人教版高中物理选修3-5习题：第十八章 原子结构 第1、2节

1电子的发现
2原子的核式结构模型
[学习目标] 1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，知道电子的电荷量和比荷.2.了解汤姆孙发现电子的研究方法及蕴含的科学思想，领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义.3.知道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，能说出原子核的数量级．
一、阴极射线电子的发现
[导学探究]
(1)在图1所示的演示实验中，K是金属板制成的阴极，A是金属环制成的阳极．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？
图1
答案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．
(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．
[知识梳理]阴极射线及电子的发现
(1)阴极射线
科学家用真空度很高的真空管做放电实验时，发现真空管阴极发射出的一种射线，叫做阴极射线．
(2)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．
(3)电子的发现：汤姆孙让阴极射线分别通过电场或磁场，根据偏转情况，证明了它的本质是带负电的粒子流并求出了其比荷．
(4)密立根通过著名的“油滴实验”精确地测出了电子电荷．电子电荷量一般取e＝1.6×10－19_C，电子质量m e＝9.1×10－31_kg.
[即学即用]关于阴极射线的本质，下列说法正确的是()
A．阴极射线本质是氢原子
B．阴极射线本质是电磁波
C．阴极射线本质是电子
D．阴极射线本质是X射线
答案 C
解析阴极射线是原子受激发射出的电子，关于阴极射线是电磁波、X射线都是在研究阴极射线过程中的一些假设，是错误的．
二、α粒子散射实验
[导学探究](1)什么是α粒子？
(2)α粒子散射实验装置由几部分组成？实验过程是怎样的？
(3)α粒子散射实验的实验现象是怎样的？
(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(42He)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7 300倍．
(2)实验装置：
①α粒子源：钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能α粒子，带两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍．
②金箔：特点是金原子的质量大，且易延展成很薄的箔．
③放大镜：能绕金箔在水平面内转动．
④荧光屏：荧光屏装在放大镜上．
⑤整个实验过程在真空中进行．金箔很薄，α粒子很容易穿过．
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)α粒子散射实验的实验现象：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，偏转的角度甚至大于90°.
(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、放大镜、荧光屏等几部分组成，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：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，偏转的角度甚至大于90°.
(3)α粒子散射实验的结果用汤姆孙的“枣糕模型”无法解释．
[即学即用](多选)关于α粒子的散射实验，下列说法正确的是()
A．该实验在真空环境中进行
B．带有荧光屏的显微镜可以在水平面内的不同方向上移动
C．荧光屏上的闪光是散射α粒子打在荧光屏上形成的
D．荧光屏只有正对α粒子源发出的射线方向上才有闪光
E．α粒子穿过原子时，由于α粒子的质量比电子大得多，电子不可能使α粒子的运动方向发生明显的改变
答案ABCE
解析对于D项，考虑到有少数的α粒子因为靠近金原子核，受到斥力而改变了运动方向，故D错误；电子的质量很小，当和α粒子作用时，对α粒子运动的影响极其微小，E正确．三、原子的核式结构模型原子核的电荷与尺寸
[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，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，它们的运动几乎不受影响，几乎沿直线传播，不发生偏转．
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]对原子核式结构及原子核的认识
(1)卢瑟福的核式结构模型：1911年由卢瑟福提出，在原子中心有一个很小的核，叫原子核．它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动．
(2)原子核的电荷与尺度
[即学即用](多选)关于原子核式结构理论，下列说法正确的是()
A．是通过天然放射性现象得出来的
B．原子的中心有个核，叫做原子核
C．原子的正电荷均匀分布在整个原子中
D．原子的全部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旋转
答案BD
解析原子的核式结构理论是在α粒子散射实验的基础上提出的，A错；原子所带的正电荷都集中在一个很小的核里面，不是均匀分布在原子中，C错，所以选B、D.
