新2015-2016学年高中物理 第十八章 原子结构导学案（打包8套）新人教版选修3-5.zip

11 电子的发现 2 原子的核式结构模型[目标定位] 1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，知道电子的电荷量和比荷.2.知道 α 粒子散射实验的实验方法和实验现象及卢瑟福原子核式结构模型的主要内容.3.能说出原子和原子核大小的数量级． 一、阴极射线1．实验：如图 18－1、2－1 所示，图 18－1、2－1真空玻璃管中 K 是金属板制成的阴极，接感应线圈的负极，A 是金属环制成的阳极，在 K、A 间加近万伏的高电压，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．二、电子的发现1．让阴极射线分别通过电场或磁场，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．密立根通过著名的“油滴实验”精确地测出了电子电荷．电子电荷量一般取e＝1.6×10 －19 __C，电子质量 me＝9.1×10 －31 __kg．想一想 电子发现的重大意义是什么？答案 电子是人类发现的第一个比原子小的粒子．电子的发现，打破了原子不可再分的传统观念，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有内部结构．从此，原子物理学飞速发展，人们对物质结构的认识进入了一个新时代．三、α 粒子散射实验21．α 粒子从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核，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 7 300 倍．2．实验结果绝大多数 α 粒子穿过金箔后，基本沿原方向前进．少数 α 粒子发生大角度偏转，偏转角甚至大于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1．原子内的电荷关系各种元素的原子核的电荷数与原子内含有的电子数相等，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，原子核的电荷数就等于原子核中的质子数．3．原子核的大小对于一般的原子核，实验确定的原子核半径 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” ．一、探究电子发现的历程1．真空玻璃管两极加上高电压→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“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量．例 1 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3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 1.602×10－19 CD．电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷答案 BC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．二、对 α 粒子散射实验的理解1．装置：放射源、金箔、荧光屏等，如图 18－1、2－2 所示．图 18－1、2－22．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．注意事项：(1)整个实验过程在真空中进行．(2)α 粒子是氦原子核，体积很小，金箔需要做得很薄，α 粒子才能穿过．4．汤姆孙的原子模型不能解释 α 粒子的大角度散射图 18－1、2－3例 2 如图 18－1、2－3 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( )A．相同时间内在 A 时观察到屏上的闪光次数最多4B．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答案 ABC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 D 错，B、C 对．借题发挥 解决 α 粒子散射实验问题的技巧(1)熟记装置及原理．(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改变．②汤姆孙的原子模型不能解释 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化，说明原子中绝大部分是空的，原子的质量、电量都集中在体积很小的核内．针对训练 1 (2013·福建高考)在卢瑟福 α 粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个 α 粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是( )答案 C解析 α 粒子与原子核相互排斥，A、D 错；运动轨迹与原子核越近，力越大，运动方向变化越明显，B 错，C 对．三、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 粒子散射实验结果的解释(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．5(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 18－1、2－4 所示．图 18－1、2－43．数量级：原子的半径数量级为 10－10 m，原子核半径的数量级为 10－15 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 .例 3 下列对原子结构的认识中，错误的是( )A．原子中绝大部分是空的，原子核很小B．电子在核外绕核旋转，向心力为库仑力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答案 D解析 卢瑟福 α 粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，卢瑟福提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核直径的数量级为 10－15 m，而原子直径的数量级为 10－10 m，是原子核直径的十万倍，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库仑引力而绕核旋转，所以本题应选 D.