人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：4 3 原子的核式結(jié)構(gòu)模型

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE1第3節(jié)原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)習(xí)目標(biāo)要求核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力1.知道陰極射線是由電子組成的，電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元。2.知道電荷是量子化的，即任何電荷只能是e的整數(shù)倍。3.了解α粒子散射實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。4.知道盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容。5.知道原子和原子核大小的數(shù)量級(jí)，原子核的電荷數(shù)。1.科學(xué)思維通過實(shí)驗(yàn)，建立原子模型。2.關(guān)鍵能力實(shí)驗(yàn)探究和模型構(gòu)建能力。一、電子的發(fā)現(xiàn)1.陰極射線：陰極發(fā)出的一種射線。它能使對(duì)著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光。2.湯姆孫的探究根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況斷定，它的本質(zhì)是帶負(fù)電(選填“正電”或“負(fù)電”)的粒子流，并求出了這種粒子的比荷。組成陰極射線的粒子被稱為電子。3.密立根實(shí)驗(yàn)：電子電荷的精確測(cè)定是由密立根通過著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”做出的。目前公認(rèn)的電子電荷的值為e＝1.6×10－19__C(保留2位有效數(shù)字)。4.電荷的量子化：任何帶電體的電荷只能是e的整數(shù)倍。5.電子的質(zhì)量me＝9.1×10－31kg(保留2位有效數(shù)字)，質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量的比值為eq\f(mp,me)＝1__836。二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型1.湯姆孫原子模型：湯姆孫于1898年提出了原子模型，他認(rèn)為原子是一個(gè)球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌其中，有人形象地把湯姆孫模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”，如圖所示。2.α粒子散射實(shí)驗(yàn)(1)α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置由α粒子源、金箔、顯微鏡等幾部分組成，實(shí)驗(yàn)時(shí)從α粒子源到熒光屏這段路程應(yīng)處于真空中。(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象①絕大多數(shù)的α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進(jìn)；②少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°，它們幾乎被“撞了回來”。(3)實(shí)驗(yàn)意義：盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，否定了湯姆孫的原子模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型。3.核式結(jié)構(gòu)模型：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質(zhì)量，電子在正電體的外面運(yùn)動(dòng)。三、原子核的電荷與尺度1.原子核的電荷數(shù)：各種元素的原子核的電荷數(shù)，即原子內(nèi)的電子數(shù)，非常接近它們的原子序數(shù)，這說明元素周期表中的各種元素是按原子中的電子數(shù)來排列的。2.原子核的組成：原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)就是核中的質(zhì)子數(shù)。3.原子核的大?。河煤税霃矫枋龊说拇笮?。一般的原子核，實(shí)驗(yàn)確定的核半徑的數(shù)量級(jí)為10－15m，而整個(gè)原子半徑的數(shù)量級(jí)是10－10m，兩者相差十萬(wàn)倍之多。〖判一判〗(1)α粒子帶有一個(gè)單位的正電荷，質(zhì)量為氫原子質(zhì)量的2倍。(×)(2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了湯姆孫的棗糕式原子模型。(×)(3)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為原子中帶正電的部分體積很小，電子在正電體外面運(yùn)動(dòng)。(√)(4)原子核的電荷數(shù)等于核中的中子數(shù)。(×)(5)對(duì)于一般的原子，由于原子核很小，所以內(nèi)部十分空曠。(√)

