第3章 3132.docx

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第3章3132

3.1　电子的发现及其重大意义

3.2　原子模型的提出

[学习目标]1.知道阴极射线的组成，电子是原子的组成部分.2.了解汤姆生发现电子的研究方法及蕴含的科学思想.3.了解α粒子散射实验的实验器材、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，原子的组成及带电情况．

一、阴极射线　电子的发现

[导学探究]　1.在图1所示的实验中，将阴极射线管的阴极和阳极接上高压电源后，用真空泵逐渐抽去管中的空气，会产生什么现象？

当气压降得很低时，又有什么现象发生？

图1

答案　接上高压电源后，管内会产生气体放电现象，当气压降得很低时，管内不再发光，但由阴极发射出的射线，能使荧光物质发光．

2．人们对阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为是一种电磁波，另一种观点认为是带电微粒，你认为应如何判断哪种观点正确？

答案　可以让阴极射线通过电场（磁场），若射线垂直于电场（磁场）方向射入之后发生了偏转，则该射线是由带电微粒组成的．

[知识梳理]

1．阴极射线的特点

（1）在真空中沿直线传播；

（2）碰到物体可使物体发出荧光．

2．汤姆生对阴极射线本质的探究

结论：

汤姆生通过实验得出，阴极射线是一种带负电的质量很小的粒子，物理学中称为电子，电子是原子的组成部分．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）阴极射线在真空中沿直线传播．（　√　）

（2）英国物理学家汤姆生认为阴极射线是一种电磁辐射．（　×　）

（3）组成阴极射线的粒子是电子．（　√　）

（4）电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值．（　×　）

二、α粒子散射实验

[导学探究]　如图2所示为1909年英籍物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：

图2

（1）什么是α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α粒子发生大角度散射的原因是什么？

答案　

（1）α粒子（He）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氦原子核，带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7300倍．

（2）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图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目．

（3）绝大多数的α粒子穿过金箔后沿原来的方向前进，少数α粒子发生了大角度的偏转，有的α粒子偏转角超过90°，极少数α粒子甚至被反弹回来．

（4）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．

[知识梳理]

1．α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、带有荧光屏的放大镜等几部分组成，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粒子穿过金箔后沿原来的方向前进；

（2）少数α粒子发生了大角度的偏转；

（3）有的α粒子偏转角超过90°，有极少数α粒子甚至被反弹回来．

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．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）α粒子散射实验证明了汤姆生的原子模型是符合事实的．（　×　）

（2）α粒子散射实验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹．（　×　）

（3）α粒子大角度的偏转是电子造成的．（　×　）

（4）α粒子带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的2倍．（　×　）

三、原子的核式结构模型　原子核的电荷与尺度

[导学探究]　1.原子中的原子核所带电荷量有何特点？

答案　原子核带正电，原子是电中性的，原子核所带电荷量与核外电子所带的电荷量相等．

2．核式结构模型是如何解释α粒子散射实验结果的？

答案　①由于原子核很小，大多数α粒子穿过金箔时都离核很远，受到的斥力很小，它们的运动方向几乎不改变．

②只有极少数α粒子有机会与原子核接近，受到原子核较大的斥力而发生明显的偏转．

[知识梳理]

1．核式结构模型：

1911年由卢瑟福提出．在原子中心有一个很小的核，叫原子核．它集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间绕核旋转．

2．原子核的电荷与尺度

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）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．

（2）对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷．（　√　）

一、对阴极射线的认识

例1　（多选）下面对阴极射线的认识正确的是（　　）

A．阴极射线是由阴极发出的粒子撞击玻璃管壁上的荧光粉而产生的

B．只要阴阳两极间加有电压，就会有阴极射线产生

C．阴极射线是真空玻璃管内由阴极发出的射线

D．阴阳两极间加有高压时，电场很强，阴极中的电子受到很强的库仑力作用而脱离阴极

答案　CD

解析　阴极射线是真空玻璃管内由阴极直接发出的射线，故A错误，C正确；只有当两极间有高压且阴极接电源负极时，阴极中的电子才会受到足够大的库仑力作用而脱离阴极成为阴极射线，故B错误，D正确．

二、带电粒子比荷的测定

1．利用磁偏转测量

（1）让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场（如图3），让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电（Bqv＝qE），得到粒子的运动速度v＝.