针对训练 2 在卢瑟福 α 粒子散射实验中，只有少数 α 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答案 A解析 本题考查了学生对 α 粒子散射实验结果与原子的核式结构关系的理解．原子的核式结构正是建立在 α 粒子散射实验结果基础上的，C、D 的说法没有错，但与题意不符．6电子的发现及对电子的认识1．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．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 18－1、2－5 所示．若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为( )图 18－1、2－5A．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，阴极射线方向向右传播，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，使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外，故选项 C 正确．α 粒子散射实验的理解3．在 α 粒子的散射实验中，使少数 α 粒子发生大角度偏转的作用力是原子核对 α 粒子的( )A．万有引力 B．库仑力C．磁场力 D．核力答案 B原子的核式结构模型4．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7D．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．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．能发生大角度偏转的 α 粒子是穿过原子时离原子核近的 α 粒子答案 BCD解析 原子核带正电，与 α 粒子间存在库仑力，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、B 对；由于原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远因而运动方向几乎不变，只有离核很近的 α 粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故 C、D 对．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．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的辉光放电现象B．阴极射线是在真空管内由阴极发出的电子流8C．阴极射线是组成物体的原子D．阴极射线沿直线传播，但可被电场、磁场偏转答案 BD解析 阴极射线是在真空管中由阴极发出的电子流，B 正确，A 错误；电子是原子的组成部分，C错误；电子可被电场、磁场偏转，D 正确．3．关于电荷的电荷量下列说法错误的是( )A．电子的电量是由密立根油滴实验测得的B．物体所带电荷量可以是任意值C．物体所带电荷量最小值为 1.6×10－19 CD．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍答案 B解析 密立根的油滴实验测出了电子的电量为 1.6×10－19 C，并提出了电荷量子化的观点，因而 A对，B 错，C 对；任何物体的电荷量都是 e 的整数倍，故 D 对．因此选 B.4．如图 18－1、2－6 是阴极射线管示意图．接通电源后，阴极射线由阴极沿 x 轴正方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线．要使荧光屏上的亮线向下( z 轴负方向)偏转，在下列措施中可采用的是( )图 18－1、2－6A．加一磁场，磁场方向沿 z 轴负方向B．加一磁场，磁场方向沿 y 轴正方向C．加一电场，电场方向沿 z 轴负方向D．加一电场，电场方向沿 y 轴正方向答案 B解析 若加磁场，由左手定则可知，所加磁场方向沿 y 轴正方向，B 正确；若加电场，因电子向下偏转，则电场方向沿 z 轴正方向．题组二 对 α 粒子散射实验的理解5．卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用 α 粒子轰击金箔，实验中发现 α 粒子( )A．全部穿过或发生很小偏转9B．绝大多数穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回C．绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过D．全部发生很大偏转答案 B解析 卢瑟福的 α 粒子散射实验结果是绝大多数 α 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，故选项A 错误．α 粒子被散射时只有少数发生了较大角度偏转，并且有极少数 α 粒子偏转角超过了 90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到 180°，故选项 B 正确，选项 C、D 错误．6．如图所示，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，轨道弯曲的就越小，故 D 对．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，后受原子核的引力的作用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．卢瑟福的 α 粒子散射实验的结果显示了下列哪些情况( )A．原子内存在电子B．原子的大小为 10－10 mC．原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上D．