【小初高学习]2017-2018学年高中物理 第3章 原子世界探秘 3.1 电子的发现及其重大意义

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？

答案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．实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？

答案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．实验现象如何？

答案绝大多数的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．少数α粒子发生大角度散射的原因是什么？

答案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．α粒子散射实验的结果用汤姆生的“枣糕模型”无法解释．

[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，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

原子核—

⎪

⎪⎪⎪―→原子核电荷数等于核外电子数，非常接近原子序数.―

[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

图3

(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 ＝E B

.

图4

(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 v 2

r

，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r .

(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：q m ＝E

B 2r

. 2．利用电偏转测量

带电粒子在匀强电场中运动，偏转量y ＝12at 2＝12·qU md (L v )2，故q m ＝2ydv

2

UL

2，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