原子的核式结构模型-2023学年高二物理讲义（人教版选择性）

第四章原子结构和波粒二象性

第3节原子的核式结构模型

【核心素养目标】

物理观念知道阴极射线的组成，体会电子发现过程中所蕴含的科学方

法，知道电荷是量子化的.

科学思维了解a粒子散射实验现象以及卢瑟福原子核式结构模型的主要

内容.

科学探究知道原子和原子核大小的数量级，知道原子核的电荷数.

通过原子的核式结构模型知识应用的实例，感受物理中科学

科学态度与责任技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步

增强学生的学习动力和科学意识。

知识点一电子的发现

【情境导入】

如图所示为汤姆孙的气体放电管.

(1)在金属板Di、D2之间加上如图所小的电场时，发现阴极射线向卜偏转，说明它带什么性侦的电

荷？

(2)在金属板Di、D2之间单独加哪个方向的磁场，可以让阴极射线向上偏转？

答案(1)阴极射线向下偏转，与电场线方向相反，说明阴极射线带负电.

(2)由左手定则可得，在金属板Di、D2之间单独加垂直纸面向外的磁场，可以让阴极射线向上偏转.

【知识梳理】

1.阴极射线：阴极发出的一种射线.它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光.

2.汤姆孙的探究

根据阴极射线在电场和磁场中的钮情况断定，阴极射线的本质是带鱼电(填“正电”或“负电”)

的粒子流，并求出了这种粒子的比荷.组成阴极射线的粒子被称为电子.

3.密立根实验：电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的.目前公认的电子

电荷e的值为e=1.6X10%(保留两位有效数字).

4.电荷的量子化：任何带电体的电荷只能是2的整数倍.

5.电子的质量/丝1吐kg(保留两位有效数字)，质子质量与电子质量的比值为譬

【重难诠释】

I.对阴极射线的认识

(1)对阴极射线本质的认识——两种观点

①电磁波说，代表人物——赫兹，他认为这种射线是一种电磁辐射.

②粒子说，代表人物——汤姆孙，他认为这种射线是一种带电粒子流.

(2)阴极射线带电性质的判断方法

①方法■：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点位置的变化和电场的情况确定

阴极射线的带电性质.

②方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据荧光屏上亮点位置的变化和左手定则确定阴极射线

的带电性质.

(3)实验结果

根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况，判断出阴极射线是粒子流，并且带负电.

2.带电粒子比荷的测定

(1)比带电粒子通过相.互垂直的匀强电场和匀强磁场，如图所示，使其做匀速直线运动，根据二力平

F

衡，即”洛=/电(Bg=qE),得到粒子的运动速度。=与

⑵撤去电场，如图所示，保留磁场，让粒子在匀强磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv=

〃”，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径厂

xB

(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：*盖

3.电子发现的意义

(1)电子发现以前人们认为物质由分子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒.

(2)现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子是原子的组成部分.

(3)电子带负电，而原子是电中性的，说明原子是可再分的.

【典例精析】

例1.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(2出来的阴极射

线经过A、6间的电场加速后，水平射入长度为L的D、G平行板间，接着在荧光屏尸中心出现光

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为B的匀强磁场(图中未画出)，荧光斑恰好回到荧

光屏中心，接着再去掉电场，阴极射线向上偏转，偏转角为0,试解决下列问题：

(I)说明阴极射线的电性；

(2)说明磁场沿什么方向：

(3)根据£、E、B和以求出阴极射线的比荷.

【答案】(1)负电(2)垂直纸面向外(3)镌^

【解析】

(1)由于阴极射线在电场中向下偏转，因此阴极射线受到的静电力方向向下，又由于句强电场方向

向上，静电力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电.

(2)由于所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力，而与静电力平衡，由左手定则得磁场的方向垂直

纸面向外.