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内答案 D解析 根据 α 粒子散射实验现象，绝大多数 α 粒子穿过金箔后沿原来方向前进，少数发生较大的10偏转，极少数偏转角超过 90°，可知 C 错，A 与题意不符；而实验结果不能判定原子的大小为10－10 m，B 错，故选 D.9．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 10－10 m，原子核半径的数量级是 10－15 m答案 BD解析 根据卢瑟福的原子核式结构学说，可知选项 B、D 正确．10．α 粒子散射实验中，当 α 粒子最接近原子核时，α 粒子符合下列哪种情况( )A．动能最小B．势能最小C．α 粒子与金原子组成的系统的能量小D．所受原子核的斥力最大答案 AD解析 该题考查了原子的核式结构、动能、电势能、库仑定律及能量守恒等知识点．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．11．已知金的原子序数为 79，α 粒子离金原子核的最近距离为 10－13 m，则 α 粒子离金核最近时受到的库仑力多大？对 α 粒子产生的加速度多大？已知 α 粒子的电荷量 qα ＝2 e，质量 mα ＝6.64×10 －27 kg.答案 3.64 N 5.48×10 26 m/s2解析 分别根据库仑定律和牛顿第二定律可算出：α 粒子离核最近时受到的库仑力F＝ k ＝ kq1q2r2 79e×2er2＝9×10 9× N（ 79×1.6×10－ 19） ×（ 2×1.6×10－ 19）（ 10－ 13） 2＝3.64 N.库仑斥力对 α 粒子产生的加速度大小a＝ ＝ m/s2＝5.48×10 26 m/s2.Fmα 3.646.64×10－ 2712．已知电子质量为 9.1×10－31 kg，带电荷量为－1.6×10 －19 C，若氢原子核外电子绕核旋转时的11轨道半径为 0.53×10－10 m，求电子绕核运动的线速度大小、动能、周期和形成的等效电流．答案 2.19×10 6 m/s 2.18×10 －18 J 1.53×10 －16 s 1.05×10 －3 A解析 由卢瑟福的原子模型可知：电子绕核做圆周运动所需的向心力由核对电子的库仑引力来提供．根据 ＝ k ，得 v＝ e ＝1.6×10 －19 ×mv2r e2r2 krmm/s＝2.19×10 6 m/s；9×1090.53×10－ 10×9.1×10－ 31其动能 Ek＝ mv2＝ ×9.1×10－31 ×(2.19×106)2J12 12＝2.18×10 －18 J；运动周期 T＝ ＝ s2π rv 2×3.14×0.53×10－ 102.17×106＝1.53×10 －16 s；电子绕核运动形成的等效电流I＝ ＝ ＝ A＝1.05×10 －3 A.qt eT 1.6×10－ 191.53×10－ 1611 电子的发现2 原子的核式结构模型 [目标定位] 1.知道阴极射线是由电子组成的，知道电子的电荷量和比荷.2.了解汤姆孙发现电子对揭示原子结构的重大意义.3.知道 α 粒子散射实验的实验器材、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，能说出原子核的数量级．一、阴极射线 电子的发现[问题设计]1．在图 1 所示的演示实验中，K 和 A 之间加上近万伏的高电压后，玻璃管壁上观察到什么现象？该现象说明了什么问题？图 1答案 玻璃管壁上观察到淡淡的荧光及管中物体在玻璃管壁上的影，这说明阴极能够发出某种射线，并且撞击玻璃引起荧光．2．人们对阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为是电磁辐射，另一种观点认为是带电微粒，你认为应如何判断哪种观点正确？答案 可以让阴极射线通过电场或磁场，若射线垂直于磁场方向通过磁场后发生了偏转，则该射线是由带电微粒组成的．[要点提炼]1．阴极射线科学家用真空度很高的真空管做放电实验时，发现真空管阴极发射出的一种射线，叫做阴极射线．2．阴极射线的特点(1)在真空中沿直线传播；(2)碰到物体可使物体发出荧光．3．电了的发现：汤姆孙让阴极射线分别通过电场或磁场，根据偏转情况，证明了它的本质是带负2电的粒子流并求出了其比荷．4．密立根通过著名的“油滴实验”精确地测出了电子电荷．电子电荷量一般取 e＝1.6×10 －19 _C，电子质量 me＝9.1×10 －31 _kg.二、α 粒子散射实验[问题设计]阅读课本“α 粒子散射实验” ，回答下列问题：(1)什么是 α 粒子？(2)α 粒子散射实验装置由几部分组成？实验过程是怎样的？(3)α 粒子散射实验的实验现象是什么？答案 (1)α 粒子( He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦42原子核，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 7 300 倍．(2)实验装置：①α 粒子源：钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能 α 粒子，带两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的 4 倍．②金箔：特点是金原子的质量大，且易延展成很薄的箔．③放大镜：能绕金箔在水平面内转动．④荧光屏：荧光屏装在放大镜上．⑤整个实验过程在真空中进行．金箔很薄，α 粒子很容易穿过．实验过程：α 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 α 粒子有库仑力的作用，一些 α 粒子会改变原来的运动方向．带有放大镜的荧光屏可以沿图中虚线转动，以统计向不同方向散射的 α 粒子的数目．(3)α 粒子散射实验的实验现象：绝大多数 α 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数 α 粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于 90°.[要点提炼]1．α 粒子散射实验装置由 α 粒子源、金箔、放大镜、荧光屏等几部分组成，实验时从 α 粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中．2．实验现象：绝大多数 α 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数 α 粒子发生3了大角度偏转，偏转的角度甚至大于 90°.3．