4.3原子的核式结构模型 学案（含答案）－2021年高中物理人教版（新教材）选择性必修第三册

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1、第第 3 节节 原子的核式结构模型原子的核式结构模型 核心 素养 物理观念 科学思维 1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子 的组成部分，是比原子更基本的物质单元。 2.知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是 e 的整数倍。 3.了解 粒子散射实验原理和实验现象。 4.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内 容。 5.知道原子和原子核大小的数量级，原子核的 电荷数。 1.体会汤姆孙发现电 子的研究方法。 2.体会卢瑟福通过 粒 子散射实验否定已有 原子模型和建立新模 型的思想方法。 知识点一 阴极射线 阅读助学 这个丰富多彩的大千世界是由原子构成的。原子内部呈现的复杂的结构，不断地 吸引着人们

2、去探索。 现在利用先进的手段已经能够“看到”或“拿起”一个原子， 但在 19 世纪， 实验手段和设备相当简陋， 人类只能运用观测的现象推测原子内部 的情景。汤姆孙在研究原子结构方面取得了开拓性的成果。汤姆孙在当时是通过 什么样的实验发现电子的呢？ 用扫描隧道显微镜 “看到”的溴原子 1.实验装置：如图所示真空玻璃管中 K 是金属板制成的阴极，A 是金属环制成的 阳极；把它们分别连在感应圈的负极和正极上。 2.实验现象：玻璃壁上出现淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。 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 线被命名为阴极射线。 思考判断 (1)玻璃壁上出现的淡

3、淡荧光就是阴极射线。() (2)玻璃壁上出现的影是玻璃受到阴极射线的撞击而产生的。() (3)阴极射线在真空中沿直线传播。() 知识点二 电子的发现 1.汤姆孙的探究 (1)让阴极射线分别通过电场和磁场，根据偏转情况，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)进一步研究新现象，不论是由于正离子的轰击，紫外光的照射，金属受热还是 放射性物质的自发辐射，都能发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“油滴实验” (1)

4、精确测定电子电荷。 (2)电荷是量子化的。 3.电子的有关常量 思考判断 (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，电子电荷量可以取任意数值。() 知识点三 汤姆孙的原子模型 汤姆孙于 1898 年提出了原子模型， 他认为原子是一个球体， 正电荷弥漫性地均匀 分布在整个球体内，电子镶嵌在球中。 汤姆孙的原子模型，小圆点代表正电荷，大圆点代表电子。 汤姆孙的原子模型被称为西瓜模型或枣糕模型，该模型能解释一些实验现象，但 后来被 粒子散射实验否定了。 思考判断 汤姆孙的枣糕式模型认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀

5、分布在整个球体 内。() 知识点四 粒子散射实验 1. 粒子 粒子是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，含有两个单位的正电荷， 质量为氢原子质量的 4 倍。 2.实验方法 用 粒子源发射的 粒子束轰击金箔，用带有荧光屏的放大镜，在水平面内不同 方向对散射的 粒子进行观察，根据散射到各方向的 粒子所占的比例，可以推 知原子中正、负电荷的分布情况。 3.实验装置 4.实验现象 (1)绝大多数的 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进。 (2)少数 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”。 5.实验意义：卢瑟福通过 粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立

6、了核 式结构模型。 思考判断 (1) 粒子带有一个单位的正电荷，质量为氢原子质量的 2 倍。() (2) 粒子实验证实了汤姆孙的枣糕式原子模型。() 知识点五 原子的核式结构模型 观图助学 在探究原子内部结构的过程中， 卢瑟福说： “我知道了， 原子到底是什么样的 可以将它想象成一个小的太阳系。”你是怎样理解这段话的？ 1.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 思考判断 (1)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面 运动。() (2)原子核的电荷数等于核中的中子数

7、。() (3)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷。() 在放电管的两极加强电压，使得两极间产生强电场，阴极中的电子受到足够大的 电场力作用而脱离阴极，成为高速运动的电子流，即阴极射线。 玻璃管上的荧光是由于荧光物质受到阴极射线的撞击而引起的，而荧光本身不是 阴极射线。 阴极射线是高速电子流，而高速电子流不一定是阴极射线。 判断阴极射线是否带电的方法 (1)方法一：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点位置的变化 和电场的情况确定阴极射线带电的性质。 (2)方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和左手定则确定 阴极射线带电的性质。 比荷带电粒子的电荷量与

