原子結(jié)構(gòu)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．知道電子是怎樣發(fā)現(xiàn)的；2．知道電子的發(fā)現(xiàn)對人類探索原子結(jié)構(gòu)的重大意義；3．了解湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的研究方法．4．知道粒子散射實(shí)驗(yàn)；5．明確原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容；6．理解原子核式結(jié)構(gòu)提出的主要思想．【要點(diǎn)梳理】要點(diǎn)詮釋：要點(diǎn)一、原子結(jié)構(gòu)1．陰極射線（1）氣體的導(dǎo)電特點(diǎn)：通常情況下，氣體是不導(dǎo)電的，但在強(qiáng)電場中，氣體能夠被電離而導(dǎo)電．平時(shí)我們在空氣中看到的放電火花，就是氣體電離導(dǎo)電的結(jié)果．在研究氣體放電時(shí)一般都用玻璃管中的稀薄氣體，導(dǎo)電時(shí)可以看到輝光放電現(xiàn)象．（2）1858年德國物理學(xué)家普里克發(fā)現(xiàn)了陰極射線．①產(chǎn)生：在研究氣體導(dǎo)電的玻璃管內(nèi)有陰、陽兩極．當(dāng)兩極間加一定電壓時(shí)，陰極便發(fā)出一種射線，這種射線為陰極射線．②陰極射線的特點(diǎn)：碰到熒光物質(zhì)能使其發(fā)光．2．湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子（1）從1890年起英國物理學(xué)家湯姆孫開始了對陰極射線的一系列實(shí)驗(yàn)研究．（2）湯姆孫利用電場和磁場能使帶電的運(yùn)動(dòng)粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理檢測了陰極射線的帶電性質(zhì)，并定量地測定了陰極射線粒子的比荷（帶電粒子的電荷量與其質(zhì)量之比，即）．（3）1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子（陰極射線是高速電子流）．電子的電量電子的質(zhì)量電子的比荷3．湯姆孫對陰極射線的研究（1）陰極射線電性的發(fā)現(xiàn)．為了研究陰極射線的帶電性質(zhì)，他設(shè)計(jì)了如圖所示裝置．從陰極發(fā)出的陰極射線，經(jīng)過與陽極相連的小孔，射到管壁上，產(chǎn)生熒光斑點(diǎn)；用磁鐵使射線偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入集電圓筒；用靜電計(jì)檢測的結(jié)果表明，收集到的是負(fù)電荷．（2）測定陰極射線粒子的比荷．4．密立根實(shí)驗(yàn)美國物理學(xué)家密立根在1910年通過著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”簡練精確地測定了電子的電量密立根實(shí)驗(yàn)更重要的發(fā)現(xiàn)是：電荷是量子化的，即任何電荷只能是元電荷的整數(shù)倍．5．電子發(fā)現(xiàn)的意義以前人們認(rèn)為物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子是不可再分的最小微粒．現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)了各種物質(zhì)里都有電子，而且電子的質(zhì)量比最輕的氫原子質(zhì)量小得多，這說明電子是原子的組成部分．電子是帶負(fù)電，而原子是電中性的，可見原子內(nèi)還有帶正電的物質(zhì)，這些帶正電的物質(zhì)和帶負(fù)電的電子如何構(gòu)成原子呢？電子的發(fā)現(xiàn)大大激發(fā)了人們研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱情，拉開了人們研究原子結(jié)構(gòu)的序幕．6．19世紀(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)對陰極射線的研究，引發(fā)了19世紀(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)：（1）1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了射線；（2）1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射性；（3）1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子．要點(diǎn)二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型1．