1、12 电子的发现 原子的核式结构模型,一、阴极射线 1.实验装置:如图所示真空玻璃管中K是金属板制成的阴极,A是金属环制成的阳极;把它们分别连在感应圈的负极和正极上。2.实验现象:玻璃壁上出现淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。 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,这种射线被命名为阴极射线。,二、电子的发现 1.汤姆孙的探究 (1)让阴极射线分别通过电场和磁场,根据偏转情况,证明它是B(A.带正电 B.带负电)的粒子流并求出了它的比荷。 (2)换用不同材料的阴极做实验,所得比荷的数值都相同。证明这种粒子是构成各种物质的共有成分。 (3)进一步研究新现象,不论是由于
2、正离子的轰击,紫外光的照射,金属受热还是放射性物质的自发辐射,都能发射同样的带电粒子电子。由此可见,电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。 2.密立根“油滴实验” (1)精确测定电子电荷。 (2)电荷是量子化的。,3.电子的有关常量,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。汤姆孙的原子模型,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,但后来被粒子散射实验否定了。,四、粒子散射实验 1.粒子 粒子是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子,
3、含有两个单位的正电荷,质量为氢原子质量的4倍。 2.实验方法 用粒子源发射的粒子束轰击金箔,用带有荧光屏的放大镜,在水平面内不同方向对散射的粒子进行观察,根据散射到各方向的粒子所占的比例,可以推知原子中正、负电荷的分布情况。 3.实验装置,4.实验现象 (1)绝大多数的粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进。 (2)少数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”。 5.实验意义:卢瑟福通过粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型。,五、卢瑟福的核式结构模型 1.核式结构模型:1911年由卢瑟福提出,原子中带正电的部分体积很小,但几乎占有全部质量,电子
4、在正电体的外面运动。 2.原子核的电荷与尺度,自我检测 1.思考辨析。 (1)阴极射线是由阴极发出的粒子撞击到玻璃管壁上而产生的荧光。 ( ) 解析:阴极射线是由阴极直接发出的。 答案: (2)在粒子散射实验装置中,粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中。 ( ) 解析:实验如果真空度不高也会对实验结果造成极大影响。 答案: (3)粒子散射实验是由卢瑟福在十九世纪独立完成的。 ( ) 解析:粒子散射实验是卢瑟福跟他的学生盖革和马斯顿于1909年进行的。 答案:,(4)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流,后来被称为电子。 ( ) 答案: (5)电子是原子的组成部分,电子电荷量可以取任意数值。
5、 ( ) 解析:电荷是量子化的,任何带电体的带电量都只能是e的整数倍,电子电荷的数值为e=1.60210-31 C。 答案:,2.探究讨论。 (1)人们对阴极射线的本质的认识有两种观点,一种观点认为是电磁辐射,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或磁场,若射线垂直于磁场方向通过磁场后发生了偏转,则该射线是由带电微粒组成的。 (2)有人认为粒子发生散射的主要原因是粒子撞击到了金箔原子上,好像两个玻璃球的碰撞一样发生的反弹,这种观点正确吗? 答案:粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用,在微观领域库仑斥力非常强大,二者无法碰在一起。,探究
6、一,探究二,原子结构 问题探究 1.1808年,英国化学家道尔顿根据化学实验的结果,发表了“原子论”,说明物体是由原子组成的,同时他又断定:原子就像一个实心球,是不能分割的,他的这种观点现在看来正确吗? 要点提示:不正确,原子是可以再分的,它是由原子核和核外电子组成的,而原子核又是由质子和中子组成的。,探究一,探究二,2.在如图所示的演示实验中,K和A之间加上近万伏的高电压后,玻璃管壁上观察到什么现象?该现象说明了什么问题?要点提示:玻璃管壁上观察到淡淡的荧光及管中物体在玻璃管壁上的影,这说明阴极能够发出某种射线,并且撞击玻璃引起荧光。,探究一,探究二,知识归纳 对阴极射线管装置及其射线的理解
