高中原子的核式结构模型导学案

这是一份高中原子的核式结构模型导学案，共11页。
知识点一 电子发现
(教材P72实验探究改编)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子流携带的是哪种电荷吗？
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1.阴极射线
真空度很高的玻璃管________发射出的一种射线，这种射线沿直线传播，撞击到玻璃壁上会产生黄绿色的荧光。
2.微粒比荷的测定 元电荷
(1)汤姆孙的探究
根据阴极射线在磁场或电场中的________情况确定，它的本质是带________(选填“正电”或“负电”)的粒子流，并求出了这种粒子的比荷(带电粒子的________与________之比)。组成阴极射线的粒子被命名为电子。
(2)密立根实验：电子电荷量的精确测量是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的。
目前公认的电子电荷量的值为e＝____________(保留2位有效数字)。
(3)电荷的电荷量：电子所带的电荷就是元电荷，e＝____________ C；任何带电体的电荷量是不连续的，都是元电荷的整数倍。
【思考】
如图所示是电子射线管示意图。接通电源后，电子射线由阴极沿x轴方向射出，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，可采用加磁场或电场的方法。
若加一磁场，磁场方向沿什么方向？若加一电场，电场方向沿什么方向？
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例1 (教材P73图4－1－3改编)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，在荧光屏中心F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θ，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θ，求出阴极射线的比荷。
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带电粒子比荷的测定方法
(1)利用磁偏转测量
甲
①让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场(如图甲)，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，有qvB＝qE，则粒子的运动速度v＝eq \f(E,B)。
乙
②撤去匀强电场(如图乙)，保留匀强磁场，让带电粒子在匀强磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，有qvB＝meq \f(v2,R)，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径R。
③由以上两式确定带电粒子的比荷表达式：eq \f(q,m)＝eq \f(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y＝eq \f(1,2)at2＝eq \f(1,2)·eq \f(qU,md)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(L,v)))eq \s\up12(2)，故eq \f(q,m)＝eq \f(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。
(3)利用加速电场测量
由动能定理有qU＝eq \f(1,2)mv2，
可得eq \f(q,m)＝eq \f(v2,2U)，在加速电场电压U已知时，只需测出v即可。
训练1 如图所示为密立根油滴实验装置，关于该实验的意义下列说法正确的是( )
A.研究悬浮油滴所带电性
B.测量悬浮油滴的电荷量
C.测出了元电荷的值
D.利用二力平衡测出电场的场强大小
知识点二 原子的核式结构模型
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。”你是怎么样理解这段话的？
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1.汤姆孙原子模型
1904年汤姆孙根据已知的实验现象和认识提出了影响较大的“枣糕模型”，如图所示，假想正电荷构成一个密度均匀的球体，电子“镶嵌”其中，并分布在一些特定的同心圆环或球壳上。
2.α粒子散射实验
(1)α粒子散射实验装置由________、________、探测器等几部分组成，实验时从α粒子源到探测器之间是________的。
(2)实验现象
①________α粒子穿过金箔后仍沿________的方向前进或只发生很小的偏转；
②________α粒子发生了较大的偏转，大约1/8 000的α粒子偏转角度超过了________，极少数α粒子甚至被“弹”回来。
(3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的“枣糕模型”，提出了原子的“________模型”。
3.原子核式结构模型
(1)原子核：原子中带正电部分体积________，但几乎占有原子的________质量，称之为原子核。
(2)核式结构模型：原子中间有一个体积很小、带________电荷的核，而电子在核外绕核运动。
(3)原子核的大小：原子核的直径约为________ m，只有原子直径的________________。
(4)原子核的电荷数：对于中性原子，所有电子带的负电荷之和________原子核所带的正电荷。
4.原子核式结构模型的局限性
在核式结构模型中，电子绕原子核做圆周运动，电子具有加速度。根据经典电磁理论，带电粒子做加速运动时，要向外发射电磁波，要辐射能量。因此，绕核运动的电子将不断地向外辐射电磁波，能量不断减少，轨道半径会越来越小，经计算大约只需 10－11 s，电子就会沿螺旋轨道坠入原子核内，原子将不复存在！这个推论与事实不符。