(3)设此射线带电荷量为小质量为粗，当射线在D、G间做匀速直线运动时，有qE=B皎当射线在

D、G间的磁场中偏转时，如图所示，有88="二同时又有L=rsin仇解得且=空乎.

1rHln^L

【规律方法】

带电粒子的比荷常见的三种测量方法

1.利用磁偏转测比荷：由平出="方得*=京，只需知道磁感应强度B、带电粒子的初速度u，和偏转

半径R即可.

2.利用电偏转测比荷：偏移量)噜俳，故彩，所以在偏转电场电压U、d、L已知

时，只需测量。和y即可.

3.利用加速电场测比荷：由动能定理9〃=多〃。2得言=务，在加速电场电压U已知时，只需测出o

即可.

知识点二原子的核式结构模型

【情境导入】

如图所示为1909年英国物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行a粒子散射实验的实验装

置，阅读课本，回答以下问题：

(I)什么是a粒子？

(2)实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？

(3)实验现象如何？

(4)少数a粒子发生大角度散射的原因是什么？

答案(l)a粒子6He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氢原子

核.质量是电子质量的7300名.

(2)①a粒子源：把放射性元素针放在带小孔的铅盒中，放射中高能的a粒子.

②带荧光屏的显微镜：观察a粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光.

实验过程：a粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对

a粒子有库仑力的作用，一些a粒子会改变原来的运动方向.带有荧光屏的显微镜可以沿题图中虚

线转动，以统计向不同方向散射的a粒子的数目.

D.通过a粒子散射实验还可以估计原子核半径的数量级是IO」。m

【答案】C

【解析】

当a粒子穿过金箔时，电子对a粒子影响很小，影响a粒子运动的主要是原子核，离核远则a粒

子受到的库仑斥力很小，运动方向改变小.只有当a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a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a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a粒子几乎不发生偏转，可以推测使a

粒子受到排斥力的原子核体积极小，实脸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；a粒子散射实验可以估算出原子核半径的数量级是l（）r5m,故D错误.

知识点三原子核的电荷与尺度

【知识梳理】

I.原子核的电荷数：各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数,非常接近它们的原子序数,

这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的曳上数来排列的.

2.原子核的组成：原子核是由质壬和虹组成的，原子核的电荷数就是核中的质壬数.

3.原子核的大小：用核半径描述核的大小.一股的原子核，实验确定的核半径的数量级为①Em,

而整个原子半径的数量级是Q!m,两者相差十万倍之多.

【典例精析】

例3.（多选）对原子的认识，E确的是（）

A.原子由原子核和核外电子组成

B.原子核的质量就是原子的质量

C.原子核的电荷数就是核中的质子数

D.原子序数等于核电荷与电子电荷量大小的比值

【答案】ACD

【解析】

原子由原子核和核外电子组成，故A正确；原子核的质量与电子的质量和就是原子的质量，故B错

误；原子核的电荷数就是核中的质子数，故C正确；原子序数等于核电荷与电子电荷量大小的比值，

故D正确.