湯姆孫的原子模型“棗糕模型”．“葡萄干布丁模型”（如圖所示）．“葡萄干面包模型”．湯姆孫的原子模型是在發(fā)現(xiàn)電子的基礎(chǔ)上建立起來的，湯姆孫認(rèn)為，原子是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在球內(nèi)，電子像棗糕里的棗子一樣，鑲嵌在原子里面，所以湯姆孫的原子模型也叫棗糕式原子結(jié)構(gòu)模型．【注意】湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型雖然能解釋一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，但這一模型很快就被新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)——僅粒子散射實(shí)驗(yàn)所否定．2．粒子散射實(shí)驗(yàn)1909～1911年盧瑟福和他的助手做粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)，獲得了重要的發(fā)現(xiàn)．（1）實(shí)驗(yàn)裝置（如圖所示）由放射源、金箔、熒光屏等組成．特別提示：①整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在真空中進(jìn)行．②金箔很薄，粒子（核）很容易穿過．（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果．3．原子的核式結(jié)構(gòu)盧瑟福依據(jù)粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)：在原子中心有一個(gè)很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)．4．原子核的電荷與尺度由不同原子對粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定各種元素原子核的電荷．又由于原子是電中性的，可以推算出原子內(nèi)含有的電子數(shù)．結(jié)果發(fā)現(xiàn)各種元素的原子核的電荷數(shù)，即原子內(nèi)的電子數(shù)非常接近于它們的原子序數(shù)，這說明元素周期表中的各種元素是按原子中的電子數(shù)來排列的．5．解題依據(jù)和方法（1）解答與本節(jié)知識有關(guān)的試題，必須以兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)的實(shí)際為基礎(chǔ)，應(yīng)明確以下幾點(diǎn)：①湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，說明原子是可分的，電子是原子的組成部分．②盧瑟?！傲Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)”現(xiàn)象說明：原子中絕大部分是空的，原子的絕大部分質(zhì)量和全部正電荷都集中在一個(gè)很小的核上．（2）根據(jù)原子的核式結(jié)構(gòu)，結(jié)合前面所掌握的動(dòng)能、電勢能、庫侖定律及能量守恒定律等知識，是綜合分析解決d粒子靠近原子核過程中，有關(guān)功、能的變化，加速度，速度的變化所必備的知識基礎(chǔ)和應(yīng)掌握的方法．6．對粒子散射實(shí)驗(yàn)的理解如果按照湯姆孫的“棗糕”原子模型，粒子如果從原子之間或原子的中心軸線穿過時(shí)，它受到周圍的正負(fù)電荷作用的庫侖力是平衡的，粒子不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)；如果粒子偏離原子的中心軸線穿過，兩側(cè)電荷作用的庫侖力相當(dāng)大一部分被抵消，粒子偏轉(zhuǎn)很?。蝗绻Ｗ诱龑χ娮由鋪恚|(zhì)量遠(yuǎn)小于粒子的電子不可能使粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，更不可能使它反彈．所以粒子的散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定了湯姆孫的原子模型．盧瑟福根據(jù)粒子散射實(shí)驗(yàn)，不儀建立了原子的核式結(jié)構(gòu)，還估算出了原子核的大?。拥暮耸浇Y(jié)構(gòu)初步建立了原子結(jié)構(gòu)的正確圖景，但跟經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾．（見玻爾的原子模型）7．原子結(jié)構(gòu)的探索歷史（1）發(fā)現(xiàn)原子核式結(jié)構(gòu)的過程．