新教材適用2024-2025學(xué)年高中物理第4章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性3.原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)案新人教版選擇性必修第三冊(cè)

3.原子的核式結(jié)構(gòu)模型課程標(biāo)準(zhǔn)1．領(lǐng)悟電子的發(fā)覺(jué)對(duì)揭示原子結(jié)構(gòu)的重大意義。2．了解α粒子散射試驗(yàn)原理和試驗(yàn)現(xiàn)象，知道原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容。3．了解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，知道原子核大小的數(shù)量級(jí)。4．相識(shí)原子核式結(jié)構(gòu)模型建立的科學(xué)推理與論證過(guò)程。素養(yǎng)目標(biāo)1．知道陰極射線的組成，體會(huì)電子發(fā)覺(jué)過(guò)程中所蘊(yùn)含的科學(xué)方法，知道電荷是量子化的。2．了解α粒子散射試驗(yàn)現(xiàn)象以及盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容。3．知道原子和原子核大小的數(shù)量級(jí)，知道原子核的電荷數(shù)。學(xué)問(wèn)點(diǎn)1電子的發(fā)覺(jué)1．陰極射線熒光是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的，這種射線命名為_(kāi)陰極射線__。2．湯姆孫的探究方法及結(jié)論(1)依據(jù)陰極射線在_電場(chǎng)__和_磁場(chǎng)__中的偏轉(zhuǎn)狀況斷定，它的本質(zhì)是帶_負(fù)__電的粒子流，并求出了這種粒子的比荷。(2)換用_不同材料__的陰極做試驗(yàn)，所得比荷的數(shù)值都_相同__，是氫離子比荷的近兩千倍。(3)結(jié)論：陰極射線粒子帶負(fù)電，其電荷量的大小與氫離子_大致相同__，而質(zhì)量比氫離子_小得多__，后來(lái)組成陰極射線的粒子被稱(chēng)為_(kāi)電子__。3．湯姆孫的進(jìn)一步探討湯姆孫又進(jìn)一步探討了很多新現(xiàn)象，證明白_電子__是原子的組成部分。4．電子的電荷量及電荷量子化(1)電子電荷量：1910年前后由_密立根__通過(guò)聞名的_油滴試驗(yàn)__得出，電子電荷量的公認(rèn)值為e＝1.602×10－19C。(2)電荷是量子化的，即任何帶電體的電荷只能是_e的整數(shù)倍__。(3)電子的質(zhì)量：me＝9.10938356×10－31kg，質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量的比eq\f(mp,me)＝_1_836__。說(shuō)明：陰極射線實(shí)質(zhì)是高速電子流?！号幸慌小?1)陰極射線本質(zhì)是電磁波。(×)『想一想』描述湯姆孫證明陰極射線是電子的思路。答案：(1)通過(guò)陰極射線在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)證明它是帶負(fù)電的粒子流。(2)通過(guò)奇妙試驗(yàn)，利用電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡，確定了陰極射線的速度，并測(cè)出粒子的比荷。(3)變更陰極材料時(shí)，測(cè)得的比荷相同，這表明這種粒子是多種物質(zhì)的共同成分。(4)依據(jù)陰極射線粒子的比荷與氫離子比荷的關(guān)系，證明陰極射線是質(zhì)量遠(yuǎn)小于氫離子的粒子——電子。學(xué)問(wèn)點(diǎn)2原子的核式結(jié)構(gòu)模型1．α粒子散射試驗(yàn)(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__充溢性地勻稱(chēng)分布在整個(gè)球體內(nèi)，_電子__鑲嵌在球中。(2)α粒子散射試驗(yàn)①試驗(yàn)裝置：α粒子源、_金箔__、放大鏡和_熒光屏__。②試驗(yàn)現(xiàn)象：a．絕大多數(shù)的α粒子穿過(guò)金箔后_仍沿原來(lái)__的方向前進(jìn)。b．少數(shù)α粒子發(fā)生了_大角度__的偏轉(zhuǎn)。c．極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角_大于90°__，甚至有極個(gè)別α粒子被反彈回來(lái)。③試驗(yàn)意義：盧瑟福通過(guò)α粒子散射試驗(yàn)，否定了湯姆孫的原子模型，建立了_核式結(jié)構(gòu)__模型。2．盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型核式結(jié)構(gòu)模型1911年由盧瑟福提出，在原子中心有一個(gè)很小的核，叫_原子核__。它集中了原子全部的_正電荷__和幾乎全部的_質(zhì)量__，_電子__在核外空間運(yùn)動(dòng)?！号幸慌小?2)湯姆孫的棗糕式模型認(rèn)為原子是一個(gè)球體，正電荷充溢性地勻稱(chēng)分布在整個(gè)球體內(nèi)。(√)(3)α粒子散射試驗(yàn)中絕大多數(shù)α粒子都發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)。(×)(4)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)。(√)『選一選』(2024·吉林省試驗(yàn)中學(xué)高二月考)在盧瑟福α粒子散射試驗(yàn)中，金箔中的原子核可以看作靜止不動(dòng)，下列各圖畫(huà)出的是其中兩個(gè)α粒子經(jīng)驗(yàn)金箔散射過(guò)程的徑跡，其中正確的是(C)解析：依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)的現(xiàn)象可知，選C。學(xué)問(wèn)點(diǎn)3原子核的電荷與尺度原子核的電荷數(shù)等于核外_電子__數(shù)等于原子序數(shù)，原子核大小的數(shù)量級(jí)為_(kāi)10－15___m，原子大小數(shù)量級(jí)為_(kāi)10－10___m，兩者相差十萬(wàn)倍之多，可見(jiàn)原子內(nèi)部特別“空曠”。若原子相當(dāng)于一個(gè)立體的足球場(chǎng)的話，則原子核就像足球場(chǎng)中的一粒米?！号幸慌小?5)原子核的電荷數(shù)等于核中的中子數(shù)。(×)(6)對(duì)于一般的原子，由于原子核很小，所以內(nèi)部特別空曠。(√)探究電子的發(fā)覺(jué)要點(diǎn)提煉對(duì)陰極射線管裝置及其射線的理解(1)裝置現(xiàn)象真空玻璃管兩極加上高電壓→玻璃管壁上發(fā)出熒光。(2)德國(guó)物理學(xué)家戈德斯坦將陰極發(fā)出的射線命名為陰極射線。(3)猜想①陰極射線是一種電磁輻射。②陰極射線是帶電微粒。(4)英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫讓陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，得知射線帶負(fù)電并測(cè)出了其比荷。(5)密立根通過(guò)“油滴試驗(yàn)”精確測(cè)定了電子的電荷量和電子的質(zhì)量。(6)電子發(fā)覺(jué)的意義電子是人類(lèi)發(fā)覺(jué)的第一個(gè)比原子小的粒子。電子的發(fā)覺(jué)打破了原子不行再分的傳統(tǒng)觀念，使人們相識(shí)到原子不是組成物質(zhì)的最小微粒，原子本身也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這是人類(lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)相識(shí)的一次飛躍，開(kāi)創(chuàng)了探究原子結(jié)構(gòu)奇妙的新時(shí)代。湯姆孫也由于發(fā)覺(jué)了電子，不僅榮獲了1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而且被后人譽(yù)為“最先打開(kāi)通向基本粒子物理學(xué)大門(mén)的偉人”。典例剖析典例1如圖所示，是對(duì)光電管產(chǎn)生的光電子進(jìn)行比荷測(cè)定的原理圖。兩塊平行金屬板間距為d，其中N為鋅板，受紫外光照耀后將激發(fā)出沿不同方向運(yùn)動(dòng)的光電子，開(kāi)關(guān)S閉合，電流表A有讀數(shù)，若調(diào)整變阻器R，漸漸增大極板間的電壓，A表讀數(shù)漸漸減小，當(dāng)電壓表示數(shù)為U時(shí)，A表讀數(shù)恰好為零；斷開(kāi)S，在MN間加上垂直紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)，A表讀數(shù)也恰好為零。求光電子的比荷eq\f(e,m)的表達(dá)式。解題指導(dǎo)：(1)當(dāng)電壓表示數(shù)為U時(shí)，電流恰好為零，所以光電子的最大初動(dòng)能為Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eU；(2)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)，電流恰好為零，所以當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)，具有最大初動(dòng)能的電子做圓周運(yùn)動(dòng)的直徑剛好為兩塊平行板的間距d。