针对训练

一、单选题

1.在。粒子散射实验中，使少数。粒子产生大角度偏转的作用力是（）

A.原子核对［粒子的万有引力B.原子核对。粒子的库仑斥力

C.原子核对夕粒子的磁场力D.核外电子对。粒子的引力

【答案】R

【解析】a粒子和电子接近时，它们之间就有库仑引力作用，但由于电子的质量只有a粒子质量的

七千三百分之一，a粒子与电子碰撞就像一颗子弹与一个灰尘碰撞一样，a粒子的运动方向几乎不

改变，只能是原子核对a粒子的库仑斥力，其力较大，且原子核质品较大，是导致极少数a粒子发

生大角度偏转的原因。

故选Bo

2.卢瑟福指导他的助手进行的a粒子散射实验所用仪器的示意图如图所示。放射源发射的a粒子

打在金箔上，通过显微镜观察散射的a粒子。实验发现，绝大多数a粒子穿过金箔后，基本上仍沿

原来方向前进，但少数a粒子发生了大角度偏转，极少数的角度甚至大于90。，于是，卢瑟福大胆

猜想（）

A.原子半径的数鼠级是10-Km

B.原子核内存在质子和中子

C.原子内部有体积很小、质量很大的核

D.造成a粒子偏转的主要原因是它受到了原子中电子的作用

【答案】C

【解析】A.原子半径的数量级是通过油膜法测出来的，该实验不能确定原子半径的数量级，故A

错误；

B.卢瑟福用a粒子轰击氮核，证实了在原子核内存在质子，查德威克发现的中子，故B错误；

C.从绝大多数a粒子几乎不发生偏转，可以推测使粒子受到排斥力的核体积极小，说明原子的中

心有一个体积很小的核；从极少数a粒子发生了大角度的偏转，说明原子中心的核带有原子的全部

正电和绝大部分质量，故C正确；

D.造成a粒子偏转的主要原因是它受到了原子中心正电荷的作用，故D错误。

故选Co

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.a粒子散射实验中少数a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

【答案】D

【解析1A.汤姆孙发现电子后猜想出原子核内的正电荷是均匀分布的，选项A错误；

B.密立根通过著名的“汕滴实验”精确测定电子电荷，选项B错误；

C.卢瑟福提出的原子核式结构模型解释原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，选

项c错误；

D.a粒子散射实验中少数a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，选

项D正确。

故选Do

4.在卢瑟福的a粒子散射实验中，有少数a粒子发生了大角度偏转，其原因是（）

A.原子中的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上

B.正电荷在原子中是均匀分布的

C.原子中存在着带负电的电子

D.原子只能处于•系列不连续的能量状态中

【答案】A

【解析】在卢瑟福的a粒子散射实验中，有少数a粒子发生了大角度偏转，其原因是原子中的正电

荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上，从而使a粒子在经过时受到很强的斥力，发生大角度偏

转.

故选Ao

5.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.JJ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a粒子散射现象，后被卢瑟福核式结构模型所取代

