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【新步步高】2015-2016学年高中物理 第十八章 原子结构 1、2 电子的发现 原子的核式结构模型导学案


1 2

电子的发现

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电

1

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 电子质量 me=9.1×10 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(2He)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:
4 -31 -19

_C,

_kg.

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 粒子发生了
2

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 部十分“空旷”.
-15

m,而整个原子半径的数量级是 10

-10

m.因而原子内

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2 A.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3

3

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 . 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 2dm v

q m

d

Uq L

2

q d2v2 = .① m UL2
由电场力等于洛伦兹力得 =Bqv 解得 v= ② 将②式代入①式得 =

Uq d

U Bd

q U . m B2L2

答案 (1)磁场方向垂直纸面向外 (2) =

q U m B2L2

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4 A.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.

4

答案 C 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

?阴极射线 性质:带负电,真空中沿直线传播 ? 电子的发现? 汤姆孙的研究方法 ? ? 电子的发现?电子发现的意义 ? ? ?电子的电荷量和质量 ?
?产生 ? ? ? ?



子 汤姆孙的原子模型
? ? ? ? ?















? ?α 粒子散射实验 实验装置 实验现象 ? 内容 ? ?卢瑟福原子核式结构模型? ?对α 粒子散射实验现象的 ? ? ? 解释 ? 组成 ?原子结构? 原子核 电荷数与尺度 ? ? ?核外电子 ?
? ? ? ? ?

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

)

5

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 B 3.(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 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 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 -10

)

m

m,原子半径的数量级是 10

-10

m,D 错误.

6

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( ) )

图1 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.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
7

)

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

mgd U U d mgd . U

解析 由平衡条件得 mg=q ,解得 q=

5.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 1 -2 4 偏转角 θ = rad.已知极板长 L=3.0×10 m,电场强度大小为 E=1.5×10 V/m,磁感应强度大 15 小为 B=5.0×10
-4

T,求电子的比荷.

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≈ ≈ r eB sin θ θ e Eθ 11 联立并代入数据得 = 2 ≈1.33×10 C/kg.

v2

mv

L

L

m

BL

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 B 7.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( )
8

)

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 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4 A.可能在①区域 C.可能在③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. B.可能在②区域 D.可能在④区域

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