探究1陰極射線的性質(zhì)■情境導(dǎo)入如圖所示，接通真空管(又稱陰極射線管)的電源，將條形磁鐵的一個(gè)磁極靠近射線管，觀察陰極射線是否偏轉(zhuǎn)，向什么方向偏轉(zhuǎn)；把另一個(gè)磁極靠近射線管，觀察射線的偏轉(zhuǎn)情況。你認(rèn)為射線的偏轉(zhuǎn)是什么原因造成的？你能通過射線偏轉(zhuǎn)的情況來確定射線粒子流攜帶的是哪種電荷嗎？〖答案〗運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力。根據(jù)左手定則，結(jié)合磁場(chǎng)方向、粒子運(yùn)動(dòng)方向，可以判斷出射線粒子流攜帶的電荷是正電荷還是負(fù)電荷。■歸納拓展1.陰極射線帶電性質(zhì)的判斷方法(1)方法一：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場(chǎng)，通過打在熒光屏上的亮點(diǎn)位置的變化和電場(chǎng)的情況確定帶電的性質(zhì)。(2)方法二：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加一磁場(chǎng)，根據(jù)亮點(diǎn)位置的變化和左手定則確定帶電的性質(zhì)。2.陰極射線的本質(zhì)陰極射線的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流，湯姆孫把這種粒子命名為“電子”。3.帶電粒子比荷的測(cè)定方法(1)利用磁偏轉(zhuǎn)測(cè)量①讓帶電粒子通過相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)(如圖甲)，讓其做勻速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)二力平衡，即F洛＝F電(qvB＝qE)，得到粒子的運(yùn)動(dòng)速度v＝eq\f(E,B)。甲②撤去勻強(qiáng)電場(chǎng)(如圖乙)，保留勻強(qiáng)磁場(chǎng)，讓帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，由洛倫茲力提供向心力，即qvB＝meq\f(v2,r)，根據(jù)軌跡偏轉(zhuǎn)情況，由幾何知識(shí)求出其半徑r。乙③由以上兩式確定帶電粒子的比荷表達(dá)式：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r)。(2)利用電偏轉(zhuǎn)測(cè)量帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，沿電場(chǎng)方向的偏轉(zhuǎn)距離y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)·eq\f(qU,md)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,v)))eq\s\up12(2)，故eq\f(q,m)＝eq\f(2ydv2,UL2)，所以在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中，U、d、L已知時(shí)，只需測(cè)量v和y即可。4.電子電荷量的精確測(cè)定是密立根通過“油滴實(shí)驗(yàn)”測(cè)定的，密立根實(shí)驗(yàn)的重要意義是發(fā)現(xiàn)電荷量是量子化的，即任何電荷只能是e的整數(shù)倍?！祭?〗(多選)一只陰極射線管，左側(cè)不斷有電子射出，若在管的正下方放一通電直導(dǎo)線AB時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線徑跡下偏，如圖所示。則()A.導(dǎo)線中的電流由A流向BB.導(dǎo)線中的電流由B流向AC.若要使電子束的徑跡向上偏，可以通過改變AB中電流的方向來實(shí)現(xiàn)D.電子束的徑跡與AB中電流的方向無(wú)關(guān)〖答案〗BC〖解析〗在陰極射線管中射出的陰極射線是帶負(fù)電的電子流，在導(dǎo)線AB形成的磁場(chǎng)中向下偏轉(zhuǎn)，由左手定則可知磁場(chǎng)是垂直紙面向里的，根據(jù)安培定則可知導(dǎo)線AB中的電流是由B流向A的，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；通過改變AB中的電流方向可以改變磁場(chǎng)方向從而使陰極射線的受力方向向上，使電子束的徑跡向上偏，選項(xiàng)C正確；由此可知電子束的徑跡與AB中的電流方向即AB形成的磁場(chǎng)方向有關(guān)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤?！坚槍?duì)訓(xùn)練1〗在再現(xiàn)湯姆孫測(cè)陰極射線比荷的實(shí)驗(yàn)中，采用了如圖所示的陰極射線管，從C出來的陰極射線經(jīng)過A、B間的電場(chǎng)加速后，水平射入長(zhǎng)度為L(zhǎng)的D、G平行板間，接著在熒光屏F中心出現(xiàn)光斑。若在D、G間加上方向向上、場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，陰極射線將向下偏轉(zhuǎn)；如果再利用通電線圈在D、G電場(chǎng)區(qū)加上一垂直紙面的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(圖中未畫出)，光斑恰好回到熒光屏中心，接著再去掉電場(chǎng)，陰極射線向上偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角為θ，試解決下列問題：(1)說明陰極射線的電性；(2)說明圖中磁場(chǎng)沿什么方向；(3)根據(jù)L、E、B和θ，求出陰極射線的比荷?！即鸢浮?1)負(fù)電(2)垂直紙面向外(3)eq\f(Esinθ,B2L)〖解析〗(1)由于陰極射線在電場(chǎng)中向下偏轉(zhuǎn)，因此陰極射線受電場(chǎng)力方向向下，又由于勻強(qiáng)電場(chǎng)方向向上，則電場(chǎng)力的方向與電場(chǎng)方向相反，所以陰極射線帶負(fù)電。(2)由于所加磁場(chǎng)使陰極射線受到向上的洛倫茲力，而與電場(chǎng)力平衡，由左手定則得磁場(chǎng)的方向垂直紙面向外。(3)設(shè)此射線帶電荷量為q，質(zhì)量為m，當(dāng)射線在D、G間做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，有qE＝qvB。