C.通过a粒子散射实验可以估算出原子核尺度数量级为101。m

D.卢瑟福根据a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一一原

子核

【答案】B

【解析】A.阴极射线是电子流，J.J.汤姆孙测出了电子的比苛，密立根精确测定了电子电荷量，故

A错误。

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整个球内;该理论无法解释a粒子散

射现象，后被卢瑟福核式结构模型所取代，故B正确。

C.通过a粒子散射实验可以估算出原子核尺度数量级为KPm,故C错误。

D.卢瑟福根据a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一

一原子核，故D错误。

故选Bo

6.1909年，英籍物理学家卢瑟福和他的学生盖革・马斯顿•起进行了著名的“a粒子散射实验”，实

验中大量的粒子穿过金属箔前后的运动情形如图所示，下列关于该实验的描述正确的是（）

A."a粒子散射实验〃现象中观察到绝大多数粒子发生了大角度偏转

B.“a粒子散射实验〃现象能够说明原子中带正电的物质占据的空间很小

C.根据a粒子散射实验不可以估算原子核的大小

D.该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性

【答案】B

【解析】A.“a粒子散射实验”现象中观察到绝大多数粒子基本上仍沿原来的方向前进，有少数a

粒子（约占八千分之一）发生了大角度偏转，故A错误；

B.“a粒子散射实验〃现象能够说明原子中带正电的物质占据的空间很小，这样才会使a粒子在经

过时受到很强的斥力，才可能使a粒子发生大角度的偏转，故B正确；

C.原子核的半径是无法直接测量的，一般通过其他粒子与核的相互作用来确定，a粒子散射是估

计核半径的最简单的方法，故C错误；

D.该实验否定了汤姆孙原子模型的正确性，故D错误。

故选B。

7.在。粒子散射实验中，没有考虑&粒子跟电子的碰撞，其原因是（）

A.。粒子不跟电子发生相互作用

B.a粒子跟电子相碰时，损失的能量极少，可忽略

C.电子的体积很小，a粒子不会跟电子相碰

D.由于电子是均匀分布的，代粒子所受电子作用的合力为零

【答案】B

【解析】卢瑟福在分析a粒子散射实验现象时，认为电子不会对a粒子偏转产生影响，其主要原因

是电子的质量很小，电子分布不均匀，只是a粒子与电子发生的相互作用可以忽略，就算a粒子碰

到电子时，损失的能量极少，可以忽略，不会引起明显的偏转。

故选Bo

8.关于。粒子散射实验及核式结构模型，下列说法正确的是（）

A.实验装置从。粒子源到荧光屏的空间处于真空环境中

B.绝大多数。粒子穿过金箔后发生大角度偏转

C.口粒子接近金原子核时，受到很强的吸引力才可能发生大角度偏转

D.a粒子散射实验否定了原子的核式结构模型

【答案】A

【解析】A.实验装置从。粒子源到荧光屏的空间处于真空环境中，A正确；

B.绝大多数。粒子穿过金箔后不改变方向，只有极少数的。粒子偏转角超过了90。，B错误；

C.。粒子接近金原子核时，受到很强的排斥力才可能发生大角度偏转，C错误；

D.a粒子散射实验建立了原子的核式结构模型，D错误。

故选A。

9.下列说法正确的是（）

A.阴极射线是高速的质子流

B.阴极射线可以用人眼直接观察到

C.阴极射线是高速运动的电子流

D.汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在核内

【答案】C

【解析】ABC.阴极射线是高速运动的电子流，人们只有借助于它与物质相互撞击时，使一些物质

发出荧光等现象才能观察到，故A、B错误，C正确。

D.汤姆孙发现了电子，知道电子是原子的组成部分，提出了枣糕模型，故D错误。

故选Co

10.如图所示为a粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、。、D

四个位置时，关于观察到的现象，下列说法不正确的是（）

荧光屏

放射源金箔

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8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、。位置时屏上观察不到闪光

D.放在。位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少

【答案】C

【解析】A.根据a粒子散射实验的现象，绝大多数a粒子穿过金箔后，基本上沿原方向前进，因

此在A位置观察到的闪光次数最多，故A正确；

BCD.少数a粒子发生大角度，扁转，因此从4到。观察到的闪光次数会逐渐减少，故BD正确，C

错误。

本题选说法不正确的，故选C,

11.a粒子散射实验中，不考虑电子和a粒子的碰撞影响，是因为（）

A.a粒子与电子根本无相互伦用

B.因为电子是均匀分布的，粒子受电子作用的合力为零

C.a粒子和电子碰撞损失能量极少，可忽略不计

D.电子很小，粒子碰撞不到电子

【答案】C

故选Co

12.关于原子结构，下列说法正确的是（）

A.原子中的原子核很小，核外很“空旷〃B.原子核半径的数显级是1010m

C.原子的全部电荷都集中在原子核里D.原子的全部质量都集中在原子核里

【答案】A

【解析】A.原子中的原子核很小，核外很“空旷”，A正确；

B.原子核半径的数量级是lOiSm,原子半径的数量级是101Om,B错误；

CD.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核，核外电子带负电且具有•定质量，CD错

误。

故选Ao

13.。粒子散射实验中，有部分大角度偏转的。粒子，说明了（）

A.由于原子中的电子碰撞造成的B.受到金原子核库仑引力

C.原子核由质子和中子组成D.原子中有带正电的原子核

【答案】D

【解析】a粒子散射实验中，有部分大角度偏转的。粒子，说明了原子中有带正电的原子核，。粒

子受到了金原子核库仑斥力作用。

故选Do

14.在卢瑟福的。粒子散射实验中，某一粒子经过某•原子核附近时的轨迹如图中实线所示，图

中P、。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a