2019年高中物理第2章第1、2节电子的发现与汤姆孙模型原子的核式结构模型学案鲁科版 9页

电子的发现与汤姆孙模型原子的核式结构模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1.英国科学家汤姆孙发现了电子，并测出其比荷。2．α粒子散射实验结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被原路弹回。3．卢瑟福原子模型(核式结构模型)：在原子的中心有一个很小的核叫原子核，原子的所有正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕核旋转。1．物质结构的早期探究和电子的发现(1)1661年，玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论。(2)19世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单位。(3)1811年，意大利化学家阿伏伽德罗提出了分子假说，指出分子可以由多个相同的原子组成。(4)阴极射线的发现：研究稀薄气体放电时，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，这种射线称为阴极射线。(5)汤姆孙的研究：1897年，英国科学家汤姆孙设计了一个巧妙实验，实验中通过静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法，确定了阴极射线粒子的速度，测量出了射线粒子的比荷，证明阴极射线的电荷与氢离子的电荷大小基本相同，计算出阴极射线的质量是氢离子质量的。汤姆孙将这种带电粒子称为电子。n(6)汤姆孙原子模型：原子带正电的部分充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样，这就是原子的葡萄干面包模型。2．α粒子散射实验装置现象绝大多数α粒子不改变方向少数α粒子发生较大的偏转极少数α粒子偏转角超过90°，有的甚至被原路弹回原因靠近原子核的α粒子受库仑力作用使其发生了大角度偏转结论原子中存在体积很小的带正电的部分1．自主思考——判一判(1)19世纪初期形成的原子论观点认为原子是构成物质的最小颗粒是不可分的。(√)(2)电子的发现，说明原子具有一定的结构。(√)(3)α粒子散射实验主要实验器材有：放射源、金箔、荧光屏、显微镜。(√)(4)金箔的厚薄对实验无影响。(×)(5)α粒子大角度的偏转是电子造成的。(×)(6)原子内部正电荷是均匀分布的。(×)(7)原子的几乎全部质量都集中在原子核内。(√)2．合作探究——议一议(1)为什么汤姆孙要通过电场和磁场研究阴极射线？提示：当时对阴极射线本质的认识存在两种认识：一是认为是带电粒子，二是认为是以太波。而汤姆孙认为阴极射线是带电粒子，而带电粒子可受电场力和磁场力。(2)卢瑟福的原子模型是如何解释α粒子散射实验结果的？提示：α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向也改变很小。只有当α粒子十分接近核时，才受到很大的库仑斥力，发生大角度的偏转。由于核很小，α粒子十分接近的机会很小，所以绝大多数α粒子基本上仍沿原方向前进，只有极少数发生大角度偏转。n阴极射线的研究1．阴极射线(1)气体的电离和导电：通常情况下，气体是不导电的，但在强电场中，气体能够被电离而导电。(2)辉光放电现象：在研究气体放电时一般都用稀薄气体，稀薄气体导电时玻璃管中可以看到辉光放电现象，这是由于玻璃受到阴极射线的撞击而引发荧光。2．电子的发现(1)汤姆孙在研究阴极射线时的实验装置如图所示：(2)实验过程和方法：①从高压电场的阴极发出的阴极射线，穿过C1C2后沿直线打在荧光屏A′上。②当在平行极板上只加一如图所示的电场，发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏，则可判定，阴极射线带有负电荷。③为使阴极射线不发生偏转，需要在平行极板区域加一磁场，且磁场方向垂直纸面向外。当满足条件qvB＝qE时，阴极射线不发生偏转，则v＝。④使电场强度为0，带电粒子在磁场区内做圆周运动时洛伦兹力提供向心力，即qvB＝m。将v＝代入可得：＝。测量结果大约是1011C/kg。(3)实验结论：用不同材料的阴极和不同的方法做实验，所得比荷的数值是相等的。这说明，这种粒子是构成各种物质的共有成分，并由实验测得的阴极射线粒子的比荷是氢离子比荷的近两千倍。汤姆孙把新发现的这种粒子称之为电子。[例1]　在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中心出现荧光斑。若在D、G间加上方向向下、场强为E的匀强电场，阴极射线将向上偏转；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)，荧光斑恰好回到荧光屏中心；接着再去掉电场，阴极射线向下偏转，偏转角为θ。n试解决下列问题：(1)说明阴极射线的电性；(2)说明图中磁场的方向；(3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷。[思路点拨]　两板间只加电场时电子在电场力作用下做类平抛运动，同时加上电场和磁场后电场力和洛伦兹力相等，做匀速直线运动，只加磁场时做匀速圆周运动。[解析]　(1)由于阴极射线向上偏转，因此受电场力方向向上；又由于匀强电场方向向下，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下的洛伦兹力，由左手定则得磁场的方向垂直纸面向里。(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，由平衡条件得qE＝Bqv当射线在D、G间的磁场中偏转时，由洛伦兹力提供向心力得Bqv＝由几何关系得L＝rsinθ解得＝。[答案]　(1)负电　(2)垂直纸面向里　(3)(1)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时，要注意确定圆心位置，利用几何关系求出半径。(2)洛伦兹力提供向心力，列出牛顿第二定律方程求解问题。　　　　1．英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现(　　)A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同D．汤姆孙并未得出阴极射线粒子的电荷量解析：选A　汤姆孙利用其设计的阴极射线管，将不同的气体充入管内，用多种不同的n金属分别制成阴极，结果证明比荷大体相同，C错；汤姆孙和他的学生通过测量得知阴极射线粒子的电荷量与氢离子的电荷量大小基本相同，D错；阴极射线带负电，A对，B错。2.[多选]如图所示，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，发现射线径迹向下偏转，则(　　)A．