人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學案：4 3 原子的核式結構模型

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第3節(jié)原子的核式結構模型學習目標要求核心素養(yǎng)和關鍵能力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粒子散射實驗原理和實驗現(xiàn)象。4.知道盧瑟福的原子核式結構模型的主要內(nèi)容。5.知道原子和原子核大小的數(shù)量級，原子核的電荷數(shù)。1.科學思維通過實驗，建立原子模型。2.關鍵能力實驗探究和模型構建能力。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)陰極射線在電場和磁場中的偏轉情況斷定，它的本質是帶負電(選填“正電”或“負電”)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.密立根實驗：電子電荷的精確測定是由密立根通過著名的“油滴實驗”做出的。目前公認的電子電荷的值為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.電子的質量me＝9.1×10－31kg(保留2位有效數(shù)字)，質子質量與電子質量的比值為eq\f(mp,me)＝1__836。二、原子的核式結構模型1.湯姆孫原子模型：湯姆孫于1898年提出了原子模型，他認為原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內(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粒子散射實驗(1)α粒子散射實驗裝置由α粒子源、金箔、顯微鏡等幾部分組成，實驗時從α粒子源到熒光屏這段路程應處于真空中。(2)實驗現(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；②少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉；偏轉的角度甚至大于90°，它們幾乎被“撞了回來”。(3)實驗意義：盧瑟福通過α粒子散射實驗，否定了湯姆孫的原子模型，建立了核式結構模型。3.核式結構模型：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質量，電子在正電體的外面運動。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：原子核是由質子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)就是核中的質子數(shù)。3.原子核的大?。河煤税霃矫枋龊说拇笮?。一般的原子核，實驗確定的核半徑的數(shù)量級為10－15m，而整個原子半徑的數(shù)量級是10－10m，兩者相差十萬倍之多?！寂幸慌小?1)α粒子帶有一個單位的正電荷，質量為氫原子質量的2倍。(×)(2)α粒子散射實驗證實了湯姆孫的棗糕式原子模型。(×)(3)盧瑟福的核式結構模型認為原子中帶正電的部分體積很小，電子在正電體外面運動。(√)(4)原子核的電荷數(shù)等于核中的中子數(shù)。(×)(5)對于一般的原子，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■情境導入如圖所示，接通真空管(又稱陰極射線管)的電源，將條形磁鐵的一個磁極靠近射線管，觀察陰極射線是否偏轉，向什么方向偏轉；把另一個磁極靠近射線管，觀察射線的偏轉情況。你認為射線的偏轉是什么原因造成的？你能通過射線偏轉的情況來確定射線粒子流攜帶的是哪種電荷嗎？〖答案〗運動電荷在磁場中受到洛倫茲力。根據(jù)左手定則，結合磁場方向、粒子運動方向，可以判斷出射線粒子流攜帶的電荷是正電荷還是負電荷?！鰵w納拓展1.陰極射線帶電性質的判斷方法(1)方法一：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場，通過打在熒光屏上的亮點位置的變化和電場的情況確定帶電的性質。(2)方法二：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加一磁場，根據(jù)亮點位置的變化和左手定則確定帶電的性質。2.陰極射線的本質陰極射線的本質是帶負電的粒子流，湯姆孫把這種粒子命名為“電子”。3.帶電粒子比荷的測定方法(1)利用磁偏轉測量①讓帶電粒子通過相互垂直的勻強電場和勻強磁場(如圖甲)，讓其做勻速直線運動，根據(jù)二力平衡，即F洛＝F電(qvB＝qE)，得到粒子的運動速度v＝eq\f(E,B)。甲②撤去勻強電場(如圖乙)，保留勻強磁場，讓帶電粒子在勻強磁場中運動，由洛倫茲力提供向心力，即qvB＝meq\f(v2,r)，根據(jù)軌跡偏轉情況，由幾何知識求出其半徑r。乙③由以上兩式確定帶電粒子的比荷表達式：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r)。