物理3 原子的核式结构模型巩固练习

第四章　原子结构和波粒二象性

3　原子的核式结构模型

基础过关练

题组一　电子的发现

1.(2021陕西咸阳高二下期中)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

2.(2021吉林长春一中高二下月考)关于电子的发现,下列叙述中正确的是 (　　)

A.J.J.汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子,从而揭示了原子核是可以再分的

B.电子的发现说明原子是由电子和原子核组成的

C.电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷

D.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

3.(2020浙江杭州师大附中高二下月考)下列关于电子的说法中错误的是 (　　)

A.发现电子是从研究阴极射线开始的

B.J.J.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,原子本身也有结构

D.电子是带负电的,可以在电场和磁场中偏转

4.(多选)如图所示是J.J.汤姆孙的阴极射线管的示意图,下列说法中正确的是              (　　)

A.若在D1、D2两极板之间不加电场和磁场,则阴极射线应打到最右端的中心P1点

B.若在D1、D2两极板之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向下偏转

C.若在D1、D2两极板之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向上偏转

D.若在D1、D2两极板之间加上垂直纸面向里的磁场,则阴极射线不偏转

题组二　比荷的测定

5.(2021河南洛阳高二下期中)如图所示为J.J.汤姆孙研究阴极射线时用到的气体放电管,在K、A之间加高电压,便有阴极射线射出;C、D 间不加电圧时,光屏上O点出现亮点,当C、D之间加如图所示电压时,光屏上P 点出现亮点。

(1)要使K、A之间有阴极射线射出,则K应接高压电源　　　　(填“正极”或“负极”);要使光屏上P处的亮点再回到O点,可以在C、D间加垂直纸面　　　　(填“向里”或“向外”)的匀强磁场。 

(2)J.J.汤姆孙换用不同材料的阴极做实验,发现不同阴极发出的射线的比荷是　　　　的(填“相同”或“不同”)。 

6.带电粒子的比荷是一个重要的物理量。某中学物理兴趣小组设计了一个实验,探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响,以求得电子的比荷,实验装置如图所示,其中两正对极板M1、M2之间的距离为d,极板长度为L。

他们的主要实验步骤如下:

A.首先在两极板M1、M2之间不加任何电场、磁场,开启阴极射线管电源,发射的电子束从两极板中央通过,在荧光屏的正中心处观察到一个亮点。

B.在M1、M2两极板间加合适的电场:极板的极性如图所示,并逐步调节增大两板间电压,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。请问本步骤的目的是什么?

C.保持步骤B中的电压U不变,在M1、M2之间的区域加一个大小、方向合适的磁场,使荧光屏正中心处重现亮点。试问外加磁场的方向如何?深度解析

7.如图所示为美国科学家密立根测量油滴所带电荷量装置的截面图,两块水平放置的平行金属板间距为d。油滴从喷雾器的喷嘴喷出时,由于与喷嘴摩擦而带负电。油滴散布在油滴室中,在重力作用下,少数油滴通过上面金属板的小孔进入平行金属板间。当平行金属板间不加电压时,由于受到气体阻力的作用,油滴最终以速度v1竖直向下匀速运动;当上板带正电,下板带负电,两板间的电压为U时,带电油滴恰好能以速度v2竖直向上匀速运动。已知油滴在极板间运动时所受气体阻力的大小与其速率成正比,油滴密度为ρ,重力加速度为g,已测量出油滴的直径为D(油滴体积公式V=πD3)。

(1)设油滴受到气体的阻力f=kv,其中k为阻力系数,求k的大小;

(2)求油滴所带电荷量。

题组三　α粒子散射实验

8.(2021山东济南长清一中高二下月考)通过如图所示的实验,卢瑟福建立了原子核式结构模型。实验时,若将荧光屏和显微镜分别放在位置1、2、3,则相同时间内能观察到粒子数量最多的是位置              (深度解析)

A.1 B.2 C.3 D.一样多

9.(2021上海复旦大学附中高二下期中)在用α粒子轰击金箔的实验中,卢瑟福观察到的α粒子的运动情况是(　　)

A.全部α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进

B.绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回

C.少数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,绝大多数发生较大偏转,甚至被弹回

D.全部α粒子都发生很大偏转

10.(2021黑龙江宾县一中高二下月考)关于卢瑟福的α粒子散射实验和原子的核式结构模型,下列说法中不正确的是              (　　)

A.绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进

B.只有少数α粒子发生大角度散射的原因是原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上

C.卢瑟福依据α粒子散射实验的现象提出了原子的“核式结构”理论

D.α粒子散射实验说明原子中正电荷是均匀分布的

11.(2020湖北襄阳一中高二下测试)如图为卢瑟福α粒子散射实验的金原子核和两个α粒子的径迹,其中可能正确的是              (　　)

