高中物理选修三 题库 第四章 第3节　原子的核式结构模型

第3节原子的核式结构模型学习目标要求核心素养和关键能力1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。2.知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。3.了解α粒子散射实验原理和实验现象。4.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容。5.知道原子和原子核大小的数量级，原子核的电荷数。1.科学思维通过实验，建立原子模型。2.关键能力实验探究和模型构建能力。一、电子的发现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偏转情况断定，它的本质是带负电(选填“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的值为e＝1.6×10－19__C(保留2位有效数字)。4.电荷的量子化：任何带电体的电荷只能是e的整数倍。5.电子的质量me＝9.1×10－31kg(保留2位有效数字)，质子质量与电子质量的比值为eq\f(mp,me)＝1__836。二、原子的核式结构模型1.汤姆孙原子模型：汤姆孙于1898年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中，有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”，如图所示。2.α粒子散射实验(1)α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、显微镜等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中。(2)实验现象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；②少数α粒子发生了大角度偏转；偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”。(3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型。3.核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。三、原子核的电荷与尺度1.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电子数来排列的。2.原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。3.原子核的大小：用核半径描述核的大小。一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10－15m，而整个原子半径的数量级是10－10m，两者相差十万倍之多。【判一判】(1)α粒子带有一个单位的正电荷，质量为氢原子质量的2倍。(×)(2)α粒子散射实验证实了汤姆孙的枣糕式原子模型。(×)(3)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面运动。(√)(4)原子核的电荷数等于核中的中子数。(×)(5)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷。(√)

探究1阴极射线的性质■情境导入如图所示，接通真空管(又称阴极射线管)的电源，将条形磁铁的一个磁极靠近射线管，观察阴极射线是否偏转，向什么方向偏转；把另一个磁极靠近射线管，观察射线的偏转情况。你认为射线的偏转是什么原因造成的？你能通过射线偏转的情况来确定射线粒子流携带的是哪种电荷吗？答案运动电荷在磁场中受到洛伦兹力。根据左手定则，结合磁场方向、粒子运动方向，可以判断出射线粒子流携带的电荷是正电荷还是负电荷。■归纳拓展1.阴极射线带电性质的判断方法(1)方法一：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带电的性质。(2)方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质。2.阴极射线的本质阴极射线的本质是带负电的粒子流，汤姆孙把这种粒子命名为“电子”。3.带电粒子比荷的测定方法(1)利用磁偏转测量①让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场(如图甲)，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(qvB＝qE)，得到粒子的运动速度v＝eq\f(E,B)。甲②撤去匀强电场(如图乙)，保留匀强磁场，让带电粒子在匀强磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即qvB＝meq\f(v2,r)，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r。乙③由以上两式确定带电粒子的比荷表达式：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r)。(2)利用电偏转测量带电粒子在匀强电场中运动，沿电场方向的偏转距离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)，所以在偏转电场中，U、d、L已知时，只需测量v和y即可。4.电子电荷量的精确测定是密立根通过“油滴实验”测定的，密立根实验的重要意义是发现电荷量是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。【例1】一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线径迹下偏，如图所示。则()A.导线中的电流由A流向BB.导线中的电流由B流向AC.若要使电子束的径迹向上偏，可以通过改变AB中电流的大小来实现D.电子束的径迹与AB中电流的方向无关答案B解析在阴极射线管中射出的阴极射线是带负电的电子流，在导线AB形成的磁场中向下偏转，由左手定则可知磁场是垂直纸面向里的，根据安培定则可知导线AB中的电流是由B流向A的，选项A错误，B正确；通过改变AB中的电流方向可以改变磁场方向从而使阴极射线的受力方向向上，使电子束的径迹向上偏，选项C错误；由此可知电子束的径迹与AB中的电流方向即AB形成的磁场方向有关，选项D错误。