导线中的电流由A流向BB．若要使电子束的径迹往上偏转，可以通过改变AB中的电流方向来实现C．电子束的径迹与AB中的电流方向无关D．若将直导线AB放在管的正上方，电流方向不变，则电子束的径迹将向上偏解析：选BD　阴极射线是高速电子流，由左手定则判断可知，磁场垂直纸面向里，由安培定则可知，导线AB中的电流由B流向A，且改变AB中的电流方向时可以使电子束的轨迹往上偏。若电流方向不变，将导线AB放在管的上方，由左手定则可以判断，电子束的轨迹将向上偏。故B、D均正确。对α粒子散射实验的理解1．α粒子的散射实验的认识(1)α粒子在穿过原子时，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。(3)熟练记忆α粒子散射实验的实验结果，重点把握几个关键词：“绝大多数”“少数”“甚至”等。(4)α粒子散射实验的现象和结果，只能推测出原子的结构，不能证明原子及原子核的组成。2．原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释(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，发生大角度偏转，而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转。(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，如图所示，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°。n[例2]　[多选]关于α粒子散射实验的下述说法中正确的是(　　)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，极少数偏转角超过90°，有的甚至被弹回B．使α粒子发生明显偏转的力是来自带负电的核外电子；当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转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．实验表明原子中心的核带有原子的全部正电荷及全部质量[思路点拨]　正确理解α粒子散射实验的现象、结论和原子核式结构模型的理论基础。[解析]　关于卢瑟福α粒子散射实验的现象主要是理解性地记住结论，此实验分析推理路线如下：故A、C正确。[答案]　AC(1)α粒子散射实验中，绝大部分α粒子不偏转，说明原子内部绝大部分是空的。(2)有少数α粒子发生大角度偏转，这一定不是电子作用的结果，而是原子中质量大的部分作用的结果。(3)大角度偏转的α粒子数很少，说明原子中质量大的部分体积很小，只有少数α粒子接近这部分时，才发生大角度偏转。　　　　1．[多选]卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有(　　)A．原子的中心有个核，叫原子核B．原子的正电荷均匀分布在整个原子中C．原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里D．带负电的电子在核外绕核旋转n解析：选ACD　由卢瑟福依据α粒子散射实验建立的原子的核式结构模型可知，A、C、D正确。2．在α粒子散射实验中，发现两个具有相同能量的α粒子由不同的角度散射出去，如果只考虑原子核的散射情况，散射角度大的那个α粒子将(　　)A．更接近原子核B．更远离原子核C．可能更接近也可能更远离原子核D．无法判断解析：选A　动能转化成电势能的部分越多，则该α粒子离核越近，库仑力对α粒子的冲量越大，动量变化量越大，散射角度越大。选项A正确。对原子核式结构模型的分析汤姆孙的原子结构模型与卢瑟福的原子核式结构模型对比汤姆孙的葡萄干面包模型卢瑟福的原子核式结构模型分布情况正电荷和质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中正电荷和几乎全部质量集中在原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内受力情况α粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小偏转情况不会发生大角度偏转，更不会被弹回绝大多数α粒子运动方向不变，少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，有的甚至被弹回分析结论不符合α粒子散射现象符合α粒子散射现象[例3]　在α粒子散射实验中，根据α粒子与原子核发生对心碰撞时能达到的最小距离可以估算原子核的大小。现有一个α粒子以2.0×107m/s的速度去轰击金箔，若金原子的核电荷数为79。求α粒子与金原子核间的最近距离(已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为Ep＝k，r为距点电荷的距离。α粒子质量为6.64×10－27kg)。[思路点拨]　解答本题应把握以下三点：n(1)明确α粒子的运动为沿粒子与原子核连线的直线运动。(2)当动能减为零时，电势能最大，离原子核最近。(3)原子核的大小应该比最近距离小一些。[解析]　当α粒子靠近原子核运动时，α粒子的动能转化为电势能，达到最近距离时，动能全部转化为电势能，设α粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为d，则mv2＝k。d＝＝m＝2.7×10－14m。[答案]　2.7×10－14m估算原子核大小的方法(1)应该选择与被测原子核发生对心碰撞的α粒子为研究对象。(2)根据能量守恒原理知，当α粒子的动能减小为零时，其电势能最大，此时α粒子与被测原子核的距离最近，如果已知α粒子的质量和速度，即可求得被测原子核的大小。(3)要注意原子核的实际大小应该比通过这种方法求得的原子核的大小要小。　　　　1.如图所示，根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹。在α粒子从a运动到b，再运动到c的过程中，下列说法中正确的是(　　)A．动能先增大，后减小B．电势能先减小，后增大C．电场力先做负功，后做正功，总功等于零D．加速度先变小，后变大解析：选C　根据卢瑟福提出的核式结构模型，原子核集中了原子的全部正电荷，即原子核外的电场分布与正点电荷电场类似。α粒子从a运动到b，电场力做负功，动能减小，电势能增大；从b运动到c，电场力做正功，动能增大，电势能减小；a、c在同一条等势线上，则电场力做的总功等于零，C正确，A、B错误；a、b、c三点的场强大小关系Ea＝Ec＜Eb，故α粒子的加速度先变大，后变小，D错误。2．已知电子质量为m，电荷量为e。当氢原子核外的电子绕核旋转时的轨道半径为r时，求电子绕核运行的速度、频率、动能和等效电流强度。n解析：由库仑力提供向心力F向＝F库＝＝m，得速度v＝e，频率f＝＝＝，动能Ek＝mv2＝，等效电流强度I＝＝ef＝。答案：见解析