【思考】 1.α粒子射入金箔时难免与电子碰撞。试估计这种碰撞对α粒子速度影响的大小。
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2.按照J.J.汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内。
请分析：α粒子穿过金箔，受到电荷的作用力后，沿哪些方向前进的可能性较大，最不可能沿哪些方向前进。
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角度1 α粒子散射实验
例2 (多选)如图是卢瑟福的α粒子散射实验装置示意图，在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋，它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上，最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是( )
A.该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据
B.该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性
C.α粒子与原子中的电子碰撞会发生大角度偏转
D.只有少数的α粒子发生大角度偏转
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实验现象的分析
(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。
(2)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比它本身大得多的物质的作用。汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射。
(3)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，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内。
训练2 (多选)(教材P80T2改编)关于α粒子散射实验的下列说法中正确的是( )
A.在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过90°，有的甚至被弹回
B.使α粒子发生明显偏转的力是来自带负电的核外电子
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及全部质量
角度2 原子的核式结构模型
例3 关于原子结构的认识历程，下列说法正确的有( )
A.汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内
B.汤姆孙通过著名的“油滴实验”精确测定了电子电荷
C.卢瑟福的原子核式结构模型能够很好的解释原子中带正电部分的体积、质量占比都很小
D.α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据
听课笔记______________________________________________________
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训练3 (多选)根据卢瑟福的原子的核式结构模型，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
随堂对点自测
1.(电子的发现)下列关于电子的说法错误的是( )
A.发现电子是从研究阴极射线开始的
B.汤姆孙发现物质中发出的电子比荷是不同的
C.电子发现的意义是让人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有复杂的结构
D.电子是带负电的，可以在电场和磁场中偏转
2.(α粒子散射实验)(多选)(2024·达州期末)α粒子散射实验是近代物理学中经典的实验之一，卢瑟福通过该实验证实了原子的核式结构模型，其实验装置如图所示。下列说法正确的是( )
A.荧光屏在B位置的亮斑比A位置多
B.该实验说明原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
C.荧光屏在C位置的亮斑比A、B位置少
D.该实验说明原子质量均匀地分布在原子内
3.(原子核式结构模型)卢瑟福提出原子核式结构模型的依据是在用α粒子轰击金箔的实验中，发现α粒子( )
A.全部穿过或发生很小的偏转
B.全部发生很大的偏转
C.绝大多数发生偏转，甚至被弹回
D.绝大多数穿过不发生偏转，只有少数发生很大偏转，甚至极少数被弹回
4.(原子核式结构模型)关于α粒子散射实验现象的分析，下列说法正确的是( )
A.在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子发生了较大角度的偏转
B.α粒子大角度散射是由于它跟电子发生了碰撞
C.α粒子散射实验说明原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有原子的全部质量
D.通过α粒子散射实验还可以估计原子核半径的数量级是10－10 m
1 电子的发现
2 原子的核式结构模型
知识点一
导学 提示 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。
知识梳理
1.阴极 2.(1)偏转 负电 电荷量 质量 (2)1.6×10－19 C
(3)1.6×10－19
[思考]
提示 若加磁场，由左手定则可判定其方向应沿y轴正方向；若加电场，根据受力情况可知其方向应沿z轴正方向。
例1 (1)负电 (2)垂直纸面向外 (3)eq \f(Esin θ,B2L)