8、其质量之比，叫作比荷。比荷是基本粒子的重要数 据之一。测定比荷是研究带电粒子和物质结构的重要方法。 运用电磁场测定电子比荷的解题技巧 (1)当电子在复合场中做匀速直线运动时 qEqvB，可以测出电子速度大小。 (2)当电子在磁场中偏转时， qvBmv 2 r ， 测出圆周运动半径， 即可确定电子的比荷。 带电粒子在电场中处于平衡态受力平衡，通过受力分析求解电荷量。 汤姆孙原子模型可以解释原子呈电中性，原子内正、负电荷数相等，也能解释阴 极射线，当时容易被物理学家接受。 实验的注意事项 (1)整个实验过程在真空中进行； (2)金箔需要做得很薄， 粒子才能穿过； (3)使用金箔的原因是金的延展性好

9、，可以做得很薄，另外一点就是金的原子序数 大， 粒子与金核间的库仑斥力大，偏转明显，而金原子核不会发生明显运动。 实验的巧妙之处 (1)高速 粒子，电荷量是氢离子的 2 倍，质量是其 4 倍，是电子的 7 000 倍，速 度是光速的十分之一，能量巨大。 (2)装置巧妙，显微镜和荧光屏可在一个圆周上运动，统计各个不同位置相同时间 内接收到的粒子数就可以确定 粒子穿过金箔后的偏转情况。 粒子发生大角度散射的原因是什么？有没有可能是与电子碰撞后造成的？ 粒子带正电， 粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射，碰撞 前后，质量大的粒子遇到电子，就像飞行的子弹遇到空气中的尘埃，因此不可 能出现大

10、角度散射。 原子半径的数量级是 10 10 m，而原子核半径的数量级是 1015 m，二者相差十万 倍之多，故原子核在原子中所占的体积是很小的。 Ze 是原子核的电荷，单位是库仑；Z 是原子序数，也是原子核的电荷数，它表示 原子核的电荷是一个电子电荷(绝对值)的多少倍。Z 是没有单位的，或者说 Z 的 单位是 1。 核心要点 对阴极射线性质的研究和认识 观察探究 如图所示，接通真空管(又称阴极射线管)的电源，将条形磁铁的一个磁极靠近射 线管，观察阴极射线是否偏转，向什么方向偏转；把另一个磁极靠近射线管，观 察射线的偏转情况。你认为射线的偏转是什么原因造成的？你能通过射线偏转的 情况来确定射线粒

11、子流携带的是哪种电荷吗？ 答案 运动电荷在磁场中受到洛伦兹力。根据左手定则，结合磁场方向、粒子运 动方向，可以判断出射线粒子流携带的电荷是正电荷还是负电荷。 探究归纳 1.阴极射线带电性质的判断方法 (1)方法一：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点位置的变化 和电场的情况确定带电的性质。 (2)方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和左手定则确定 带电的性质。 2.阴极射线的本质 阴极射线的本质是带负电的粒子流，汤姆孙把这种粒子命名为“电子”。 试题案例 例 1 (多选)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

12、偏，如图所示。则( ) A.导线中的电流由 A 流向 B B.导线中的电流由 B 流向 A C.若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.电子束的径迹与 AB 中电流的方向无关 解析 在阴极射线管中射出的阴极射线是带负电的电子流，在导线 AB 形成的磁 场中向下偏转，由左手定则可知磁场是垂直纸面向里的，根据安培定则可知导线 AB 中的电流是由 B 流向 A 的，选项 A 错误，B 正确；通过改变 AB 中的电流方 向可以改变磁场方向从而使阴极射线的受力方向向上，使电子束的径迹向上偏， 选项 C 正确；由此可知电子束的径迹与 AB 中的电流方向即 AB 形成的磁场方向

13、 有关，选项 D 错误。 答案 BC 针对训练 1 关于阴极射线，下列说法正确的是( ) A.阴极射线就是稀薄气体导电时的辉光放电现象 B.阴极射线是在真空管内由正极发出的电子流 C.阴极射线是由德国物理学家戈德斯坦命名的 D.阴极射线的比荷比质子的比荷小 解析 阴极射线是在真空管中由负极发出的电子流，故选项 A、B 错误；最早由 德国物理学家戈德斯坦在 1876 年提出并命名为阴极射线，故选项 C 正确；阴极 射线本质是电子流，故其比荷比质子比荷大，故选项 D 错误。 答案 C 核心要点 电子比荷的测定 要点归纳 1.带电粒子比荷的测定方法 (1)利用磁偏转测量 让带电粒子通过相互垂直的匀强