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
解析阴极射线是由阴极直接发出的，故A错误；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；阴极射线是真空玻璃管内由阴极发出的射线，C正确．
答案CD
归纳总结
阴极射线的实质是带负电的电子流，电子在电场(或磁场)中运动时所受的电场力(或洛伦兹力)远大于其自身的重力，故研究阴极射线在电磁场中的运动时，除题目特别说明外，一般不考虑重力的影响．
二、带电粒子比荷的测定
例2电子的比荷最早由美国科学家密立根通过油滴实验测出，如图2所示，两块水平放置的平行金属板上、下极板与电源正负极相接，上、下极板分别带正、负电荷，油滴从喷雾器喷
出后，由于摩擦而起电，油滴进入上极板中央小孔后落到匀强电场中，通过显微镜可以观察到油滴的运动，两金属板间距为d ，不计空气阻力和浮力．
图2
(1)调节两板的电势差u ，当u ＝U 0时，使得某个质量为m 1的油滴恰好做匀速直线运动，求油滴所带的电荷量q 为多少？
(2)若油滴进入电场时的速度可以忽略，当两金属板间的电势差u ＝U 时，观察到某个质量为m 2的油滴进入电场后做匀加速运动时，经过时间t 运动到下极板，求此油滴的电荷量Q .
解析 (1)油滴匀速下落过程受到的电场力和重力平衡，由平衡条件得：q U 0d ＝m 1g ，得q ＝m 1g d U 0
. (2)油滴加速下落，其所带电荷量为Q ，因油滴带负电，则油滴所受的电场力方向向上，设此
时的加速度的大小为a ，由牛顿第二定律和运动学公式得：m 2g －Q U d ＝m 2a ，d ＝12
at 2，解得Q ＝m 2d U (g －2d t 2)． 答案 (1)m 1gd U 0 (2)m 2d U (g －2d t 2) 归纳总结
解决带电粒子在电场中运动的三个步骤
(1)确定研究对象，并根据题意判断是否可以忽略带电粒子的重力．在本题中，油滴是个实物粒子，受重力较大，且题目中强调其在电场中能做匀速直线运动，不能忽略其重力；
(2)对研究对象进行受力分析，必要时要画出力的示意图；
(3)选用恰当的物理规律列方程求解．
三、对α粒子散射实验的理解
例3 如图3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3
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
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．
答案 C
规律总结
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”α粒子的运动情况及原因．
针对训练卢瑟福利用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．
四、原子的核式结构分析
例4(多选)下列对原子结构的认识中，正确的是()
A．原子中绝大部分是空的，原子核很小
B．电子在核外运动，库仑力提供向心力
C．原子的全部正电荷都集中在原子核里
D．原子核的直径大约为10－10 m
解析卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核直径的数量级为10－15 m，原子直径的数量级为10－10 m，原子直径是原子核直径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以A、B、C正确，D错误．
答案ABC
归纳总结
1．原子核在原子中体积非常小．原子直径的数量级是10－10m，原子核直径的数量级是10－15 m. 2．掌握原子核的组成及特点.
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
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．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．
2．(多选)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()
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．
一、选择题(1～9为单选题，10为多选题)
1．历史上第一个发现电子的科学家是()
A．贝可勒尔B．道尔顿
C．伦琴D．汤姆孙
答案 D
解析贝可勒尔发现了天然放射现象，道尔顿提出了原子论，伦琴发现了X射线，汤姆孙发现了电子．
2．关于阴极射线，下列说法正确的是()
A．阴极射线就是很微弱的荧光
B．阴极射线是在真空管内由正极放出的电子流
C．阴极射线的比荷比氢原子的比荷大
D．阴极射线的比荷比氢原子的比荷小
答案 C
解析阴极射线是真空管中由阴极发出的电子流，故A、B错；阴极射线本质是电子流，故其比荷比氢原子比荷大得多，故C正确，D错误．
3．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1所示．若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为()
图1
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
答案 C