7、 1.装置现象 真空玻璃管两极加上高电压玻璃管壁上发出荧光 2.德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线。 3.猜想 (1)阴极射线是一种电磁辐射。 (2)阴极射线是带电微粒。 4.英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转,得知射线带负电并测出了其比荷。 5.密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量。,探究一,探究二,6.电子发现的意义 电子是人类发现的第一个比原子小的粒子。电子的发现打破了原子不可再分的传统观念,使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也有内部结构。这是人类对物质结构认识的一次飞跃,开创了探索原子结构奥秘的新时代。汤姆孙也由于发现了电子
8、,不仅荣获了1906年诺贝尔物理学奖,而且被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。阴极射线的本质是带电的粒子流,即电子流。,探究一,探究二,典例剖析 【例题1】阴极射线从阴极射线管中的阴极发出,在其间的高电压下加速飞向阳极,如图所示。若要使射线向上偏转,所加磁场的方向应为( ) A.平行于纸面向左 B.平行于纸面向上 C.垂直于纸面向外 D.垂直于纸面向里 【思考问题】 射线在磁场内偏转是受什么力? 提示:受洛伦兹力作用。 解析:由于阴极射线的本质是电子流,阴极射线方向向右,说明电子的运动方向向右,相当于存在向左的电流,利用左手定则,为使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上,磁场方向
9、应为垂直于纸面向外,故选项C正确。 答案:C,探究一,探究二,规律总结探究阴极射线带电性质的方法(1)在阴极射线所经区域加上电场,通过打在荧光屏上的亮点的变化和电场的情况确定带电的性质。若沿着电场线方向偏转,则粒子带正电;若逆着电场线方向偏转,则粒子带负电。(2)使阴极射线垂直进入磁场,根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质。如果粒子按图示方向进入磁场,且做顺时针的圆周运动,则粒子带正电;若做逆时针的圆周运动,则粒子带负电。,探究一,探究二,变式训练1(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
10、A流向B B.导线中的电流由B流向A C.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 D.电子束的径迹与AB中的电流方向无关 解析: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。故选项B、C正确。 答案:BC,探究一,探究二,粒子散射实验和核式结构模型 问题探究 1.汤姆孙发现电子之后,人们立刻进行建立各种原子模型的尝试,你都知道有哪些典型的模型呢? 要点提示:汤姆孙的“枣糕模型”、卢瑟福的核式结构模型。 2.在探究原子内部结构的过程中,卢瑟福说:“我知道了,原子到底
11、是什么样的可以将它想象成一个小的太阳系。”你是怎么样理解这段话的? 要点提示:在原子的中心,有一个很小的核,叫做原子核,原子的全部正电荷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运动,这就像行星绕太阳运转一样,原子内部就是一个小型的太阳系。,知识归纳 1.关于粒子散射实验的相关问题 (1)粒子的实质:粒子 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,质量约为氢原子质量的4倍、电子质量的7 300倍。,探究一,探究二,(2)实验装置:粒子源:钋放在带小孔的铅盒中,放射出高能粒子,带两个单位的正电荷,质量约为氢原子质量的4倍。 金箔:特点
12、是金原子的质量大,且易延展成很薄的箔。 放大镜:能绕金箔在水平面内转动。 荧光屏:荧光屏装在放大镜上。 整个实验过程在真空中进行。金箔很薄,粒子很容易穿过。,探究一,探究二,(3)实验过程: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粒子有库仑力的作用,一些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粒子的数目。 (4)粒子散射实验的实验现象:绝大多数粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数粒子发生了大角度偏转,偏转的角度甚至大于90。,探究一,探究二,2.原子核的电荷与尺度 (1)原子内的电荷关系:各种元素的