14、电场和匀强磁场(如图甲)，让其做匀速直线运 动，根据二力平衡，即 F洛F电(qvBqE)，得到粒子的运动速度 vE B。 甲 撤去匀强电场(如图乙)， 保留匀强磁场， 让带电粒子单纯地在匀强磁场中运动， 由洛伦兹力提供向心力，即 qvBmv 2 r ，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半 径 r。 乙 由以上两式确定带电粒子的比荷表达式： q m E B2r。 (2)利用电偏转测量 带电粒子在匀强电场中运动，沿电场方向的偏转距离 y1 2at 21 2 qU md L v 2 ，故 q m 2ydv2 UL2 ，所以在偏转电场中，U、d、L 已知时，只需测量 v 和 y 即可。 2.证明阴极射

15、线不是氢离子的思路 (1)通过阴极射线在电场中的偏转证明它是带负电的粒子流。 (2)测定它的比荷是氢离子比荷的 1 000 多倍。 (3)测出阴极射线粒子的电荷量与氢离子的电荷量相同。 (4)计算出它的质量约为氢离子的千分之一，阴极射线是质量远小于氢离子的粒子 电子。 3.电子电荷量的精确测定是密立根通过“油滴实验”测定的，密立根实验的重要 意义是发现电荷量是量子化的，即任何电荷只能是 e 的整数倍。 试题案例 例 2 在再现汤姆孙测阴极射线比荷的实验中，采用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

16、F 中心出现光斑。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；如果再利用通电线圈在 D、G 电场区加上一 垂直纸面的磁感应强度大小为 B 的匀强磁场(图中未画出)，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 ，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)根据 L、E、B 和 ，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

17、与电场力平衡，由左手定则 得磁场的方向垂直纸面向外。 (3)设此射线带电荷量为 q，质量为 m，当射线在 D、G 间做匀速直线运动时，有 qEqvB。当射线在 D、G 间的磁场中偏转时，如图所示，有 qvBmv 2 r 。同时又 有 Lrsin ，解得q m Esin B2L 。 答案 (1)负电 (2)垂直纸面向外 (3)Esin B2L 针对训练 2 如图所示为测量某种离子的比荷的装置。让中性气体分子进入电离 室 A，在那里被电离成离子。这些离子从电离室的小孔飘出，从缝 S1进入加速电 场被加速，然后让离子从缝 S2垂直进入匀强磁场，最后打在底片上的 P 点。已知 加速电压为 U，磁场的磁

18、感应强度大小为 B，缝 S2与 P 之间的距离为 a，离子从 缝 S1进入电场时的速度不计，求该离子的比荷 q m。 解析 离子在电场中 qU1 2mv 2 离子在磁场中 qvBmv 2 R 2Ra 解得 q m 8U B2a2。 答案 8U B2a2 核心要点 对 粒子散射实验的理解与分析 问题探究 如图所示为 1909 年英籍新西兰物理学家卢瑟福及盖革进行 粒子散射实验的实 验装置，阅读课本，回答以下问题： (1)实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？ (2)少数 粒子发生大角度散射的原因是什么？ 答案 (1) 粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的 粒子。 带荧

19、光屏的放大镜：观察 粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光。 实验过程： 粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金 原子中的带电粒子对 粒子有库仑力的作用， 一些 粒子会改变原来的运动方向。 带有放大镜的荧光屏可以沿题图中虚线转动，以统计向不同方向散射的 粒子的 数目。 (2) 粒子带正电， 粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射。 探究归纳 1. 粒子的散射实验否定了汤姆孙的原子模型 (1) 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， 粒子不会发生偏转。 (2) 粒子正对着电子射来，质量远小于 粒子的电子不可能使 粒子发生明显偏 转，更不可能使它反弹

20、。 2.原子的核式结构模型对 粒子散射实验结果的解释 (1)当 粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，粒子就像穿 过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小，因为原子核很小，所以绝 大多数粒子不发生偏转。 (2)只有当 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 粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到 180 ，这种机会极少。 试题案例 例 3 如图所示为卢瑟福 粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周 轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察 粒子在各个角度的散射情况。 下列说法中正确的是( ) A.在图中的 A、B

21、 两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样 多 B.在图中的 B 位置进行观察，屏上观察不到任何闪光 C.卢瑟福选用不同重金属箔片作为 粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似 D. 粒子发生散射的主要原因是 粒子撞击到金箔原子后产生的反弹 解析 粒子散射实验现象：绝大多数 粒子沿原方向前进，少数 粒子有大角 度散射。所以 A 处观察到的粒子数多，B 处观察到的粒子数少，所以选项 A、B 错误； 粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，所以选项 D 错 误，C 正确。 答案 C 针对训练 3 (多选)如图为卢瑟福所做的 粒子散射实验装置的示意图， 荧光屏和 显微镜一起分别