题组四　原子的核式结构模型

12.(2021湖北麻城二中高二下月考)卢瑟福的α粒子散射实验结果表明了 (　　)

A.原子核是可分的

B.原子核是由质子、中子组成的

C.原子是由均匀带正电的物质和带负电的电子构成的

D.原子内部有一个很小的区域,集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量

13.(2021黑龙江大庆中学高二下期中)下列关于原子模型及其建立过程叙述正确的是              (　　)

A.阴极射线是电子流,J.J.汤姆孙测出了电子的比荷,并精确测定了电子电荷量

B.J.J.汤姆孙认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布于球内,电子镶嵌其中;该理论无法解释α粒子散射现象,后被卢瑟福核式结构模型所取代

C.通过α粒子散射实验可以估算出原子核尺度数量级为10-10 m

D.卢瑟福根据α粒子散射实验指出原子的全部正电荷和全部质量都集中在一个很小的区域——原子核

14.(2021吉林长春一中高二下月考)下列关于原子结构模型的说法正确的是 (　　)

A.J.J.汤姆孙发现了电子,并建立了原子核式结构模型

B.用α粒子散射的实验数据可以估算原子核的大小

C.卢瑟福的α粒子散射实验表明原子的正电荷和所有质量集中在一个很小的核上

D.卢瑟福核式结构模型可以很好地解释原子的稳定性

题组五　原子核的电荷与尺度

15.(2021陕西咸阳高二下期中)(多选)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.原子核半径的数量级是10-15 m

能力提升练

题组一　α粒子散射实验

1.(2021上海高三学业考试模拟,)α粒子散射实验中,有部分大角度偏转的α粒子              (　　)

A.是与原子中的电子碰撞造成的

B.是由于受到金原子核库仑引力

C.说明原子核由质子和中子组成

D.说明原子中有带正电的原子核

2.(2021湖北孝感高二下期中,)如图所示为卢瑟福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。下列说法正确的是              (　　)

A.卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构模型

B.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

C.在图中的B位置进行观察,屏上观察不到任何闪光

D.α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金原子后产生反弹

3.(2021河北唐县一中高二下月考,)以下有关卢瑟福α粒子散射实验的说法,正确的是              (　　)

A.α粒子散射实验说明原子核具有复杂结构

B.在α粒子散射实验中观察到大多数粒子发生了较大幅度的偏转

C.通过α粒子散射实验,可以得出正电荷均匀分布在整个原子中

D.通过α粒子散射实验,可以估算出原子核的大小

4.(2021湖北沙市五中高二下月考,)(多选)如图为α粒子散射实验装置的示意图,荧光屏和显微镜在图中的A、B、C、D四个位置时,关于观察到的现象,下述说法正确的是              (　　)

A.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多

B.相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多

C.放在C、D位置时屏上观察不到闪光

D.放在D位置时屏上看不到闪光

题组二　原子的核式结构模型及对α粒子散射实验的

解释

5.(2021海南海口高三三模,)α粒子散射实验中,不考虑电子和α粒子的碰撞影响,是因为              (深度解析)

A.α粒子与电子根本无相互作用

B.电子是均匀分布的,α粒子受电子作用的合力为零

C.α粒子和电子碰撞损失能量极少,可忽略不计

D.电子很小,α粒子碰撞不到电子

6.(2021重庆巴蜀中学高二下期中,)关于α粒子散射实验,下列说法中正确的是              (　　)

A.绝大多数α粒子经过金箔后,基本上仍沿直线前进

B.α粒子接近原子核的过程中,动能减少,电势能减少

C.α粒子离开原子核的过程中,动能增大,电势能增大

D.对α粒子散射实验的数据进行分析,无法估算出原子核的大小

7.(2021湖南“五市十校”高三联考,)在卢瑟福的α粒子散射实验中,某一α粒子经过原子核附近时的轨迹如图中实线所示,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五个区域,不考虑其他原子核对该α粒子的作用,下列说法正确的是              (　　)

A.α粒子受到引力

B.该原子核的位置可能在①区域

C.根据α粒子散射实验可以估算原子核大小

D.α粒子在P、Q间的运动为匀速圆周运动

8.(2021河南洛阳高二下期中,)如图所示为α粒子散射的图景,图中实线表示α粒子运动轨迹。关于α粒子散射实验,下列说法正确的是              (深度解析)