13、原子核的电荷数与原子内含有的电子数相等,非常接近它们的原子序数。 (2)原子核的组成:原子核是由质子和中子组成的,原子核的电荷数就等于原子核中的质子数。 (3)原子核的大小:原子核半径R的数量级为10-15 m,而整个原子半径的数量级是10-10 m。因而原子内部十分“空旷”。原子核半径R的数量级为10-15 m,而整个原子半径的数量级是10-10 m。原子核半径只相当于原子半径的十万分之一,如果将原子比作足球场,那么原子核仅相当于一只蚂蚁大小,可见原子内部十分“空旷”。,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】 右图为卢瑟福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
14、连的荧光屏可观察粒子在各个角度的散射情况。下列说法正确的是( )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粒子散射的靶,观察到的实验结果基本相似 D.粒子发生散射的主要原因是粒子撞击到金箔原子后产生的反弹,探究一,探究二,【思考问题】 粒子发生散射的主要原因是什么? 提示:粒子发生散射是因为受到原子核库仑斥力的作用,距离原子核远近不同所受斥力大小也不同。 解析:粒子散射实验现象:绝大多数粒子沿原方向前进,少数粒子有大角度散射。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
15、A、B错误。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。 答案:C,探究一,探究二,变式训练2在卢瑟福粒子散射实验中,只有少数粒子发生了大角度偏转,其原因是( ) A.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里 B.正电荷在原子内是均匀分布的 C.原子中存在着带负电的电子 D.原子的质量在原子核内是均匀分布的 解析:原子的核式结构正是建立在粒子散射实验结果基础上的,C、D的说法没有错,但与题意不符。 答案:A,探究一,探究二,1,2,3,4,5,1.(多选)汤姆孙对阴极射线的探究,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.
16、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,发现它们均为同一种粒子即电子,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正确,B、C错误。 答案:AD,1,2,3,4,5,2.关于密立根“油滴实验”,下列说法正确的是( ) A.密立根利用电场力和磁场力平衡的方法,测得了带电体的最小带电荷量 B.密立根利用电场力和重力平衡的方法,推测出了带电体的最小带电荷量 C.密立根利用磁偏转的知识推测出了电子的电荷量 D.密立根“油滴实验”直接验证了电子的
17、质量不足氢离子质量的千分之一 答案:B,1,2,3,4,5,3.卢瑟福和他的助手做粒子轰击金箔实验,获得了重要发现,关于粒子散射实验的结果,下列说法正确的是 ( ) A.说明了质子的存在 B.说明了原子核是由质子和中子组成的 C.说明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里 D.说明了正电荷均匀分布 解析:粒子散射实验否定了汤姆孙的枣糕式模型,即否定了正电荷均匀分布,D项错误;粒子的大角度散射,说明了原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在中间很小的原子核上。 答案:C,1,2,3,4,5,4.(多选)关于原子的核式结构模型,下列说法正确的是( ) A.原子中绝大部分是“空”的,原子
18、核很小 B.电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力 C.原子的全部电荷和质量都集中在原子核里 D.原子核的半径的数量级是10-10 m 解析:因为原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,而原子核又很小,所以原子内绝大部分区域是“空”的,A正确,C错误;电子绕原子核的圆周运动是原子核与电子间的库仑引力提供向心力,B正确;原子核半径的数量级是10-15 m,原子半径的数量级是10-10 m,D错误。 答案:AB,1,2,3,4,5,5.在粒子散射实验中,当粒子最接近金原子核时,下列说法正确的是( ) A.动能最小 B.电势能最小 C.粒子和金原子核组成的系统的能量最小 D.加速度最小 解析:在粒子散射实验中,当粒子接近金原子核时,金原子核对粒子的作用力是斥力,对粒子做负功,电势能增加,动能减小,当粒子离金原子核最近时,它们之间的库仑力最大,粒子的动能最小。由于受到的金原子核外电子的作用相对较小,与金原子核对粒子的库仑力相比,可以忽略,因此只有库仑力做功,所以机械能和电势能整体上是守恒的,故系统的能量可以认为不变。综上所述,正确选项应为A。 答案:A,