α 粒子散射实验的结果用汤姆孙的“枣糕模型”无法解释．4．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．三、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与原子内含有的电子数相等，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，原子核的电荷数就等于原子核中的质子数．3．原子核的大小：原子核半径 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” ．一、对阴极射线的认识例 1 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 2 所示．若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为( )图 2A．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 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．答案 C二、带电粒子比荷的测定例 2 为求得电子的比荷，设计实验装置如图 3 所示．其中两正对极板 M1、 M2之间的距离为 d，极板长度为 L.若 M1、 M2之间不加任何电场或磁场，可在荧光屏上 P 点观察到一个亮点．图 34在 M1、 M2两极板间加极性如图所示的电压，并逐步调节增大，使荧光屏上的亮点逐渐向荧光屏下方偏移，直到荧光屏上恰好看不见亮点为止，记下此时外加电压为 U.保持电压 U 不变，对 M1、 M2区域再加一个大小、方向合适的磁场 B，使荧光屏正中心处重现亮点．(1)外加磁场方向如何？(2)请用 U、 B、 L 等物理量表示出电子的比荷 .qm解析 (1)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纸面向外．(2)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，d2 Uq2dmLv＝ .①qm d2v2UL2由电场力等于洛伦兹力得 ＝ BqvUqd解得 v＝ ②UBd将②式代入①式得 ＝ .qm UB2L2答案 (1)磁场方向垂直纸面向外(2) ＝qm UB2L2三、α 粒子散射实验及原子的核式结构模型例 3 如图 4 所示为卢瑟福 α 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 α 粒子在各个角度的散射情况．下列说法中正确的是( )图 4A．在图中的 A、 B 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．卢瑟福选用不同金属箔片作为 α 粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似D．α 粒子发生散射的主要原因是 α 粒子撞击到金箔原子后产生的反弹解析 α 粒子散射实验现象：绝大多数 α 粒子沿原方向前进，少数 α 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．α 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 C5例 4 在卢瑟福 α 粒子散射实验中，只有少数 α 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 原子的核式结构正是建立在 α 粒子散射实验结果基础上的，C、D 的说法没有错，但与题意不符．答案 A电子的发现Error!原子的核式结构模型 Error!1．(对阴极射线的认识)英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现( )A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同D．汤姆孙并未得出阴极射线粒子的电荷量答案 AD解析 阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧，A 正确．由于电子带负电，所以其在磁场中受力情况与正电荷不同，B 错误．不同材料所产生的阴极射线都是电子流，所以它们的比荷是相同的，C 错误．在汤姆孙实验证实阴极射线就是带负电的电子流时并未得出电子的电荷量，最早测出电子电荷量的是美国物理学家密立根，D 正确．2．(带电粒子比荷的测定)关于密立根“油滴实验” ，下列说法正确的是( )A．密立根利用电场力和磁场力平衡的方法，测得了带电体的最小带电荷量B．密立根利用电场力和重力平衡的方法，推测出了带电体的最小带电荷量C．密立根利用磁偏转的知识推测出了电子的电荷量D．密立根“油滴实验”直接验证了电子的质量不足氢离子质量的千分之一答案 B3．(对 α 粒子散射实验的理解)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6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．4．(原子的核式结构模型)关于原子的核式结构模型，下列说法正确的是( )A．原子中绝大部分是“空”的，原子核很小B．电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力C．原子的全部电荷和质量都集中在原子核里D．原子核的半径的数量级是 10－10 m答案 AB解析 因为原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，而原子核又很小，所以原子内绝大部分区域是“空”的，A 正确，C 错误；电子绕原子核的圆周运动是原子核与电子间的库仑力引提供向心力，B 正确；原子核半径的数量级是 10－15 m，原子半径的数量级是 10－10 m，D 错误．题组一 对阴极射线的认识1．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. 如图 1 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( )7图 1A．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．