A.卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子

B.图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大

C.根据α粒子散射实验可以估算原子的大小

D.绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小

答案全解全析

第四章　原子结构和波粒二象性

3　原子的核式结构模型

基础过关练

1.C　阴极射线的本质是电子,故C正确。

2.D　J.J.汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子,从而揭示了原子是可以再分的,故A错误;原子的核式结构模型是卢瑟福通过α粒子散射实验才提出的,故B错误;电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷,故C错误;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,故D正确。

3.B　J.J.汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子,选项A说法正确;J.J.汤姆孙发现不同物质发出的阴极射线粒子的比荷相同,这种粒子即电子,选项B说法错误;J.J.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,原子本身也有结构,选项C说法正确;电子是带负电的,可以在电场和磁场中偏转,选项D说法正确。

4.AC　当D1、D2之间不加电场和磁场时,阴极射线不发生偏转,将打到最右端的中心P1点,选项A正确。若在D1、D2两极板间加上竖直向下的电场,阴极射线是电子流,它在电场中运动时应向上偏转,选项C正确,B错误。当D1、D2之间加上垂直于纸面向里的磁场时,电子在磁场中受洛伦兹力作用,由左手定则可知,阴极射线应向下偏转,选项D错误。

5.答案　(1)负极　向外　(2)相同

解析　(1)要使K、A之间有阴极射线射出,则K应接高压电源负极;要使光屏上P处的亮点再回到O点,则电子受到的洛伦兹力向上,根据左手定则可知,可以在C、D间加垂直纸面向外的匀强磁场。

(2)J.J.汤姆孙换用不同材料的阴极做实验,发现不同阴极发出的射线的比荷是相同的。

6.答案　见解析

解析　步骤B中,电子在M1、M2两极板间做类平抛运动,当增大两极板间电压时,电子在两极板间的偏转距离增大。

当在荧光屏上恰好看不到亮点时,电子刚好打在下极板M2靠近荧光屏端的边缘,则有=

解得=。

由此可以看出,进行步骤B的目的是使粒子在电场中的偏转距离成为已知量,就可以表示出比荷。

步骤C中,加上磁场后电子不偏转,则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于纸面向外。

方法技巧

巧妙运用电场、磁场测定电子比荷

(1)当电子在复合场中做匀速直线运动时,qE=qvB,可以测出电子速度的大小。

(2)电子在荧光屏上的落点到屏中心的距离等于电子在电场中的偏转距离与电子出电场后沿极板边缘到屏之间的倾斜直线运动偏转距离的和。

7.答案　(1)πρD3g　(2)

解析　(1)油滴的速度为v1时,所受气体阻力f1=kv1

油滴向下匀速运动,重力与阻力平衡,有f1=mg

而m=ρV=πρD3

则k=πρD3g。

(2)设油滴所带电荷量为q,油滴受到的电场力F电=qE=q

油滴向上匀速运动时,所受阻力向下,f2=kv2,油滴受力平衡,有kv2+mg=q

则油滴所带电荷量q=。

8.C　在α粒子散射实验中,绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,少数α粒子发生了大角度偏转,极少数偏转的角度大于90°,故C正确。

方法技巧

解决这类问题的关键是理解并熟记以下两点:

(1)明确实验装置中各部分的组成及作用。

(2)弄清实验现象,知道“绝大多数”“少数”和“极少数”α粒子的运动情况及原因。

9.B　α粒子穿过金原子时,电子对α粒子速度的影响很小,影响α粒子运动的主要是原子核,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粒子与原子核十分接近时,才会受到很大的库仑斥力,而原子核很小,α粒子接近它的机会就很少,所以绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,少数发生较大偏转,极少数甚至被弹回,故B正确,A、C、D错误。

10.D　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粒子发生了大角度偏转,极少数α粒子偏转角度超过90°,故A说法正确。α粒子散射实验中,只有少数α粒子发生大角度偏转,说明占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围,这样才会使α粒子在经过时受到很强的斥力,故B说法正确,D说法错误。卢瑟福根据α粒子散射实验的现象提出了原子的“核式结构”理论,故C说法正确。本题选说法不正确的,故选D。

11.B　α粒子在靠近金原子核时,离金原子核越近,所受库仑斥力越大,偏转角度越大,且粒子做曲线运动,合外力指向轨迹凹侧,根据这些特点可以判断出只有B正确。

12.D　卢瑟福根据α粒子散射实验结果提出了原子的核式结构理论,表明原子内部有一个很小的区域叫原子核,它集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量,D正确。

