第3节　原子的核式结构模型

知识点归纳

知识点一、阴极射线

1．实验装置：真空玻璃管、阴极、阳极和感应圈．

2．实验现象：感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上发出荧光．

3．阴极射线：荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线命名为阴极射线．

知识点二、电子的发现

1．实验现象：英国物理学家汤姆孙使用气体放电管对阴极射线进行了一系列实验研究．

(1)让阴极射线分别通过电场和磁场，根据偏转现象，证明它是带负电的粒子流并求出其比荷．

(2)换用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同，是氢离子比荷的近两千倍．证明这种粒子是构成各种物质的共有成分．

(3)组成阴极射线的粒子称为电子．

知识点二、电子电荷量的测定

1．电子的电荷量：1910年美国物理学家密立根通过著名的“油滴实验”简练精确地测定了电子的电量。电子电荷的现代值为e＝1.602×10－19C。

2．电子电荷量的测定

(1)密立根实验的原理

a．如图所示，两块平行放置的水平金属板A、B与电源相连接，使A板带正电，B板带负电。从喷雾器喷嘴喷出的小油滴经上面的金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场中。

b．小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可以使小油滴静止在两板之间，此时电场力和重力平衡即mg＝Eq，则电荷的电量q＝。

他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都是某个最小电量的整数部，这个最小的电量就是电子的电量。

(2)密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何电荷的电荷量只能是元电荷e的整数倍，并求得了元电荷即电子或质子所带的电荷量e。

知识点三、汤姆孙的原子模型

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，电子镶嵌在球中．

在汤姆孙的原子模型中小圆点代表正电荷，大圆点代表电子．

汤姆孙的原子模型被称为西瓜模型或枣糕模型，该模型能解释一些实验现象，但后来被α粒子散射实验否定了．

知识点四、α粒子散射实验

1．实验装置

(1)整个实验必须在真空中进行．(2)金箔很薄，α粒子(He)很容易穿过．

2．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，但是有少数α粒子发生了较大角度的偏转，偏转的角度甚至大于90°.

3．实验解释

α粒子散射实验令卢瑟福万分惊奇，按照汤姆孙的枣糕模型：带正电的物质均匀分布，带负电的电子质量比α粒子的质量小得多，α粒子碰到电子就像子弹碰到一粒尘埃一样，其运动方向不会发生什么改变．但实验结果出现了像一枚炮弹碰到一层薄薄的纸被反弹回来这一不可思议的现象．卢瑟福通过分析，否定了汤姆孙的原子结构模型，提出了核式结构模型．

知识点五、卢瑟福原子核式结构模型

1．内容：原子的内部有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷以及几乎全部质量都集中在原子核内；带负电的电子绕核运动．原子的核式结构模型又被称为行星模型．

2．原子核直径数量级为10^－15 m，原子直径的数量级约为10^－10 m，原子核的直径只相当原子直径的十万分之一．

3．核式结构对α粒子散射实验的解释

原子核很小，原子内部空间很大．α粒子穿过金箔时离核较远，受核的斥力很小，它们的运动几乎不受影响；当α粒子离核较近时，才会受核的较大斥力而发生大角度偏转；正对原子核的a粒子，会发生反弹．因原子核很小，大多数α粒子接近它的机会很少，基本上仍沿原方向运动；发生偏转的α粒子中，大多数偏角也不大，只有极少数发生大角度偏转，个别的正对原子核运动的粒子会反弹．

知识点六、原子核的电荷与尺度

(1)原子是由原子核与电子组成的。

(2)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子

质子数——Z　等于原子的核电荷数，也是元素的原子序数。

质量数——A　原子核的质量等于质子质量和中子质量之和，质量数就是原子核内的核子数。

中子数——A－Z　等于质量数(核子数)减质子数。

即：核电荷数＝核外电子数＝质子数＝原子序数

(3)对于一般的原子核半径数量级为10－15 m，整个原子半径的数量级是10－10 m，两者相差十万倍之多，可见原子内部是十分“空旷”的。

典例分析

一、磁场对运动电荷的影响

例1 阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，在高压下加速飞向阳极，如图所示，若要使射线向上偏转，所加磁场方向应为(　　)

A．平行于纸面向左            B．平行于纸面向上

C．垂直纸面向外              D．垂直纸面向里

解析　由题意可知阴极射线的方向，阴极射线是电子流加上磁场后应使带电粒子受到向上的洛伦兹力才会向上偏转．电子向右运动，形成向左的等效电流，由左手定则判断，则磁场方向应为垂直纸面向外，故C选项正确．

答案　C

二、测量带电粒子比荷的方法

例2  一种测定电子比荷的实验装置如图所示．真空玻璃管内、阴极发出的电子经阳极A与阴极K之间的高电压加速后，形成一束细电子流，以平行于平板电容器极板的速度进入两极板C、D间的区域．若两极板间无电压，电子将打在荧光屏上的O点；若在两极板间施加电压U，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P点；若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场，则电子在荧光屏上产生的光点又回到O，已知极板的长度l＝5.00 cm，C、D间的距离d＝1.50 cm，极板区的中点M到荧光屏中点O的距离为L＝12.50 cm，U＝200 V，B＝6.3×10^－4 T，P点到O点的距离y＝3.0 cm，试求电子的比荷．

解析　以M点为坐标原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴．

(1)同时加电场、磁场时，qE＝Bqv_x，因此v_x＝＝.

(2)只加电场时

到达极板右边缘时，电子在竖直方向飞行的距离为y₁＝a_yt²＝()²＝，

电子在竖直方向的速度为v_y＝a_yt＝＝，

电子飞出极板到达P点时，

在竖直方向经过的距离y₂＝v_yt′＝×＝，

因此y＝y₁＋y₂，

解得＝1.61×10¹¹ C/kg.