當(dāng)射線在D、G間的磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)，如圖所示，有qvB＝eq\f(mv2,r)。同時(shí)又有L＝rsinθ，解得eq\f(q,m)＝eq\f(Esinθ,B2L)。探究2α粒子散射實(shí)驗(yàn)■情境導(dǎo)入如圖所示為1909年英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福及蓋革進(jìn)行α粒子散射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置，閱讀課本，回答以下問題：(1)實(shí)驗(yàn)裝置中各部件的作用是什么？實(shí)驗(yàn)過程是怎樣的？(2)少數(shù)α粒子發(fā)生大角度散射的原因是什么？〖答案〗(1)①α粒子源：把放射性元素釙放在帶小孔的鉛盒中，放射出高能的α粒子。②帶熒光屏的放大鏡：觀察α粒子打在熒光屏上發(fā)出的微弱閃光。實(shí)驗(yàn)過程：α粒子經(jīng)過一條細(xì)通道，形成一束射線，打在很薄的金箔上，由于金原子中的帶電粒子對(duì)α粒子有庫(kù)侖力的作用，一些α粒子會(huì)改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)方向。帶有放大鏡的熒光屏可以沿題圖中虛線轉(zhuǎn)動(dòng)，以統(tǒng)計(jì)向不同方向散射的α粒子的數(shù)目。(2)α粒子帶正電，α粒子受原子中帶正電的部分的排斥力發(fā)生了大角度散射。■歸納拓展1.湯姆孫的原子模型不能解釋?duì)亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)的現(xiàn)象(1)α粒子在穿過原子之間時(shí)，所受周圍的正、負(fù)電荷作用的庫(kù)侖力是平衡的，α粒子不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。(2)α粒子正對(duì)著電子射來，質(zhì)量遠(yuǎn)小于α粒子的電子不可能使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，更不可能使它反彈。2.對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋(1)當(dāng)α粒子穿過原子時(shí)，如果離核較遠(yuǎn)，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿過“一片空地”一樣，無(wú)遮無(wú)擋，運(yùn)動(dòng)方向改變很小，因?yàn)樵雍撕苄?，所以絕大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。(2)只有當(dāng)α粒子十分接近原子核穿過時(shí)，才受到很大的庫(kù)侖力作用，偏轉(zhuǎn)角才很大，而這種機(jī)會(huì)很少。(3)如果α粒子正對(duì)著原子核射來，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°，這種機(jī)會(huì)極少?！祭?〗(多選)如圖是盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，在一個(gè)小鉛盒里放有少量的放射性元素釙，它發(fā)出的α粒子從鉛盒的小孔射出，形成很細(xì)的一束射線，射到金箔上，最后打在熒光屏上產(chǎn)生閃爍的光點(diǎn)。下列說法正確的是()A.該實(shí)驗(yàn)是盧瑟福建立原子核式結(jié)構(gòu)模型的重要依據(jù)B.該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了湯姆孫原子模型的正確性C.α粒子與原子中的電子碰撞會(huì)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)D.只有少數(shù)的α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)〖答案〗AD〖解析〗α粒子散射實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是：絕大多數(shù)α粒子幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的角度偏轉(zhuǎn)；極少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)(偏轉(zhuǎn)角度超過90°，有的甚至幾乎達(dá)到180°，被反彈回來)，該實(shí)驗(yàn)是盧瑟福建立原子核式結(jié)構(gòu)模型的重要依據(jù)，A正確；通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型的假設(shè)，從而否定了湯姆孫原子模型的正確性，B錯(cuò)誤；發(fā)生α粒子偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，主要是由于α粒子和原子核發(fā)生碰撞的結(jié)果，C錯(cuò)誤；絕大多數(shù)α粒子幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的角度偏轉(zhuǎn)，D正確?！坚槍?duì)訓(xùn)練2〗(多選)(2021·安徽黃山市高二期末)關(guān)于α粒子散射實(shí)驗(yàn)的下列說法中正確的是()A.在實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象是絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，仍沿原來方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)超過90°，有的甚至被彈回接近180°B.使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的力是來自帶負(fù)電的核外電子C.實(shí)驗(yàn)表明原子中心有一個(gè)極小的核，它占有原子體積的極小部分D.