實(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)說明了什么電子的發(fā)現(xiàn)說明原子有復(fù)雜結(jié)構(gòu)粒子散射實(shí)驗(yàn)說明湯姆孫（棗糕式）原子模型不符合實(shí)際，盧瑟福重新建立原子的核式結(jié)構(gòu)模型（2）原子的核式結(jié)構(gòu)與原子的棗糕式結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別．核式結(jié)構(gòu)棗糕式結(jié)構(gòu)原子內(nèi)部是非?？諘绲?，正電荷集中在一個(gè)很小的核里原子是充滿了正電荷的球體電子繞核高速旋轉(zhuǎn)電子均勻嵌在原子球體內(nèi)【典型例題】 類型一、原子結(jié)構(gòu)例1．關(guān)于陰極射線的本質(zhì)，下列說法正確的是（）．A．陰極射線本質(zhì)是氫原子B．陰極射線本質(zhì)是電磁波C．陰極射線本質(zhì)是電子D．陰極射線本質(zhì)是X射線【思路點(diǎn)撥】陰極射線基本性質(zhì)．【答案】C【解析】陰極射線是原子受激發(fā)射出的電子，關(guān)于陰極射線是電磁波、X射線都是在研究陰極射線過程中的一些假設(shè)，是錯(cuò)誤的．【總結(jié)升華】對陰極射線基本性質(zhì)的了解是解題的依據(jù)．舉一反三:【變式】如圖所示，在陰極射線管正上方平行放一通有強(qiáng)電流的長直導(dǎo)線，則陰極射線將（）．A．向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn)B．向紙外偏轉(zhuǎn)C．向下偏轉(zhuǎn)D．向上偏轉(zhuǎn)【答案】D【解析】本題綜合考查電流產(chǎn)生的磁場、左手定則和陰極射線的產(chǎn)生和性質(zhì)．由題目條件不難判斷陰極射線所在處磁場垂直紙面向外，電子從負(fù)極射出，由左手定則可判定陰極射線（電子）向上偏轉(zhuǎn)．【總結(jié)升華】注意陰極射線（電子）從電源的負(fù)極射出，用左手定則判斷其受力方向時(shí)四指的指向和射線的運(yùn)動(dòng)方向相反．例2．湯姆孫用來測定電子的比荷（電子的電荷量與質(zhì)量之比）的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．真空管內(nèi)的陰極發(fā)出的電子（不計(jì)初速、重力和電子間的相互作用）經(jīng)加速電壓加速后，穿過中心的小孔沿中心軸的方向進(jìn)入到兩塊水平正對放置的平行極板和間的區(qū)域．當(dāng)極板間不加偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，電子束打在熒光屏的中心點(diǎn)處，形成了一個(gè)亮點(diǎn)；加上偏轉(zhuǎn)電壓后，亮點(diǎn)偏離到點(diǎn)（點(diǎn)與點(diǎn)的豎直間距為，水平間距可忽略不計(jì)）．此時(shí)，在和間的區(qū)域，再加上一個(gè)方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場．調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)弱，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為時(shí)，亮點(diǎn)重新回到點(diǎn)．已知極板水平方向的長度為，極板間距為，極板右端到熒光屏的距離為（如圖所示）．（1）求打在熒光屏點(diǎn)的電子速度的大?。?）推導(dǎo)出電子的比荷的表達(dá)式．【解析】（1）當(dāng)電子受到的電場力與洛倫茲力平衡時(shí)，電子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，亮點(diǎn)重新回到中心點(diǎn)，設(shè)電子的速度為，則得即（2）當(dāng)極板間僅有偏轉(zhuǎn)電場時(shí)，電子以速度進(jìn)入后，豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度為電子在水平方向做勻速運(yùn)動(dòng)，在電場內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間這樣，電子在電場中，豎直向上偏轉(zhuǎn)的距離為離開電場時(shí)豎直向上的分速度為電子離開電場后做勻速直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)時(shí)間到達(dá)熒光屏?xí)r間內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的距離為這樣，電子向上的總偏轉(zhuǎn)距離為可解得【總結(jié)升華】要分析清楚帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動(dòng)情況．類型二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型例3．粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（）．A．原子中絕大部分是空的B．原子中全部正電荷都集中在原子核上C．原子內(nèi)有中子D．原子的質(zhì)量幾乎全部都集中在原子核上【思路點(diǎn)撥】理解粒子散射實(shí)驗(yàn)中，絕大多數(shù)僅粒子穿過金箔時(shí)其運(yùn)動(dòng)方向基本不變，只有少數(shù)粒子發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)?！敬鸢浮緼、B、D【解析】在理解粒子散射實(shí)驗(yàn)中，絕大多數(shù)僅粒子穿過金箔時(shí)其運(yùn)動(dòng)方向基本不變，只有少數(shù)粒子發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)，這說明原子的全部正電荷和幾乎所有的質(zhì)量都集中在一個(gè)很小的核上，這個(gè)核就叫原子核．原子核很小，只有少數(shù)粒子在穿過金箔時(shí)接近原子核，受到較大庫侖力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)；而絕大多數(shù)粒子在穿過金箔時(shí)，離原子核很遠(yuǎn)，所受庫侖斥力很小，故它們的運(yùn)動(dòng)方向基本不變．所以本題正確選項(xiàng)為A、B、D．【總結(jié)升華】原子核的直徑約為原子直徑的十萬分之一，在原子中，原子核很小，原子的絕大部分空間是空的，帶負(fù)電的電子就在核外空間中繞核旋轉(zhuǎn)．舉一反三:【變式】在粒子的散射實(shí)驗(yàn)中，并沒有考慮粒子跟電子碰撞所產(chǎn)生的效果，這是由于（）．A．僅粒子跟電子相碰時(shí)，損失的動(dòng)量很小，可忽略B．電子體積實(shí)在太小，粒子完全碰不到它C．粒子跟各電子碰撞的效果互相抵消D．由于電子是均勻分布的，理粒子受電子作用力的合力為零【答案】A【解析】少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的原因僅是因?yàn)樗蛶д姷脑雍酥g強(qiáng)大的庫侖斥力作用，而電子與粒子碰撞，微不足道．【總結(jié)升華】頭腦中要有粒子碰到電子就像子彈碰到灰塵一樣的模型．例4．在粒子散射實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)粒子最接近金原子核時(shí)，符合下列哪種情況？（）．A．動(dòng)能最小B．電勢能最小C．粒子和金原子核組成的系統(tǒng)的能量最小D．加速度最小【答案】A【解析】在粒子散射實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)粒子接近金原子核時(shí)，金原子核對粒子的作用力是斥力，對粒子做負(fù)功，電勢能增加，動(dòng)能減?。捎诹Ｗ与x金原子核最近，所以它們之間的庫侖力很大，加速度很大，另外受到金原子核外電子的作用相對較小，與金原子核對粒子的庫侖力相比，可以忽略，因此只有庫侖力做功，所以機(jī)械能和電勢能整體上是守恒的，故系統(tǒng)的能量可以認(rèn)為不變．綜上所述，正確選項(xiàng)應(yīng)為A．【總結(jié)升華】本題注意抓住主要奈件（主要考慮粒子與金原子核的相互作用），忽略次要條件（粒子與金原子核外電子的作用）．舉一反三:【解析】因?yàn)殡娮釉谠雍送饫@核高速運(yùn)動(dòng)，此即帶負(fù)電的電子繞帶正電的原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，所需的向心力恰好由電子和原子核間的庫侖力來提供．設(shè)電子繞核運(yùn)動(dòng)的加速度為，已知：電子質(zhì)量電子電荷量因?yàn)樗运浴究偨Y(jié)升華】模型的建立是解題問題的關(guān)鍵．例5．1911年前后，物理學(xué)家盧瑟福用粒子轟擊金箔，獲得驚人的發(fā)現(xiàn)．試由此實(shí)驗(yàn)根據(jù)下列所給公式或數(shù)據(jù)估算金原子核的大?。鹪有驍?shù)為，【思路點(diǎn)撥】粒子接近金原子核，克服庫侖斥力做功，動(dòng)能減小，電勢能增加．當(dāng)粒子的動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為電勢能時(shí)，離金原子核最近，距離為，可被認(rèn)為是金原子核半徑．【解析】粒子接近金原子核，克服庫侖斥力做功，動(dòng)能減小，電勢能增加．當(dāng)粒子的動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為電勢能時(shí)，離金原子核最近，距離為，可被認(rèn)為是金原子核半徑．由動(dòng)能定理有又因?yàn)榻鹪雍穗姾闪?，則代入數(shù)據(jù)，其中可得【總結(jié)升華】粒