答案　1.61×10¹¹ C/kg

归纳总结：解决带电粒子在电磁场中偏转的问题时，要切记以下几点：

(1)所加电场、磁场为匀强电、磁场．

(2)带电粒子只在电场中偏转时做类平抛运动，可利用运动的分解、运动公式、牛顿定律列出相应的关系．

(3)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，要注意通过画轨迹示意图确定圆心位置，利用几何知识求出其半径．

(4)带电粒子若通过相互垂直的电、磁场时，一般不发生偏转，由此可求出带电粒子的速度．

三、α粒子散射实验

例3  如图为α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、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下述说法不正确的是(　　)

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B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、D位置时屏上观察不到闪光

D．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少

解析 根据α粒子散射实验的现象，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上沿原方向前进，因此在A位置观察到闪光次数最多，故A正确，少数α粒子发生大角度偏转，因此从A到D观察到的闪光会逐渐减少，因此B、D正确，C错。

答案 C

归纳总结：(1)明确实验装置中各部分的组成及作用。

(2)弄清实验现象，知道“绝大多数”、“少数”和“极少数”粒子的运动情况。

自我检测

1．(多选)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　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．在汤姆孙实验证实阴极射线就是带负电的电子流时并未得出电子的电荷量，最早测出电子电荷量的是美国物理学家密立根，D正确．

答案　AD

2．1897年英国物理学家汤姆孙发现了电子被称为“电子之父”，下列关于电子的说法正确的是(　　)

A．汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是带负电的粒子的结论，并求出了阴极射线的比荷

B．汤姆孙通过对光电效应的研究，发现了电子

C．电子的电荷量是由密立根油滴实验测得的

D．物体所带电荷量最小值为1.6×10^－19 C

答案　ACD

3．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(　　)

    

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．

答案　D

4. 1910年美国科学家密立根通过油滴实验(　　)

A．发现了中子                     B．发现了电子

C．测出了中子的质量               D．测出了电子的电荷量

解析 密立根通过油滴实验精确测定了电子的电荷量．

答案 D

5．以下说法正确的是(　　)

A．密立根用摩擦起电的实验发现了电子

B．密立根用摩擦起电的实验测定了元电荷的电荷量

C．密立根用油滴实验发现了电子

D．密立根用油滴实验测定了元电荷的电荷量

解析 密立根用油滴实验测定了元电荷的电荷量，故D正确.

答案 D

6．汤姆孙对阴极射线进一步研究，最终发现了电子，由此被称为“电子之父”．关于电子的说法正确的是(　　)

A．任何物质中均有电子

B．不同的物质中具有不同的电子

C．电子质量是质子质量的1 836倍

D．电子是一种粒子，是构成物质的基本单元

解析 汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究，均为同一种相同的粒子——即电子，电子是构成物质的基本单元，它的质量远小于质子质量．由此可知A、D两项正确，B、C两项错误．

答案 AD

7．下列是某实验小组测得的一组电荷量，哪些数据是符合事实的(　　)

A．＋3×10^－19 C               B．＋4.8×10^－19 C

C．－3.2×10^－26 C      D．－4.8×10^－19 C

解析 电荷是量子化的，任何带电体所带电荷量只能是元电荷的整数倍.1.6×10^－19 C是自然界中最小的电荷量，故B、D正确．

答案 BD

8．下列对α粒子散射实验装置的描述，你认为正确的有(　　)

A．实验器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜

B．金箔的厚度对实验无影响

C．如果不用金箔改用铝箔，就不会发生散射现象

D．实验装置放在空气中和真空中都可以

解析：由对α粒子散射实验装置的描述可知A项正确．实验所用的金箔的厚度极小，如果金箔的厚度过大，α粒子穿过金箔时必然受到较大的阻碍作用而影响实验效果，B项错．如果改用铝箔，由于铝核的质量仍远大于α粒子的质量，散射现象仍然发生，C项错．空气的流动及空气中有许多漂浮的分子，会对α粒子的运动产生影响，实验装置是放在真空中进行的，D项错．

答案：A

9．α粒子散射实验结果表明(　　)

A．原子中绝大部分是空的

B．原子中全部正电荷都集中在原子核上

C．原子内有中子

D．原子的质量几乎全部都集中在原子核上

解析 在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔时其运动方向基本不变，只有少数α粒子发生较大角度的偏转，这说明原子的全部正电荷和几乎所有的质量都集中在一个很小的核上，这个核就叫原子核．原子核很小，只有少数α粒子在穿过金箔时接近原子核，受到较大库仑力而发生偏转；而绝大多数α粒子在穿过金箔时，离原子核很远，所受库仑斥力很小，故它们的运动方向基本不变．所以本题正确选项为A、B、D.

答案 ABD

10．α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子的碰撞影响，是因为(　　)

A．α粒子与电子根本无相互作用

B．α粒子受电子作用的合力为零，是因为电子是均匀分布的

C．α粒子和电子碰撞损失能量极少，可忽略不计

D．电子很小，α粒子碰撞不到电子

解析 α粒子与电子之间存在着相互作用力，这个作用力是库仑引力，但由于电子质量很小，只有α粒子质量的七千三百分之一，碰撞时对α粒子的运动影响极小，几乎不改变运动方向，就像一颗子弹撞上一个尘埃一样，故正确选项是C.

答案 C

11．在α粒子散射实验中，使少数α粒子发生大角度偏转的作用力是原子核对α粒子的(　　)

A．万有引力　　　　　                   B．库仑力

C．磁场力                                      D．核力

解析 金原子核和α粒子在距离很近时，产生较大的库仑力而使少数α粒子发生大角度偏转．

答案 B