图3

（2）撤去电场（如图4），保留磁场，让粒子单纯地在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝m，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r.

图4

（3）由以上两式确定粒子的比荷表达式：

＝.

2．利用电偏转测量

带电粒子在匀强电场中运动，偏转量y＝at2＝·（）2，故＝，所以在偏转电场中，U、d、L已知时，只需测量v和y即可．

例2　在再现汤姆生测阴极射线比荷的实验中，采用了如图5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），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θ，试解决下列问题：

图5

（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）

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）设此射线带电量为q，质量为m，当射线在D、G间做匀速直线运动时，有qE＝Bqv.当射线在D、G间的磁场中偏转时，有Bqv＝.同时又有L＝r·sinθ，如图所示，解得＝.

针对训练1　如图6所示，电子以初速度v0从O点进入长为l、板间距离为d、电势差为U的平行板电容器中，出电场时打在屏上P点，经测量O′P距离为Y0，求电子的比荷．

图6

答案　

解析　由于电子在电场中做类平抛运动，沿电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，满足

Y0＝at2＝（）2＝，

则＝.

运用电磁场测定电子比荷的解题技巧

1．当电子在复合场中做匀速直线运动时，eE＝evB，可以测出电子速度大小．

2．当电子在匀强磁场中偏转时，evB＝m，测出圆周运动半径，即可确定比荷．

3．当电子在匀强电场中偏转时，y＝at2＝，测出电子在电场中的偏转量也可以确定比荷．

三、对α粒子散射实验的理解

例3　如图7所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况．下列说法中正确的是（　　）

图7

A．在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多

B．在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光

C．卢瑟福选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似

D．α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹

答案　C

解析　α粒子散射实验现象：

绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子有大角度散射．所以A处观察到的粒子数多，B处观察到的粒子数少，所以选项A、B错误．α粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，所以选项D错误，C正确．

针对训练2　卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是（　　）

答案　D

解析　α粒子轰击金箔后偏转，越靠近金原子核，偏转的角度越大，所以A、B、C错误，D正确．

解决这类问题的关键是理解并熟记以下两点：

（1）明确实验装置的组成及各部分的作用．

（2）弄清实验现象，知道“绝大多数”、“少数”和“极少数”α粒子的运动情况及原因．

四、原子的核式结构分析

1．原子内的电荷关系：

原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近原子序数．

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8所示，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°.

图8

1．（对阴极射线的认识）（多选）英国物理学家汤姆生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．汤姆生并未精确得出阴极射线粒子的电荷量

答案　AD

解析　阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧，A正确．由于电子带负电，所以其在磁场中受力情况与正电荷不同，B错误．不同材料所产生的阴极射线都是电子流，所以它们的比荷是相同的，C错误．最早精确测出电子电荷量的是美国物理学家密立根，D正确．

2．（α粒子散射实验的认识及解释）（多选）关于α粒子散射实验，下列说法正确的是（　　）

A．在实验中，观察到的现象是：

绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，极少数发生了较大角度的偏转

B．使α粒子发生明显偏转的力来自带正电的核和核外电子，当α粒子接近核时，是核的斥力使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

C．实验表明：

原子中心有一个极小的核，它占有原子体积极小的一部分

D．实验表明：

原子中心的核带有原子的全部正电荷和原子的全部质量

答案　AC

3．（α粒子散射实验的认识）X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它们入射时的动能相同，其偏转轨道可能是下图中的（　　）

答案　D

解析　α粒子离金核越远其所受斥力越小，轨道弯曲程度就越小，故选项D正确．

4．（原子的核式结构模型）（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质量都集中在原子核里

D．带负电的电子在核外绕着核旋转

答案　ACD

一、选择题

考点一　对阴极射线及电子电荷的理解

1．关于阴极射线的实质，下列说法正确的是（　　）