解析：由題意得eU＝eq\f(1,2)mv2①evB＝meq\f(v2,R)②R＝eq\f(d,2)③由①②③得eq\f(e,m)＝eq\f(8U,B2d2)。答案：eq\f(8U,B2d2)對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?(2024·北京大興區(qū)高二上期末)如圖是電子射線管的示意圖。接通電源后，電子射線由陰極沿x軸方向射出，在熒光屏上會(huì)看到一條亮線。要使熒光屏上的亮線向下(z軸負(fù)方向)偏轉(zhuǎn)，在下列措施中可采納的是(B)A．加一磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向沿z軸負(fù)方向B．加一磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向沿y軸正方向C．加一電場(chǎng)，電場(chǎng)方向沿z軸負(fù)方向D．加一電場(chǎng)，電場(chǎng)方向沿y軸正方向解析：若加一沿z軸負(fù)方向的磁場(chǎng)，依據(jù)左手定則，洛倫茲力方向沿y軸負(fù)方向，亮線在z軸方向不偏轉(zhuǎn)，不符合題意，故A錯(cuò)誤；若加一沿y軸正方向的磁場(chǎng)，依據(jù)左手定則，洛倫茲力方向沿z軸負(fù)方向，亮線向下偏轉(zhuǎn)，符合題意，故B正確；若加一沿z軸負(fù)方向的電場(chǎng)，電子帶負(fù)電，電場(chǎng)力方向沿z軸正方向，亮線向上偏轉(zhuǎn)，不符合題意，故C錯(cuò)誤；若加一沿y軸正方向的電場(chǎng)，電子帶負(fù)電，電場(chǎng)力方向沿y軸負(fù)方向，亮線在z軸方向不偏轉(zhuǎn)，不符合題意，故D錯(cuò)誤。探究對(duì)α粒子散射試驗(yàn)的理解要點(diǎn)提煉關(guān)于α粒子散射試驗(yàn)的相關(guān)問(wèn)題(1)α粒子的實(shí)質(zhì)：α粒子(eq\o\al(4,2)He)是從放射性物質(zhì)中放射出來(lái)的快速運(yùn)動(dòng)的粒子，實(shí)質(zhì)是氦原子核，帶有兩個(gè)單位的正電荷，質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的4倍、電子質(zhì)量的7300倍。(2)試驗(yàn)裝置。①α粒子源：釙放在帶小孔的鉛盒中，放射出高能α粒子，帶兩個(gè)單位的正電荷，質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的4倍。②金箔：特點(diǎn)是金原子的質(zhì)量大，且易延展成很薄的箔。③放大鏡：能繞金箔在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。④熒光屏：熒光屏裝在放大鏡上。⑤整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程在真空中進(jìn)行。金箔很薄，α粒子穿過(guò)原子時(shí)受到各方向電荷斥力基本平衡，對(duì)α粒子運(yùn)動(dòng)影響不會(huì)很大，α粒子很簡(jiǎn)單穿過(guò)。(3)試驗(yàn)過(guò)程：α粒子經(jīng)過(guò)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)變更原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向。帶有放大鏡的熒光屏可以沿圖中虛線轉(zhuǎn)動(dòng)，以統(tǒng)計(jì)向不同方向散射的α粒子的數(shù)目。(4)α粒子散射試驗(yàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象：絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后，基本上仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°。典例剖析典例2在α粒子散射試驗(yàn)中，不考慮電子和α粒子碰撞的影響，這是因?yàn)?C)A．α粒子和電子根本無(wú)相互作用B．電子是勻稱(chēng)分布的，α粒子受電子作用的合力為零C．α粒子在和電子碰撞過(guò)程中動(dòng)量的變更量微小，可忽視不計(jì)D．電子體積很小，α粒子碰撞不到電子解析：α粒子與電子之間存在著相互作用力，這個(gè)作用力是庫(kù)侖引力，但由于電子質(zhì)量很小，只有α粒子質(zhì)量的eq\f(1,7300)，碰撞時(shí)電子對(duì)α粒子的運(yùn)動(dòng)影響微小，可以忽視不計(jì)，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?