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，磁场方向应为垂直于纸面向外，故选项C正确．
4．阴极射线管中的高电压的作用是()
A．使管内气体电离
B．使管内产生阴极射线
C．使管内障碍物的电势升高
D．使电子加速
答案 D
5．α粒子散射实验中，使α粒子散射的原因是()
A．α粒子与原子核外电子碰撞
B．α粒子与原子核发生接触碰撞
C．α粒子发生明显衍射
D．α粒子与原子核的库仑斥力的作用
答案 D
解析α粒子与原子核外的电子的作用是很微弱的，A错误．由于原子核的质量和电荷量很大，α粒子与原子核很近时，库仑斥力很强，足以使α粒子发生大角度偏转甚至反向弹回，使α粒子散射的原因是库仑斥力的作用，B、C错误，D正确．
6．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，电子是均匀分布的
C．α粒子和电子碰撞损失的能量极少，可忽略不计
D．电子很小，α粒子碰撞不到电子
答案 C
解析在α粒子散射实验中，电子与α粒子存在相互作用，A错；电子质量只有α粒子的1
7 300，电子与α粒子碰撞后，电子对α粒子的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可忽略不计，C正确，B、D错误．
7．卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用α粒子轰击金箔，实验中发现α粒子() A．全部穿过或发生很小偏转
B．绝大多数穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回
C．绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过
D．全部发生很大偏转
答案 B
解析卢瑟福的α粒子散射实验结果是绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，故选项A错误．α粒子被散射时只有少数发生了较大角度偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，故选项B正确，C、D错误．
8．如图所示为卢瑟福α粒子散射实验的原子核和两个α粒子的轨迹，其中可能正确的是()
答案 A
解析在α粒子散射实验中，α粒子十分接近原子核穿过时，受到很大的库仑力作用，偏转角度很大，可知只有A项正确．
9．卢瑟福和他的助手做α粒子轰击金箔实验，获得了重大发现．关于α粒子散射实验的结果，下列说法正确的是()
A．证明了质子的存在
B．证明了原子核是由质子和中子组成的
C．证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．证明了原子中的电子只能在某些轨道上运动
答案 C
解析α粒子散射实验发现了原子内存在一个集中了全部正电荷和几乎全部质量的核，数年后卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子，所以C正确，A、B错误．玻尔发现了电子轨道量子化，D错误．
10．下列说法中正确的是()
A．汤姆孙精确地测出了电子电荷量e＝1.602 177 33(49)×10－19 C
B．电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的
C．汤姆孙油滴实验更重要的发现是：电荷量是量子化的，即任何电荷量只能是e的整数倍D．通过实验测出电子的比荷和电子电荷量e的值，就可以确定电子的质量
答案BD
解析电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的，A、C错误，B正确；测出比荷的值e
m和电子电荷量e的值，可以确定电子的质量，故D正确．
二、非选择题
11．密立根油滴实验进一步证实了电子的存在，揭示了电荷的非连续性．如图2所示是密立根油滴实验的原理示意图，设小油滴的质量为m，调节两极板间的电势差U，当小油滴悬浮不动时，测出两极板间的距离为d.则可求出小油滴的电荷量q＝________.
图2
答案mgd U
解析由平衡条件得mg＝q U
d，解得q＝
mgd
U.
12．电子所带电荷量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的．他测定了数千个带电油滴的电荷量，发现这些电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍．这个最小电荷量就是电子所带的电荷量．密立根实验的原理图如图3所示，A、B是两块平行放置的水平金属板，A板带正电，B板带负电．从喷雾器嘴喷出的小油滴，落到A、B两板之间的电场中．小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可使小油滴受到的电场力和重力平衡．已知小油滴静止处的电场强度是 1.92×105N/C，油滴半径是1.64×10－4cm，油的密度是0.851 g/cm3，求油滴所带的电荷量．这个电荷量是电子电荷量的多少倍？(g取9.8 m/s2)
图3
答案 8.02×10－19 C 5
解析 小油滴质量m ＝ρV ＝ρ·43
πr 3① 由题意知mg ＝qE ②
由①②两式可得q ＝ρ·4πr 3g 3E
＝0.851×103 ×4π×(1.64×10－
6)3×9.83×1.92×105 C ≈8.02×10－19 C
q e ＝8.02×10－
191.6×10－19≈5 因此小油滴所带电荷量q 是电子电荷量e 的5倍．。