的试验装置如图所示．真空管内的阴极K发出的电子(不计初速度、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后，穿过A′中心的小孔沿中心轴O1O的方向进入到两块水平正对放置的平行极板P和P′间的区域内．当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成了一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O′点(O′点与O点的竖直间距为d，水平间距可忽视不计)．此时，在P和P′间的区域内，再加上一个方向垂直于纸面对里的匀强磁场．调整磁场的强弱，当磁感应强度的大小为B时，亮点重新回到O点．已知极板水平方向的长度为L1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2(如图所示)．(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小．(2)推导出电子的比荷的表达式．[思路点拨]此题中电子在电场中做类平抛运动，在电磁场中做匀速直线运动，受到的电场力和洛伦兹力平衡，细致分析其物理过程，不难求出结果．[解析](1)当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回到中心O点，设电子的速度为v，则evB＝eE，得v＝eq\f(E,B)，即v＝eq\f(U,Bb).(2)当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入后，在竖直方向做匀加速运动，加速度a＝eq\f(eU,mb)电子在水平方向做匀速运动，在电场内的运动时间t1＝eq\f(L1,v)这样，电子在电场中，竖直向上偏转的距离d1＝eq\f(1,2)ateq\o\al(2,1)＝eq\f(eLeq\o\al(2,1)U,2mv2b)离开电场时竖直向上的分速度v⊥＝at1＝eq\f(eL1U,mvb)电子离开电场后做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏幕t2＝eq\f(L2,v)t2时间内向上运动的距离d2＝v⊥t2＝eq\f(eUL1L2,mv2b)这样，电子向上的总偏转距离d＝d1＋d2＝eq\f(eU,mv2b)L1eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L2＋\f(L1,2)))可解得eq\f(e,m)＝eq\f(2Ud,B2bL1(L1＋2L2)).[答案](1)eq\f(U,Bb)(2)eq\f(2Ud,B2bL1(L1＋2L2))2.密立根用喷雾的方法获得了带电液滴，然后把这些带有不同电荷量和质量的液滴置于电场中，通过电场力和重力平衡的方法最终测得了带电液滴的电荷量，某次测量中，他得到了如下数据液滴编号电荷量/C液滴编号电荷量/C16.41×10－1929.70×10－1931.6×10－1944.82×10－19…………则可得出结论：________________________________________________________________________.解析：依据表格中的数据与电子电荷量的比值关系：eq\f(q1,e)＝eq\f(6.41×10－19,1.6×10－19)＝4；eq\f(q2,e)＝eq\f(9.70×10－19,1.6×10－19)＝6；eq\f(q3,e)＝eq\f(1.6×10－19,1.6×10－19)＝1；eq\f(q4,e)＝eq\f(4.82×10－19,1.6×10－19)＝3；得出结论：电荷量是量子化的，电荷的电荷量都是元电荷e的整数倍．答案：电荷量是量子化的，电荷的电荷量都是元电荷e的整数倍对α粒子散射试验的理解1．装置：放射源、金箔、荧光屏等，如图所示．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．留意事项(1)整个试验过程在真空中进行．(2)α粒子是氦原子核，体积很小，金箔须要做得很薄，α粒子才能穿过．4．汤姆孙的原子模型不能说明α粒子大角度散射的试验结果．假如α粒子以速度v与电子发生弹性正碰(假定电子原来是静止的)，求碰撞后，α粒子的速度变更了多少？并由此说明：为什么原子中的电子不能使α粒子发生明显的偏转？[思路点拨]分析求解本题，须要运用弹性碰撞学问．α粒子与电子发生弹性正碰时，遵循机械能守恒和动量守恒定律，通过列出两个守恒方程进行定量计算，从而作出推断．[解析]设α粒子初速度为v，质量为M，与电子碰后速度为v1，电子质量为m，与α粒子碰后速度为v2由动量守恒定律Mv＝Mv1＋mv2①由能量守恒eq\f(1,2)Mv2＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,1)＋eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)②由①②式得v1＝eq\f(M－m,M＋m)v③α粒子速度变更量Δv1＝v1－v＝－eq\f(2m,M＋m)v④把M＝7300m代入④式得Δv1＝eq\f(－2,7301)v＝－0.0003v可见α粒子的速度变更只有万分之三，说明原子中的电子不能使α粒子发生明显的偏转．[答案]见解析eq\a\vs4\al()解决α粒子散射试验问题的技巧(1)熟记试验装置及原理．(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变更．②汤姆孙的原子模型不能说明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粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变更，说明原子中绝大部分是空的，原子的质量、电荷量都集中在体积很小的核内．3.(多选)(2024·孝感中学高二检测)如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射试验的装置示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中A、B、C、D四个位置时视察到的现象，下述说法中正确的是()A．放在A位置时，相同时间内视察到屏上的闪光次数最多B．放在B位置时，相同时间内视察到屏上的闪光次数只比A位置稍少些C．放在C、D位置时，屏上视察不到闪光D．放在D位置时，屏上仍能视察到一些闪光，但次数极少解析：选AD．在卢瑟福α粒子散射试验中，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粒子发生较大偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，极个别α粒子被反射回来，故B、C错误，D正确．对卢瑟福核式结构模型的理解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粒子散射试验现象的说明(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粒子非常接近原子核穿过时，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°.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10－5，体积只相当于原子体积的10－15.(多选)(2024·梅州高二检测)关于原子核式结构理论说法正确的是()A．是通过发觉电子现象得出来的B．原子的中心有个核，叫做原子核C．原子的正电荷匀称分布在整个原子中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粒子的散射试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]BDeq\a\vs4\al()应用核式结构模型分析求解问题时，要留意从力的角度及功能关系角度入手．1．α粒子的受力特点α粒子与原子核间的作用力是库仑斥力：F＝eq\f(kQq,r2).(1)式中Q为原子核的电荷量，q为α粒子所带电荷量，r为α粒子与原子核间的距离．(2)α粒子离原子核越近，库仑力越大，运动加速度越大，反之，则越小．(3)α粒子的受力方向沿原子核与α粒子的连线，由原子核指向α粒子．2．库仑力对α粒子的做功状况(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