(2024·河北張家口宣化一中高二下月考)通過(guò)如圖的試驗(yàn)裝置，盧瑟福建立了原子核式結(jié)構(gòu)模型。試驗(yàn)時(shí)，若將熒光屏和顯微鏡分別放在位置1、2、3，則能視察到粒子數(shù)量最多的是位置(C)A．1 B．2C．3 D．一樣多解析：依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，大多數(shù)粒子能按原來(lái)方向前進(jìn)，少數(shù)粒子方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)超過(guò)90°，甚至有的被反向彈回。所以在相等時(shí)間內(nèi)3處閃耀次數(shù)最多，其次是2、1兩處，并且數(shù)據(jù)相差比較大，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。故選C。探究原子的核式結(jié)構(gòu)模型與原子核的組成要點(diǎn)提煉1．原子的核式結(jié)構(gòu)與原子的棗糕模型的對(duì)比核式結(jié)構(gòu)棗糕模型原子內(nèi)部是特別空曠的，正電荷集中在一個(gè)很小的核里原子是充溢了正電荷的球體電子繞核高速旋轉(zhuǎn)電子勻稱(chēng)嵌在原子球體內(nèi)2．原子內(nèi)的電荷關(guān)系原子核的電荷數(shù)與核外的電子數(shù)相等，等于原子序數(shù)。3．原子核的組成原子核由質(zhì)子和中子組成，原子核的電荷數(shù)等于原子核的質(zhì)子數(shù)。4．原子核的大小原子的直徑數(shù)量級(jí)為10－10m，原子核直徑的數(shù)量級(jí)為10－15m，原子核的直徑只相當(dāng)于原子直徑的十萬(wàn)分之一，體積只相當(dāng)于原子體積的10－15。典例剖析典例3(多選)關(guān)于盧瑟福的原子的核式結(jié)構(gòu)模型，下列說(shuō)法正確的是(AB)A．原子中絕大部分是“空”的，原子核很小B．電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)的向心力是原子核對(duì)它的庫(kù)侖力C．原子的全部電荷和質(zhì)量都集中在原子核里D．原子核的直徑的數(shù)量級(jí)是10－10m解題指導(dǎo)：正確理解盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型是解題關(guān)鍵。解析：因?yàn)樵拥娜空姾珊蛶缀跞抠|(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，而原子核又很小，所以原子內(nèi)絕大部分區(qū)域是“空”的，A正確，C錯(cuò)誤；電子繞原子核的圓周運(yùn)動(dòng)是原子核與電子間的庫(kù)侖引力供應(yīng)向心力，B正確；原子核直徑的數(shù)量級(jí)是10－15m，原子直徑的數(shù)量級(jí)是10－10m，D錯(cuò)誤。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練?(多選)(2024·陜西咸陽(yáng)武功高二下期中)關(guān)于盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)的內(nèi)容，下列敘述正確的是(BD)A．原子是一個(gè)質(zhì)量分布勻稱(chēng)的球體B．原子的質(zhì)量幾乎全部集中在原子核內(nèi)C．原子正電荷和負(fù)電荷全部集中在一個(gè)很小的核內(nèi)D．原子核半徑的數(shù)量級(jí)是10－15m解析：原子的質(zhì)量幾乎全部集中在原子核內(nèi)，所以A錯(cuò)誤，B正確；原子的正電荷全部集中在一個(gè)很小的核內(nèi)，負(fù)電荷繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，所以C錯(cuò)誤；原子核半徑的數(shù)量級(jí)是10－15m，所以D正確。α粒子散射過(guò)程中的受力及能量轉(zhuǎn)化狀況1．α粒子的受力狀況α粒子與原子核間的作用力是庫(kù)侖斥力F＝eq\f(kQq,r2)。α粒子離原子核越近，庫(kù)侖力越大，運(yùn)動(dòng)加速度越大；反之，則越小。方向：α粒子的受力沿原子核與α粒子的連線，由原子核指向α粒子。2．庫(kù)侖力對(duì)α粒子的做功狀況(1)當(dāng)α粒子靠近原子核時(shí)，庫(kù)侖力做負(fù)功，電勢(shì)能增加。(2)當(dāng)α粒子遠(yuǎn)離原子核時(shí)，庫(kù)侖力做正功，電勢(shì)能減小。3．α粒子的能量轉(zhuǎn)化狀況僅有庫(kù)侖力做功，能量只在電勢(shì)能和動(dòng)能之間相互轉(zhuǎn)化，而總能量保持不變。