實(shí)驗(yàn)表明原子中心的核帶有原子的全部正電荷及全部質(zhì)量〖答案〗AC〖解析〗α粒子散射實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是：絕大多數(shù)α粒子幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)；極少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)，甚至有些接近180°，故A正確；使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的原因是受到原子核的斥力比較大，故B錯(cuò)誤；α粒子散射實(shí)驗(yàn)表明原子的正中心有一個(gè)極小的核(原子核)，它占有原子體積的極小部分，故C正確；α粒子散射實(shí)驗(yàn)表明原子中心的原子核帶有原子的全部正電荷及幾乎全部的質(zhì)量，故D錯(cuò)誤。探究3原子的核式結(jié)構(gòu)模型〖例3〗(2021·天津靜海一中月考)盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說可以解決的問題是()A.結(jié)合經(jīng)典電磁理論，解釋原子的穩(wěn)定性B.用α粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算原子核的大小C.盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在原子核內(nèi)部存在質(zhì)子D.盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的〖答案〗B〖解析〗盧瑟福的模型在經(jīng)典電磁理論下完全是不穩(wěn)定的，電子繞核運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)輻射電磁波損失能量，A錯(cuò)誤；影響α粒子運(yùn)動(dòng)的主要是帶正電的原子核，而絕大多數(shù)的α粒子穿過原子時(shí)離核較遠(yuǎn)，受到的庫(kù)侖斥力很小，運(yùn)動(dòng)方向幾乎沒有改變，只有極少數(shù)α粒子可能與核十分接近，受到較大的庫(kù)侖斥力，才會(huì)發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)，根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，可以估算出原子核的半徑的數(shù)量級(jí)為10－15m，B正確；α粒子散射實(shí)驗(yàn)不能證實(shí)在原子核內(nèi)部存在質(zhì)子，也不能證實(shí)原子核由質(zhì)子與中子組成，C、D錯(cuò)誤?！坚槍?duì)訓(xùn)練3〗(多選)根據(jù)盧瑟福的原子的核式結(jié)構(gòu)理論，下列對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)中，正確的是()A.原子中絕大部分是空的，原子核很小B.電子在核外運(yùn)動(dòng)，庫(kù)侖力提供向心力C.原子的全部正電荷都集中在原子核里D.原子核的直徑大約為10－10m〖答案〗ABC〖解析〗盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果否定了湯姆孫的原子模型，提出了關(guān)于原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，并估算出原子核半徑的數(shù)量級(jí)為10－15m，原子半徑的數(shù)量級(jí)為10－10m，原子半徑是原子核半徑的十萬(wàn)倍，所以原子內(nèi)部是十分“空曠”的，核外帶負(fù)電的電子由于受到帶正電的原子核的吸引而繞核旋轉(zhuǎn)，所以A、B、C正確，D錯(cuò)誤。1.(陰極射線性質(zhì)的理解)關(guān)于陰極射線，下列說法正確的是()A.陰極射線就是稀薄氣體導(dǎo)電時(shí)的輝光放電現(xiàn)象B.陰極射線是在真空管內(nèi)由正極發(fā)出的電子流C.陰極射線是由德國(guó)物理學(xué)家戈德斯坦命名的D.陰極射線的比荷比質(zhì)子的比荷小〖答案〗C〖解析〗陰極射線是在真空管中由負(fù)極發(fā)出的電子流，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；最早由德國(guó)物理學(xué)家戈德斯坦在1876年提出并命名為陰極射線，故選項(xiàng)C正確；陰極射線本質(zhì)是電子流，由于電子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量小的多，故其比荷比質(zhì)子比荷大，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。2.(α粒子散射實(shí)驗(yàn))(2021·福建泉州市高二期末)在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是()A.原子中存在著帶負(fù)電的電子B.正電荷在原子中是均勻分布的C.原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個(gè)很小的核上D.原子中的質(zhì)量均勻分布在整個(gè)原子范圍內(nèi)〖答案〗C〖解析〗原子中存在著帶負(fù)電的電子，是湯姆孫發(fā)現(xiàn)的，與α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，故A錯(cuò)誤；正電荷在原子中不是均勻分布的，故B錯(cuò)誤；α粒子和電子之間有相互作用力，它們接近時(shí)就有庫(kù)侖引力作用，但由于電子的質(zhì)量只有α粒子質(zhì)量的七千分之一，α粒子與電子碰撞就像一顆子彈與一個(gè)灰塵碰撞一樣，α粒子質(zhì)量大，其運(yùn)動(dòng)方向幾乎不改變。α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)說明