(2)利用電偏轉測量帶電粒子在勻強電場中運動，沿電場方向的偏轉距離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)，所以在偏轉電場中，U、d、L已知時，只需測量v和y即可。4.電子電荷量的精確測定是密立根通過“油滴實驗”測定的，密立根實驗的重要意義是發(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，左側不斷有電子射出，若在管的正下方放一通電直導線AB時，發(fā)現(xiàn)射線徑跡下偏，如圖所示。則()A.導線中的電流由A流向BB.導線中的電流由B流向AC.若要使電子束的徑跡向上偏，可以通過改變AB中電流的方向來實現(xiàn)D.電子束的徑跡與AB中電流的方向無關〖答案〗BC〖解析〗在陰極射線管中射出的陰極射線是帶負電的電子流，在導線AB形成的磁場中向下偏轉，由左手定則可知磁場是垂直紙面向里的，根據(jù)安培定則可知導線AB中的電流是由B流向A的，選項A錯誤，B正確；通過改變AB中的電流方向可以改變磁場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形成的磁場方向有關，選項D錯誤。〖針對訓練1〗在再現(xiàn)湯姆孫測陰極射線比荷的實驗中，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間的電場加速后，水平射入長度為L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、場強為E的勻強電場，陰極射線將向下偏轉；如果再利用通電線圈在D、G電場區(qū)加上一垂直紙面的磁感應強度大小為B的勻強磁場(圖中未畫出)，光斑恰好回到熒光屏中心，接著再去掉電場，陰極射線向上偏轉，偏轉角為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中向下偏轉，因此陰極射線受電場力方向向下，又由于勻強電場方向向上，則電場力的方向與電場方向相反，所以陰極射線帶負電。(2)由于所加磁場使陰極射線受到向上的洛倫茲力，而與電場力平衡，由左手定則得磁場的方向垂直紙面向外。(3)設此射線帶電荷量為q，質量為m，當射線在D、G間做勻速直線運動時，有qE＝qvB。當射線在D、G間的磁場中偏轉時，如圖所示，有qvB＝eq\f(mv2,r)。同時又有L＝rsinθ，解得eq\f(q,m)＝eq\f(Esinθ,B2L)。探究2α粒子散射實驗■情境導入如圖所示為1909年英國物理學家盧瑟福及蓋革進行α粒子散射實驗的實驗裝置，閱讀課本，回答以下問題：(1)實驗裝置中各部件的作用是什么？實驗過程是怎樣的？(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。實驗過程：α粒子經(jīng)過一條細通道，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α粒子有庫侖力的作用，一些α粒子會改變原來的運動方向。帶有放大鏡的熒光屏可以沿題圖中虛線轉動，以統(tǒng)計向不同方向散射的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α粒子散射實驗的現(xiàn)象(1)α粒子在穿過原子之間時，所受周圍的正、負電荷作用的庫侖力是平衡的，α粒子不會發(fā)生偏轉。(2)α粒子正對著電子射來，質量遠小于α粒子的電子不可能使α粒子發(fā)生明顯偏轉，更不可能使它反彈。2.對α粒子散射實驗現(xiàn)象的解釋(1)當α粒子穿過原子時，如果離核較遠，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿過“一片空地”一樣，無遮無擋，運動方向改變很小，因為原子核很小，所以絕大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉。(2)只有當α粒子十分接近原子核穿過時，才受到很大的庫侖力作用，偏轉角才很大，而這種機會很少。(3)如果α粒子正對著原子核射來，偏轉角幾乎達到180°，這種機會極少?！祭?〗(多選)如圖是盧瑟福的α粒子散射實驗裝置示意圖，在一個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。下列說法正確的是()A.該實驗是盧瑟福建立原子核式結構模型的重要依據(jù)B.該實驗證實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發(fā)生大角度偏轉D.只有少數(shù)的α粒子發(fā)生大角度偏轉〖答案〗AD〖解析〗α粒子散射實驗的內(nèi)容是：絕大多數(shù)α粒子幾乎不發(fā)生偏轉；少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的角度偏轉；極少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(偏轉角度超過90°，有的甚至幾乎達到180°，被反彈回來)，該實驗是盧瑟福建立原子核式結構模型的重要依據(jù)，A正確；通過α粒子散射實驗，盧瑟福提出了原子核式結構模型的假設，從而否定了湯姆孫原子模型的正確性，B錯誤；發(fā)生α粒子偏轉現(xiàn)象，主要是由于α粒子和原子核發(fā)生碰撞的結果，C錯誤；絕大多數(shù)α粒子幾乎不發(fā)生偏轉；少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的角度偏轉，D正確?！