阴极射线管中的高电压的作用( )A．使管内气体电离B．使管内产生阴极射线C．使管内障碍物的电势升高D．使电子加速答案 D题组二 比荷的测定4．密立根油滴实验进一步证实了电子的存在，揭示了电荷的非连续性．如图 2 所示是密立根油滴实验的原理示意图，设小油滴的质量为 m，调节两极板间的电势差 U，当小油滴悬浮不动时，测出两极板间的距离为 d.则可求出小油滴的电荷量 q＝________.图 2答案 mgdU解析 由平衡条件得 mg＝ q ，解得 q＝ .Ud mgdU5．汤姆孙 1897 年用阴极射线管测量了电子的比荷(电子电荷量与质量之比)，其实验原理如图 3 所示．电子流平行于极板射入，当极板 P、 P′间同时存在匀强电场 E 和垂直纸面向里的匀强磁场 B时，电子流不发生偏转；当极板间只存在垂直纸面向里的匀强磁场 B 时，电子流穿出平行板电容器时的偏转角 θ ＝ rad.已知极板长 L＝3.0×10 －2 m，电场强度大小为 E＝1.5×10 4 V/m，磁感应115强度大小为 B＝5.0×10 －4 T，求电子的比荷．8图 3答案 1.33×10 11 C/kg解析 无偏转时，有 eE＝ evB只存在磁场时，有 evB＝ m (或 r＝ )，由几何关系得偏转角很小时， r≈ ≈v2r mveB Lsin θ Lθ联立并代入数据得 ＝ ≈1.33×10 11 C/kg.em EθB2L题组三 α 粒子散射实验及原子的核式结构模型6．在 α 粒子散射实验中，关于选用金箔的原因下列说法不正确的是( )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 B7．卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用 α 粒子轰击金箔，实验中发现 α 粒子( )A．全部穿过或发生很小偏转B．绝大多数穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回C．绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过D．全部发生很大偏转答案 B解析 卢瑟福的 α 粒子散射实验结果是绝大多数 α 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，故选项A 错误．α 粒子被散射时只有少数发生了较大角度偏转，并且有极少数 α 粒子偏转角超过了 90°，有的甚至被弹回，故选项 B 正确，C、D 错误．8．卢瑟福在解释 α 粒子散射实验的现象时，不考虑 α 粒子与电子的碰撞影响，这是因为( )A．α 粒子与电子之间有相互排斥，但斥力很小，可忽略B．α 粒子虽受电子作用，但电子对 α 粒子的合力为零C．电子体积极小，α 粒子不可能碰撞到电子D．电子质量极小，α 粒子与电子碰撞时能量损失可忽略9答案 D解析 α 粒子与电子间有库仑引力，电子的质量很小，α 粒子与电子相碰，运动方向不会发生明显的改变，所以 α 粒子和电子的碰撞可以忽略．A、B、C 错，D 正确．9．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运动轨迹如图 4 中实线所示．图中 P、 Q 为轨迹上的点，虚线是过 P、 Q 两点并与轨迹相切的直线，两虚线和轨迹将平面分为四个区域．不考虑其他原子核对该 α 粒子的作用，那么关于该原子核的位置，下列说法中正确的是( )图 4A．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 α 粒子带正电，原子核也带正电，对靠近它的 α 粒子产生斥力，故原子核不会在④区域；如原子核在②、③区域，α 粒子会向①区域偏转；如原子核在①区域，可能会出现题图所示的轨迹，故应选 A.11 电子的发现 2 原子的核式结构模型[目标定位] 1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，知道电子的电荷量和比荷.2.知道 α 粒子散射实验的实验方法和实验现象及卢瑟福原子核式结构模型的主要内容.3.能说出原子和原子核大小的数量级．一、阴极射线1．实验：如图 18－1、2－1 所示，图 18－1、2－1真空玻璃管中 K 是金属板制成的阴极，接感应线圈的负极，A 是金属环制成的阳极，在 K、A 间加近万伏的高电压，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．二、电子的发现1．让阴极射线分别通过电场或磁场，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．密立根通过著名的“油滴实验”精确地测出了电子电荷．电子电荷量一般取e＝1.6×10 －19 __C，电子质量 me＝9.1×10 －31 __kg．想一想 电子发现的重大意义是什么？答案 电子是人类发现的第一个比原子小的粒子．电子的发现，打破了原子不可再分的传统观念，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有内部结构．从此，原子物理学飞速发展，人们对物质结构的认识进入了一个新时代．三、α 粒子散射实验21．α 粒子从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核，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 7 300 倍．2．实验结果绝大多数 α 粒子穿过金箔后，基本沿原方向前进．少数 α 粒子发生大角度偏转，偏转角甚至大于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1．原子内的电荷关系各种元素的原子核的电荷数与原子内含有的电子数相等，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，原子核的电荷数就等于原子核中的质子数．3．原子核的大小对于一般的原子核，实验确定的原子核半径 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” ．一、探究电子发现的历程1．真空玻璃管两极加上高电压→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“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量．