【针对训练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C出来的阴极射线经过A、B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F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大小为B的匀强磁场(图中未画出)，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θ，试解决下列问题：(1)说明阴极射线的电性；(2)说明图中磁场沿什么方向；(3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷。答案(1)负电(2)垂直纸面向外(3)eq\f(Esinθ,B2L)解析(1)由于阴极射线在电场中向下偏转，因此阴极射线受电场力方向向下，又由于匀强电场方向向上，则电场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，而与电场力平衡，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q，质量为m，当射线在D、G间做匀速直线运动时，有qE＝qvB。当射线在D、G间的磁场中偏转时，如图所示，有qvB＝eq\f(mv2,r)。同时又有L＝rsinθ，解得eq\f(q,m)＝eq\f(Esinθ,B2L)。探究2α粒子散射实验■情境导入如图所示为1909年英国物理学家卢瑟福及盖革进行α粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：(1)实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？(2)少数α粒子发生大角度散射的原因是什么？答案(1)①α粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子。②带荧光屏的放大镜：观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光。实验过程：α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α粒子有库仑力的作用，一些α粒子会改变原来的运动方向。带有放大镜的荧光屏可以沿题图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目。(2)α粒子带正电，α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射。■归纳拓展1.汤姆孙的原子模型不能解释α粒子散射实验的现象(1)α粒子在穿过原子之间时，所受周围的正、负电荷作用的库仑力是平衡的，α粒子不会发生偏转。(2)α粒子正对着电子射来，质量远小于α粒子的电子不可能使α粒子发生明显偏转，更不可能使它反弹。2.对α粒子散射实验现象的解释(1)当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小，因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转。(2)只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，偏转角才很大，而这种机会很少。(3)如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少。【例2】如图是卢瑟福的α粒子散射实验装置示意图，在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋，它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上，最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是()A.该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据B.该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性C.α粒子与原子中的电子碰撞会发生大角度偏转D.大多数的α粒子发生大角度偏转答案A解析α粒子散射实验的内容是：绝大多数α粒子几乎不发生偏转；少数α粒子发生了较大的角度偏转；极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°，有的甚至几乎达到180°，被反弹回来)，该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据，A正确；通过α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子核式结构模型的假设，从而否定了汤姆孙原子模型的正确性，B错误；发生α粒子偏转现象，主要是由于α粒子和原子核发生碰撞的结果，C错误；绝大多数α粒子几乎不发生偏转；少数α粒子发生了较大的角度偏转，D错误。【针对训练2】(2021·安徽黄山市高二期末)关于α粒子散射实验的下列说法中正确的是()A.在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过90°，有的甚至被弹回接近180°B.使α粒子发生明显偏转的力是来自带负电的核外电子C．实验表明原子中心有一个核，它占有原子体积的绝大部分D.实验表明原子中心的核带有原子的全部正电荷及全部质量答案A解析α粒子散射实验的内容是：绝大多数α粒子几乎不发生偏转；少数α粒子发生了较大的偏转；极少数α粒子发生了大角度的偏转，甚至有些接近180°，故A正确；使α粒子发生明显偏转的原因是受到原子核的斥力比较大，故B错误；α粒子散射实验表明原子的正中心有一个极小的核(原子核)，它占有原子体积的极小部分，故C错误；α粒子散射实验表明原子中心的原子核带有原子的全部正电荷及几乎全部的质量，故D错误。探究3原子的核式结构模型【例3】(2021·天津静海一中月考)卢瑟福的原子核式结构学说可以解决的问题是()A.结合经典电磁理论，解释原子的稳定性B.用α粒子散射的实验数据估算原子核的大小C.卢瑟福通过α粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子D.