案例在α粒子散射試驗(yàn)中，依據(jù)α粒子與原子核發(fā)生對(duì)心碰撞時(shí)能達(dá)到的最小距離可以估算原子核的大小，現(xiàn)有一個(gè)α粒子以2.0×107m/s的速度去轟擊金箔，金原子的核電荷數(shù)為79。求α粒子與金原子核間的最近距離(已知帶電粒子在點(diǎn)電荷電場(chǎng)中的電勢(shì)能表達(dá)式為Ep＝keq\f(q1q2,r)，α粒子質(zhì)量為6.64×10－27kg)。解析：當(dāng)α粒子靠近原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于金原子核質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于α粒子質(zhì)量可以認(rèn)為金原子核不受碰撞的影響。α粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能，達(dá)到最近距離時(shí)，動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能。設(shè)α粒子與原子核發(fā)生對(duì)心碰撞時(shí)所能達(dá)到的最小距離為d，則eq\f(1,2)mv2＝keq\f(q1q2,d)，d＝eq\f(2kq1q2,mv2)＝eq\f(2×9.0×109×2×79×(1.6×10－19)2,6.64×10－27×(2.0×107)2)m，≈2.7×10－14m。答案：2.7×10－14m一、電子的發(fā)覺(jué)1．關(guān)于陰極射線，下列說(shuō)法正確的是(D)A．陰極射線是由陰極發(fā)出的粒子撞擊玻璃管壁產(chǎn)生的B．只要陰、陽(yáng)兩極間加有電壓，就會(huì)有陰極射線產(chǎn)生C．陰極射線可以穿透薄鋁片，這說(shuō)明它是電磁波D．陰、陽(yáng)兩極間加有高壓時(shí)，電場(chǎng)很強(qiáng)，陰極中的電子受到很強(qiáng)的庫(kù)侖力作用而脫離陰極解析：陰極射線是由陰極干脆發(fā)出的，A錯(cuò)誤；只有當(dāng)兩極間加有高壓且陰極接電源負(fù)極時(shí)，陰極中的電子才會(huì)受到足夠大的庫(kù)侖力作用而脫離陰極成為陰極射線，B錯(cuò)誤，D正確；陰極射線可以穿透薄鋁片，可能是電磁波，也可能是微小的粒子，C錯(cuò)誤。2．(多選)(2024·遼寧阜新期末)如圖所示，一只陰極射線管左側(cè)不斷有電子射出，若在管的正下方平行放置一通電直導(dǎo)線AB，發(fā)覺(jué)射線徑跡向下偏，則(BC)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．若要使射線的徑跡往上偏，可以通過(guò)變更AB中的電流方一直實(shí)現(xiàn)D．射線的徑跡與AB中的電流方向無(wú)關(guān)解析：AB中通有的電流在陰極射線管中產(chǎn)生磁場(chǎng)，電子受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由左手定則可知，陰極射線管中的磁場(chǎng)方向垂直紙面對(duì)里，所以依據(jù)安培定則可知，AB中的電流方向應(yīng)為從B流向A。當(dāng)AB中的電流方向變?yōu)閺腁流向B時(shí)，AB上方的磁場(chǎng)方向變?yōu)榇怪奔埫鎸?duì)外，電子所受的洛倫茲力方向變?yōu)橄蛏?，射線的徑跡變?yōu)橄蛏掀D(zhuǎn)。故選BC。3．(2024·安徽銅陵一中高二下學(xué)期期中)下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(D)A．電子是原子的組成部分B．電子電荷的精確測(cè)定最早是由密立根通過(guò)聞名的“油滴試驗(yàn)”實(shí)現(xiàn)的C．電子電荷的數(shù)值約為1.602×10－19CD．電子質(zhì)量與電荷量的比值稱(chēng)為電子的比荷解析：電子是原子的組成部分，電子的發(fā)覺(jué)說(shuō)明原子是可以再分的，選項(xiàng)A正確；電子電荷的精確測(cè)定是由密立根通過(guò)聞名的“油滴試驗(yàn)”做出的，其測(cè)得電子電荷的值約為1.602×10－19C，選項(xiàng)B、C正確；電子的電荷量與質(zhì)量的比值稱(chēng)為電子的比荷，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型4．關(guān)于盧瑟福的α粒子散射試驗(yàn)，下列說(shuō)法正確的是(C)A．大多數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)B．α粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的緣由是與電子發(fā)生碰撞C．穿過(guò)金箔的過(guò)程中，遠(yuǎn)離金原子