例 1 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3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 1.602×10－19 CD．电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷答案 BC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．二、对 α 粒子散射实验的理解1．装置：放射源、金箔、荧光屏等，如图 18－1、2－2 所示．图 18－1、2－22．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．注意事项：(1)整个实验过程在真空中进行．(2)α 粒子是氦原子核，体积很小，金箔需要做得很薄，α 粒子才能穿过．4．汤姆孙的原子模型不能解释 α 粒子的大角度散射图 18－1、2－3例 2 如图 18－1、2－3 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( )A．相同时间内在 A 时观察到屏上的闪光次数最多4B．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答案 ABC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 D 错，B、C 对．借题发挥 解决 α 粒子散射实验问题的技巧(1)熟记装置及原理．(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改变．②汤姆孙的原子模型不能解释 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化，说明原子中绝大部分是空的，原子的质量、电量都集中在体积很小的核内．针对训练 1 (2013·福建高考)在卢瑟福 α 粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个 α 粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是( )答案 C解析 α 粒子与原子核相互排斥，A、D 错；运动轨迹与原子核越近，力越大，运动方向变化越明显，B 错，C 对．三、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 粒子散射实验结果的解释(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．5(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 18－1、2－4 所示．图 18－1、2－43．数量级：原子的半径数量级为 10－10 m，原子核半径的数量级为 10－15 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 .例 3 下列对原子结构的认识中，错误的是( )A．原子中绝大部分是空的，原子核很小B．电子在核外绕核旋转，向心力为库仑力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答案 D解析 卢瑟福 α 粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，卢瑟福提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核直径的数量级为 10－15 m，而原子直径的数量级为 10－10 m，是原子核直径的十万倍，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库仑引力而绕核旋转，所以本题应选 D.针对训练 2 在卢瑟福 α 粒子散射实验中，只有少数 α 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答案 A解析 本题考查了学生对 α 粒子散射实验结果与原子的核式结构关系的理解．原子的核式结构正是建立在 α 粒子散射实验结果基础上的，C、D 的说法没有错，但与题意不符．6电子的发现及对电子的认识1．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．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 18－1、2－5 所示．若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为( )图 18－1、2－5A．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，阴极射线方向向右传播，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，使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外，故选项 C 正确．α 粒子散射实验的理解3．在 α 粒子的散射实验中，使少数 α 粒子发生大角度偏转的作用力是原子核对 α 粒子的( )A．万有引力 B．库仑力C．磁场力 D．核力答案 B原子的核式结构模型4．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7D．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．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．能发生大角度偏转的 α 粒子是穿过原子时离原子核近的 α 粒子答案 BCD解析 原子核带正电，与 α 粒子间存在库仑力，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、B 对；由于原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远因而运动方向几乎不变，只有离核很近的 α 粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故 C、D 对．