22、放在图中的 A、B、C、D 四个位置时，下述说法中正确的是( ) A.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 粒子散射实验中， 粒子穿过金箔后，绝大多数 粒子仍沿原 来的方向前进，选项 A 正确；少数 粒子发生大角度偏转，极少数 粒子偏转角 度大于 90 ，极个别 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，选项 D 错误，B、C 正确。 答案 ABC 核心要点

23、原子的核式结构模型 要点归纳 1.原子的核式结构模型与原子的枣糕模型的对比 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 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.原子核的大小： 原子的半径数量级为 10 10 m， 原子核半径的数量级为 1015 m， 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。 试题案例 例 4 (多选)根据卢瑟福的原子的核式结构理论，下列对原子结构的认识中，正确 的是( ) A.原子中绝大部分是空

24、的，原子核很小 B.电子在核外运动，库仑力提供向心力 C.原子的全部正电荷都集中在原子核里 D.原子核的直径大约为 10 10 m 解析 卢瑟福 粒子散射实验的结果否定了汤姆孙的原子模型，提出了关于原子 的核式结构学说， 并估算出原子核半径的数量级为 10 15 m， 原子半径的数量级为 10 10 m，原子半径是原子核半径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核 外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以 A、B、C 正 确，D 错误。 答案 ABC 针对训练 4 在卢瑟福 粒子散射实验中，只有少数 粒子发生了大角度偏转， 其原因是( ) A.原子的全部正电荷和几乎全部质量

25、都集中在一个很小的核里 B.正电荷在原子内是均匀分布的 C.原子中存在着带负电的电子 D.原子的质量在原子核内是均匀分布的 解析 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里，当 粒子十 分接近核时，受到较大的斥力，发生了较大角度的偏转，故 A 正确，B 错误；在 卢瑟福 粒子散射实验中，只有少数 粒子发生了大角度偏转，这种现象与原子 中存在着带负电的电子无关，与原子的质量在原子核内的分布情况无关，故 C、 D 错误。 答案 A 1.(对阴极射线的认识)关于阴极射线的实质，下列说法正确的是( ) A.阴极射线实质是氢原子 B.阴极射线实质是电磁波 C.阴极射线实质是电子 D.阴极射线实

26、质是 X 射线 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。 答案 C 2.(电子比荷的测定)密立根油滴实验原理如图所示， 两块水平放置的金属板分别与 电源的正、负极相接，板间距离为 d，板间电压为 U，形成竖直向下、场强为 E 的匀强电场。用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油 滴。通过显微镜可找到悬浮不动的油滴，若此悬浮油滴的质量为 m，重力加速度 为 g，则下列说法正确的是( ) A.悬浮油滴带正电 B.悬浮油滴的电荷量为mg U C.增大场强，悬浮油滴将向上运动 D.油滴的电荷量不一定是电子电荷

27、量的整数倍 解析 带电油滴在两板间静止时，电场力向上，应带负电，A 项错误；qEmg， 即 qU dmg，所以 q mgd U ，B 项错误；当 E 变大时，qE 变大，合力向上，油滴 将向上运动，C 项正确；任何带电物体的电荷量都是电子电荷量的整数倍，D 项 错误。 答案 C 3.(粒子散射实验装置及现象的认识)对 粒子散射实验装置的描述， 你认为正确 的有( ) A.实验器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜 B.金箔的厚度对实验无影响 C.如果不用金箔，改用铝箔，就不会发生散射现象 D.实验装置放在空气中和真空中都可以 解析 实验所用的金箔的厚度极小，如果金箔的厚度过大， 粒子穿过金箔时

28、必 然受到较大的阻碍作用而影响实验效果，B 项错误；如果改用铝箔，由于铝核的 质量仍远大于 粒子的质量，散射现象仍然发生，C 项错误；空气的流动及空气 中有许多漂浮的分子，会对 粒子的运动产生影响，实验装置是放在真空中进行 的，D 项错误，A 项正确。 答案 A 4.(对 粒子散射实验的理解)X 表示金原子核， 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( ) 解析 粒子离金原子核越远，其所受斥力越小，轨道弯曲程度就越小，故选项 D 正确。 答案 D 5.(两种原子模型的认识)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. 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 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 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 粒子散射实验否定了枣糕模型和核式结构模型，建立了玻尔的原 子模型 解析 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。 答案 B