解析 (1)由阴极射线在电场中向下偏转，可知阴极射线受电场力方向向下，又匀强电场方向向上，则阴极射线带负电。
(2)由于所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力，而与电场力平衡，由左手定则知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qE＝qvB。当射线在D、G间的磁场中偏转时，运动轨迹如图所示，有qvB＝eq \f(mv2,r)
同时又有L＝rsin θ
联立解得eq \f(q,m)＝eq \f(Esin θ,B2L)。
训练1 C [此实验的目的是测量单一电子的电荷量。方法是使重力与电场力平衡，使油滴悬浮于两片金属电极之间。并根据已知的电场强度，计算出整颗油滴的总电荷量。重复对许多油滴进行实验之后，密立根发现所有油滴的总电荷量值皆为同一数字的倍数，因此认定此数值为单一电子的电荷量，故C正确。]
知识点二
导学 提示 在原子的中心有一个很小的核，叫作原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间运动，这就像行星绕太阳运转一样，原子内部就像一个小型的太阳系。
知识梳理
2.(1)α粒子源 金箔 真空 (2)①绝大多数 原来 ②少数 90° (3)核式结构 3.(1)很小 全部 (2)正 (3)10－15 十万分之一 (4)等于
[思考]
1.提示 α粒子质量比电子大得多，因此α粒子与电子碰撞时速度几乎不受影响。
2.提示 α粒子受到电荷的作用力后，沿直线前进的可能性最大，不可能发生大角度偏转。
例2 AD [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粒子发生了较大的角度偏转；极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°，有的甚至几乎达到180°，被反弹回来)，该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据，A、D正确；通过α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子核式结构模型的假设，从而否定了汤姆孙原子模型的正确性，B错误；α粒子发生偏转，主要是α粒子和原子核发生碰撞的结果，C错误。]
训练2 AC [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粒子发生了较大的偏转，极少数α粒子发生了大角度(超过90°)的偏转，甚至有些被弹回，故A正确；使α粒子发生明显偏转的原因是受到原子核较大的斥力，故B错误；α粒子散射实验表明原子的正中心有一个极小的核(原子核)，它占有原子体积的极小部分，故C正确；α粒子散射实验表明原子中心的原子核带有原子的全部正电荷及几乎全部的质量，故D错误。]
例3 D [汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷是均匀分布的，故A错误；密立根通过著名的“油滴实验”精确测定了电子电荷，故B错误；卢瑟福提出的原子核式结构模型解释了原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，故C错误；α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据，故D正确。]
训练3 ABC [卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了汤姆孙的原子模型，提出了原子的核式结构模型，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，则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，A正确，D错误；核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引(库仑力)而绕核旋转，B正确；原子核带有原子的全部正电荷，C正确。]
随堂对点自测
1.B [汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，选项A正确；汤姆孙发现不同物质发出的阴极射线的粒子比荷相同，这种粒子即电子，选项B错误；汤姆孙发现电子，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有复杂的结构，选项C正确；电子是带负电的，可以在电场和磁场中偏转，选项D正确。]
2.BC [根据α粒子散射实验现象，大多数α粒子通过金箔后方向不变，少数α粒子方向发生改变，极少数偏转超过90°，有的甚至被反向弹回，可知荧光屏在B位置的亮斑比A位置少，荧光屏在C位置的亮斑比A、B位置少，故A错误，C正确；该实验说明原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上，而不是原子质量均匀地分布在原子内，故B正确，D错误。]
3.D [卢瑟福提出原子核式结构模型的依据是在用α粒子轰击金箔的实验中，发现绝大多数α粒子穿过不发生偏转，只有少数的α粒子发生很大偏转，有的偏转超过90°，甚至极少数被弹回，故选项D正确。]
4.C [当α粒子穿过金箔时，电子对α粒子影响很小，主要影响α粒子运动的是原子核，离核远则α粒子受到的库仑斥力很小，运动方向改变小。只有当α粒子与核十分接近时，才会受到很大的库仑斥力，而原子核很小，所以α粒子接近它的机会就很少，所以只有极少数发生大角度的偏转，而绝大多数基本沿原来的方向前进，故A错误；造成α粒子散射角度大的原因是受到的原子核的斥力比较大，不是由于它跟电子发生了碰撞，故B错误；从绝大多数α粒子几乎不发生偏转，可以推测使α粒子受到排斥力的原子核体积极小，实验表明原子中心的核占有原子的全部正电和几乎全部质量，故C正确；α粒子散射实验可以估算出原子核半径的数量级是10－15～10－14 m，故D错误。]