13.B　阴极射线是电子流,J.J.汤姆孙测出了电子的比荷,密立根精确测定了电子电荷量,故A错误。J.J.汤姆孙认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布于整个球内;该理论无法解释α粒子散射现象,后被卢瑟福核式结构模型所取代,故B正确。通过α粒子散射实验可以估算出原子核尺度数量级为10-15 m,故C错误。卢瑟福根据α粒子散射实验指出原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的区域——原子核,故D错误。

14.B　J.J.汤姆孙通过研究阴极射线发现了电子,卢瑟福建立了原子核式结构模型,故A错误;通常用核半径描述核的大小,利用α粒子散射实验的数据可估算核半径,故B正确;卢瑟福的α粒子散射实验表明原子的正电荷和几乎所有质量集中在一个很小的核上,故C错误;卢瑟福的α粒子散射实验否定了J.J.汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”,但不能说明核外电子的运动情况,不能解释原子的稳定性,故D错误。

15.BD　原子的质量几乎全部集中在原子核内,所以A错误,B正确;原子的正电荷全部集中在一个很小的核内,负电荷绕原子核做圆周运动,所以C错误;原子核半径的数量级是10-15 m,所以D正确。

能力提升练

1.D　α粒子散射实验中,有部分大角度偏转的α粒子,说明了原子中有带正电的原子核,α粒子受到了金原子核库仑斥力作用,故D正确。

2.A　卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构模型,选项A正确;因大多数α粒子穿过金箔后不改变运动方向,只有少数α粒子发生了大角度偏转,极少数偏转的角度甚至大于90°,则在图中的A、B两位置分别进行观察,相同时间内在A处观察到屏上的闪光次数多,选项B错误;因有极少数的α粒子偏转角度大于90°,则在图中的B位置进行观察,屏上可观察到闪光,选项C错误;α粒子发生散射的主要原因是α粒子受到金原子核的斥力作用从而改变运动方向,选项D错误。

3.D　α粒子散射实验说明原子具有复杂结构,故A错误;在α粒子散射实验中观察到少数粒子发生了较大幅度的偏转,大多数粒子运动方向基本不变,故B错误;通过α粒子散射实验,可以得出正电荷集中分布在原子核中,故C错误;通过α粒子散射实验数据,可以估算出原子核的大小,故D正确。

4.AB　根据α粒子散射实验结果:绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上沿原方向前进,少数α粒子发生大角度偏转,极少数偏转角度超过90°,可知相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多,放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多,放在C、D位置时屏上都能观察到闪光,但次数极少,故选项A、B正确,C、D错误。

5.C　α粒子散射实验中,不考虑电子和α粒子的碰撞影响,是因为电子的质量只有α粒子质量的,电子对α粒子速度的大小和方向的影响极小,α粒子和电子碰撞损失能量极少,可忽略不计,故C正确。

导师点睛

α粒子散射实验的现象及解释

(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进。大多数α粒子离金原子核较远。

(2)少数α粒子发生大角度偏转。少数α粒子离金原子核较近,库仑斥力较大。

(3)极少数α粒子偏转角度超过90°,有的甚至达到180°。正对或基本正对着金原子核入射的α粒子在库仑斥力作用下先减速至较小速度然后反向加速远离金原子核。

6.A　绝大多数α粒子经过金箔后,基本上仍沿直线前进,选项A正确;α粒子在接近原子核的过程中,库仑斥力做负功,则动能减少,电势能增大,选项B错误;α粒子离开原子核的过程中,库仑斥力做正功,则动能增大,电势能减小,选项C错误;对α粒子散射实验的数据进行分析,可以估算出原子核的大小,选项D错误。

7.C　在α粒子散射实验中,α粒子经过原子核附近时受到库仑斥力作用,故A错误;若该原子核处于①区域,则α粒子因受到库仑斥力应该向②区域弯曲,所以该原子核的位置不可能在①区域,故B错误;根据α粒子散射实验可以估算原子核的大小,故C正确;α粒子受到库仑斥力,在P、Q间的运动不可能为匀速圆周运动,故D错误。

8.D　J.J.汤姆孙在对阴极射线的研究中发现了电子,故A错误;图中大角度偏转的α粒子受到的库仑斥力先做负功,后做正功,则其电势能先增大后减小,故B错误;根据α粒子散射实验可以估算原子核的大小,故C错误;绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小,故D正确。

方法技巧

分析α粒子散射实验的要点

(1)分析α粒子散射实验的现象时,应注意是“绝大多数”“少数”还是“极少数”粒子的行为。“大角度偏转”只是少数粒子的行为。

(2)α粒子散射实验是得出原子核式结构模型的实验基础,对实验现象的分析是建立卢瑟福核式结构模型的关键。通过α粒子散射实验这一宏观探测,间接地构建出原子结构的微观图景。