卢瑟福通过α粒子散射实验证明了原子核是由质子和中子组成的答案B解析卢瑟福的模型在经典电磁理论下完全是不稳定的，电子绕核运转会辐射电磁波损失能量，A错误；影响α粒子运动的主要是带正电的原子核，而绝大多数的α粒子穿过原子时离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎没有改变，只有极少数α粒子可能与核十分接近，受到较大的库仑斥力，才会发生大角度的偏转，根据α粒子散射实验，可以估算出原子核的半径的数量级为10－15m，B正确；α粒子散射实验不能证实在原子核内部存在质子，也不能证实原子核由质子与中子组成，C、D错误。【针对训练3】根据卢瑟福的原子的核式结构理论，下列对原子结构的认识错误的是()A．原子中绝大部分是空的，原子核很小B．电子在核外运动，库仑力提供向心力C．原子的全部正电荷都集中在原子核里D．原子核的直径大约为10－10m答案D解析卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了汤姆孙的原子模型，提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核半径的数量级为10－15m，原子半径的数量级为10－10m，原子半径是原子核半径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以A、B、C正确，D错误。1.(阴极射线性质的理解)关于阴极射线，下列说法正确的是()A.阴极射线就是稀薄气体导电时的辉光放电现象B.阴极射线是在真空管内由正极发出的电子流C.阴极射线是由德国物理学家戈德斯坦命名的D.阴极射线的比荷比质子的比荷小答案C解析阴极射线是在真空管中由负极发出的电子流，故选项A、B错误；最早由德国物理学家戈德斯坦在1876年提出并命名为阴极射线，故选项C正确；阴极射线本质是电子流，由于电子的质量比质子的质量小的多，故其比荷比质子比荷大，故选项D错误。2.(α粒子散射实验)(2021·福建泉州市高二期末)在卢瑟福α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是()A.原子中存在着带负电的电子B.正电荷在原子中是均匀分布的C.原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上D.原子中的质量均匀分布在整个原子范围内答案C解析原子中存在着带负电的电子，是汤姆孙发现的，与α粒子发生大角度偏转无关，故A错误；正电荷在原子中不是均匀分布的，故B错误；α粒子和电子之间有相互作用力，它们接近时就有库仑引力作用，但由于电子的质量只有α粒子质量的七千分之一，α粒子与电子碰撞就像一颗子弹与一个灰尘碰撞一样，α粒子质量大，其运动方向几乎不改变。α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转说明三点：一是原子内有一质量很大的粒子存在；二是这一粒子带有较大的正电荷；三是这一粒子的体积很小，故C正确，D错误。3.(原子核式结构模型)(2021·防城港市防城中学高二月考)卢瑟福提出原子核式结构学说的根据是在用α粒子轰击金箔的实验中，发现α粒子()A.全部穿过或发生很小的偏转B.全部发生很大的偏转C.绝大多数发生偏转，甚至被弹回D.绝大多数穿过不发生偏转，只有少数发生很大偏转，甚至极少数被弹回答案D解析卢瑟福提出原子核式结构学说的根据是在用α粒子轰击金箔的实验中，发现α粒子绝大多数穿过不发生偏转，只有少数发生很大偏转，有的偏转超过90°，甚至极少数被弹回。故选项D正确。课时定时训练(限时20分钟)1.用α粒子轰击金箔实验，α粒子发生散射，实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过90°，有的甚至被弹回。下列说法正确的是()A.使α粒子发生明显偏转的力是来自带正电的金原子核及核外电子，当α粒子接近金原子核时是核的排斥力使α粒子发生明显偏转；当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转B.实验表明原子中的正电荷均匀分布在原子内C.实验表明原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分D.实验证明汤姆孙提出的原子“枣糕模型”是正确的答案C解析造成α粒子散射角度大的原因是α粒子受到的原子核的斥力比较大，而不是电子的吸引力，故A错误；绝大多数α粒子几乎不发生偏转，少数α粒子发生了较大的角度偏转，表明原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分，且原子的正电荷和几乎的全部质量都集中在这个原子核上，而不是均匀分布在原子内，故C正确，B错误；实验证明汤姆孙提出的原子“枣糕模型”是错误的，选项D错误。2.(2021·贵州思南中学高二期末)α粒子散射实验中，当α粒子距原子核最近时，其()A.动能最小B.电势能最小C.所受原子核的斥力最小D.与金原子组成的系统的能量最小答案A解析当α粒子靠近原子核过程中，电场力做负功，电势能增大，动能减小，故α粒子距原子核最近时动能最小，电势能最大，斥力最大，系统能量不变，故A正确，B、C、D错误。3．(2021·山东日照市高二期中)在卢瑟福进行的α粒子散射实验中，观察到的实验现象是()A．绝大多数α粒子穿过金箔后发生了大角度的偏转B．有少数α粒子发生了大角度的偏转C．原子的中心有一个很小的核D．比较多的α粒子几乎都被撞了回来答案B解析在卢瑟福进行的α粒子散射实验中，观察到的实验现象是：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，有少数α粒子发生了偏转，有极少数的偏转超过90°，甚至有的被反向弹回，则选项B正确，A、C、D错误。4.(2021·广东仲元中学月考)关于卢瑟福的α粒子散射实验，下列说法正确的是()A.大多数α粒子发生大角度偏转B.α粒子发生偏转的原因是与电子发生碰撞C.穿过金箔过程中，远离金原子核的α粒子电势能减小D.α粒子散射实验证明了汤姆孙关于原子的结构模型是正确的答案C解析根据实验观察到的现象，极少数α粒子发生大角度偏转，故选项A错误；α粒子发生偏转的原因是原子核对它有斥力的作用，故选项B错误；远离金原子核的α粒子受到库仑力，库仑力做正功，它的电势能减小，故选项C正确；散射实验证明汤姆孙的原子结构模型(枣糕模型)是错误的，如果按照“枣糕模型”，不可能出现α粒子散射实验的结果，故D错误。5.(2021·广西梧州市月考)下列关于卢瑟福α粒子散射实验的描述，正确的是()A.实验中只有少数α粒子穿过金箔后发生很小角度的偏转B.该实验证明了原子核是由质子和中子组成的C.该实验证明了原子的全部正电荷都集中在一个很小的核里D.该实验证明了原