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．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的辉光放电现象B．阴极射线是在真空管内由阴极发出的电子流8C．阴极射线是组成物体的原子D．阴极射线沿直线传播，但可被电场、磁场偏转答案 BD解析 阴极射线是在真空管中由阴极发出的电子流，B 正确，A 错误；电子是原子的组成部分，C错误；电子可被电场、磁场偏转，D 正确．3．关于电荷的电荷量下列说法错误的是( )A．电子的电量是由密立根油滴实验测得的B．物体所带电荷量可以是任意值C．物体所带电荷量最小值为 1.6×10－19 CD．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍答案 B解析 密立根的油滴实验测出了电子的电量为 1.6×10－19 C，并提出了电荷量子化的观点，因而 A对，B 错，C 对；任何物体的电荷量都是 e 的整数倍，故 D 对．因此选 B.4．如图 18－1、2－6 是阴极射线管示意图．接通电源后，阴极射线由阴极沿 x 轴正方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线．要使荧光屏上的亮线向下( z 轴负方向)偏转，在下列措施中可采用的是( )图 18－1、2－6A．加一磁场，磁场方向沿 z 轴负方向B．加一磁场，磁场方向沿 y 轴正方向C．加一电场，电场方向沿 z 轴负方向D．加一电场，电场方向沿 y 轴正方向答案 B解析 若加磁场，由左手定则可知，所加磁场方向沿 y 轴正方向，B 正确；若加电场，因电子向下偏转，则电场方向沿 z 轴正方向．题组二 对 α 粒子散射实验的理解5．卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用 α 粒子轰击金箔，实验中发现 α 粒子( )A．全部穿过或发生很小偏转9B．绝大多数穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回C．绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过D．全部发生很大偏转答案 B解析 卢瑟福的 α 粒子散射实验结果是绝大多数 α 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，故选项A 错误．α 粒子被散射时只有少数发生了较大角度偏转，并且有极少数 α 粒子偏转角超过了 90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到 180°，故选项 B 正确，选项 C、D 错误．6．如图所示，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，轨道弯曲的就越小，故 D 对．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，后受原子核的引力的作用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．卢瑟福的 α 粒子散射实验的结果显示了下列哪些情况( )A．原子内存在电子B．原子的大小为 10－10 mC．原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上D．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内答案 D解析 根据 α 粒子散射实验现象，绝大多数 α 粒子穿过金箔后沿原来方向前进，少数发生较大的10偏转，极少数偏转角超过 90°，可知 C 错，A 与题意不符；而实验结果不能判定原子的大小为10－10 m，B 错，故选 D.9．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 10－10 m，原子核半径的数量级是 10－15 m答案 BD解析 根据卢瑟福的原子核式结构学说，可知选项 B、D 正确．10．α 粒子散射实验中，当 α 粒子最接近原子核时，α 粒子符合下列哪种情况( )A．动能最小B．势能最小C．α 粒子与金原子组成的系统的能量小D．所受原子核的斥力最大答案 AD解析 该题考查了原子的核式结构、动能、电势能、库仑定律及能量守恒等知识点．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．11．已知金的原子序数为 79，α 粒子离金原子核的最近距离为 10－13 m，则 α 粒子离金核最近时受到的库仑力多大？对 α 粒子产生的加速度多大？已知 α 粒子的电荷量 qα ＝2 e，质量 mα ＝6.64×10 －27 kg.答案 3.64 N 5.48×10 26 m/s2解析 分别根据库仑定律和牛顿第二定律可算出：α 粒子离核最近时受到的库仑力F＝ k ＝ kq1q2r2 79e×2er2＝9×10 9× N（ 79×1.6×10－ 19） ×（ 2×1.6×10－ 19）（ 10－ 13） 2＝3.64 N.库仑斥力对 α 粒子产生的加速度大小a＝ ＝ m/s2＝5.48×10 26 m/s2.Fmα 3.646.64×10－ 2712．已知电子质量为 9.1×10－31 kg，带电荷量为－1.6×10 －19 C，若氢原子核外电子绕核旋转时的11轨道半径为 0.53×10－10 m，求电子绕核运动的线速度大小、动能、周期和形成的等效电流．答案 2.19×10 6 m/s 2.18×10 －18 J 1.53×10 －16 s 1.05×10 －3 A解析 由卢瑟福的原子模型可知：电子绕核做圆周运动所需的向心力由核对电子的库仑引力来提供．根据 ＝ k ，得 v＝ e ＝1.6×10 －19 ×mv2r e2r2 krmm/s＝2.19×10 6 m/s；9×1090.53×10－ 10×9.1×10－ 31其动能 Ek＝ mv2＝ ×9.1×10－31 ×(2.19×106)2J12 12＝2.18×10 －18 J；运动周期 T＝ ＝ s2π rv 2×3.14×0.53×10－ 102.17×106＝1.53×10 －16 s；电子绕核运动形成的等效电流I＝ ＝ ＝ A＝1.05×10 －3 A.qt eT 1.6×10－ 191.53×10－ 16