坚槍τ柧?〗(多選)(2021·安徽黃山市高二期末)關于α粒子散射實驗的下列說法中正確的是()A.在實驗中觀察到的現(xiàn)象是絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，仍沿原來方向前進，少數(shù)發(fā)生了較大偏轉，極少數(shù)偏轉超過90°，有的甚至被彈回接近180°B.使α粒子發(fā)生明顯偏轉的力是來自帶負電的核外電子C.實驗表明原子中心有一個極小的核，它占有原子體積的極小部分D.實驗表明原子中心的核帶有原子的全部正電荷及全部質量〖答案〗AC〖解析〗α粒子散射實驗的內(nèi)容是：絕大多數(shù)α粒子幾乎不發(fā)生偏轉；少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉；極少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度的偏轉，甚至有些接近180°，故A正確；使α粒子發(fā)生明顯偏轉的原因是受到原子核的斥力比較大，故B錯誤；α粒子散射實驗表明原子的正中心有一個極小的核(原子核)，它占有原子體積的極小部分，故C正確；α粒子散射實驗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量，故D錯誤。探究3原子的核式結構模型〖例3〗(2021·天津靜海一中月考)盧瑟福的原子核式結構學說可以解決的問題是()A.結合經(jīng)典電磁理論，解釋原子的穩(wěn)定性B.用α粒子散射的實驗數(shù)據(jù)估算原子核的大小C.盧瑟福通過α粒子散射實驗證實了在原子核內(nèi)部存在質子D.盧瑟福通過α粒子散射實驗證明了原子核是由質子和中子組成的〖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，電子繞核運轉會輻射電磁波損失能量，A錯誤；影響α粒子運動的主要是帶正電的原子核，而絕大多數(shù)的α粒子穿過原子時離核較遠，受到的庫侖斥力很小，運動方向幾乎沒有改變，只有極少數(shù)α粒子可能與核十分接近，受到較大的庫侖斥力，才會發(fā)生大角度的偏轉，根據(jù)α粒子散射實驗，可以估算出原子核的半徑的數(shù)量級為10－15m，B正確；α粒子散射實驗不能證實在原子核內(nèi)部存在質子，也不能證實原子核由質子與中子組成，C、D錯誤?！坚槍τ柧?〗(多選)根據(jù)盧瑟福的原子的核式結構理論，下列對原子結構的認識中，正確的是()A.原子中絕大部分是空的，原子核很小B.電子在核外運動，庫侖力提供向心力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粒子散射實驗的結果否定了湯姆孫的原子模型，提出了關于原子的核式結構學說，并估算出原子核半徑的數(shù)量級為10－15m，原子半徑的數(shù)量級為10－10m，原子半徑是原子核半徑的十萬倍，所以原子內(nèi)部是十分“空曠”的，核外帶負電的電子由于受到帶正電的原子核的吸引而繞核旋轉，所以A、B、C正確，D錯誤。1.(陰極射線性質的理解)關于陰極射線，下列說法正確的是()A.陰極射線就是稀薄氣體導電時的輝光放電現(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.陰極射線是由德國物理學家戈德斯坦命名的D.陰極射線的比荷比質子的比荷小〖答案〗C〖解析〗陰極射線是在真空管中由負極發(fā)出的電子流，故選項A、B錯誤；最早由德國物理學家戈德斯坦在1876年提出并命名為陰極射線，故選項C正確；陰極射線本質是電子流，由于電子的質量比質子的質量小的多，故其比荷比質子比荷大，故選項D錯誤。2.(α粒子散射實驗)(2021·福建泉州市高二期末)在盧瑟福α粒子散射實驗中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉，其原因是()A.原子中存在著帶負電的電子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量集中在一個很小的核上D.原子中的質量均勻分布在整個原子范圍內(nèi)〖答案〗C〖解析〗原子中存在著帶負電的電子，是湯姆孫發(fā)現(xiàn)的，與α粒子發(fā)生大角度偏轉無關，故A錯誤；正電荷在原子中不是均勻分布的，故B錯誤；α粒子和電子之間有相互作用力，它們接近時就有庫侖引力作用，但由于電子的質量只有α粒子質量的七千分之一，α粒子與電子碰撞就像一顆子彈與一個灰塵碰撞一樣，α粒子質量大，其運動方向幾乎不改變。α粒子散射實驗中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉說明