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第十八章原子结构〔情景切入〕世界是物质的。物质是绚丽多彩的：火红的太阳，蔚蓝的大海。还有一些物质是肉眼无法感知到的。物质是有结构的，组成物质的原子可以再分吗？它有什么样的结构呢？道尔顿、汤姆孙、卢瑟福、玻尔等物理学家心目中的原子是什么样的呢？学了本章内容，你就能回答以上问题了。〔知识导航〕本章内容以人们认识微观世界的过程为线索，介绍了历史上著名的实验及根据实验得出的关于电子的发现、原子结构、原子光谱和激光的产生的基础知识。本章内容可分为二个单元：第一单元(第1～2节)主要介绍了电子及原子结构的发现、发展过程。第二单元(第3～4节)主要讲了氢原子光谱的实验规律及玻尔理论。本章的重点是原子的核式结构及氢原子的能级跃迁。本章的难点是人类研究微观世界的方法、原子的能级跃迁。〔学法指导〕1．学习本章时要注意沿着历史的足迹，了解和认识人类发现电子、原子结构探索的过程，体会科学家研究问题的方法精髓：大胆猜想，设计实验检验的科学思维方法，了解原子结构理论在现代科学技术中的应用。2．要理解α粒子散射实验，对α粒子散射实验的实验装置、怎样观察实验现象都要十分清楚。可采用逆向思维，结合原子的核式结构模型来加深理解实验中绝大多数α粒子不发生偏转，少数α粒子发生较大角度偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°的原因。3．卢瑟福的核式结构模型与玻尔原子模型是两个重要的原子模型，知道它们的相同点在于带正电的核处在圆心上，电子绕核做经典的圆周运动。不同点是玻尔引入了量子化，认为电子的轨道半径和能量值是不连续的。4．结合能级图深刻理解氢原子能级跃迁问题，知道原子跃迁的条件是光子能量符合两个轨道之间的能量差。知道电离是一种特殊的跃迁。会结合能级图计算氢原子跃迁时释放或吸收光子的频率。第一节电子的发现素养目标定位※了解电子发现的过程及辉光放电现象※知道电子的概念及电子的电荷的数值及质量※体验科学思想、方法的重要性和科学家的崇高科学精神素养思维脉络1课前预习反馈2课内互动探究3核心素养提升4课内课堂达标5课后课时作业课前预习反馈1．演示实验如图所示，真空玻璃管中K是金属板制成的________，接感应线圈的负极，A是金属环制成的________，接感应线圈的正极，接通电源后，感应线圈产生的__________的高电压加在两个电极之间。可观察管端玻璃壁上亮度的变化。知识点1阴极射线阴极阳极近万伏2．实验现象德国物理学家普吕克尔在类似的实验中看到玻璃壁上______________及管中物体在玻璃壁上的______。3．阴极射线荧光是由于玻璃受到________发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线被命名为____________。淡淡的荧光影阴极阴极射线1．汤姆孙的探究方法(1)让阴极射线分别通过电场或磁场，根据偏转现象，证明它是__________的粒子流并求出了其比荷。(2)换用不同的阴极做实验，所得________的数值都相同，是氢离子比荷的近________倍。证明这种粒子是构成各种物质的共同成分。(3)进一步研究新现象，不论是由于正离子的轰击，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____________——电子。由此可见，电子是原子的____________，是比原子更________的物质单元。知识点2电子的发现带负电比荷两千带电粒子组成部分基本2．密立根“油滴实验”(1)精确测定______________。(2)电荷是__________的。3．电子的有关常量电子的电量：e＝______________C根据比荷，计算出电子的质量为m＝____________kg质子质量与电子质量的比值为mpme＝__________电子电荷量量子化1.602×10－199.1×10－3118364．电子发现的重大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____________的传统观念，使人们认识到原子不是组成物质的________微粒，原子本身也有内部________。从此，原子物理学飞速发展，人们对物质结构的认识进入了一个新时代。不可再分最小结构『判一判』(1)阴极射线本质是氢原子。()(2)阴极射线本质是电磁波。()(3)物体的带电荷量可以是任意值。()(4)物体带电荷量的最小值为1.6×10－19C。()(5)阴极射线在真空中沿直线传播。()思考辨析×××√√『选一选』(多选)1897年英国物理学家汤姆孙发现了电子并被称为“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．汤姆孙通过光电效应的研究，发现了电子C．电子的质量是质子质量的1836倍D．汤姆孙通过对不同材料做阴极发出的射线研究，并研究光电效应等现象，说明电子是原子的组成部分，是比原子更小的基本的物质单元解析：汤姆孙和他的学生测出阴极射线的电荷及比荷。AD『想一想』如图所示为汤姆孙的气体放电管。(1)在金属板D1、D2之间加上如图所示的电场时，发现阴极射线向下偏转，说明它带什么性质的电荷？(2)在金属板D1、D2之间单独加哪个方向的磁场，可以让阴极射线向上偏转？答案：(1)带负电(2)垂直纸面向外解析：(1)阴极射线在电场中向下偏转，说明射线带负电。(2)要使带负电的阴极射线向上偏转，根据左手定则可知，需加垂直纸面向外的磁场。课内互动探究探究一对阴极射线的理解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？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。11．现象：真空玻璃管两极加上高电压，玻璃管壁上发出荧光及管中物体在玻璃壁上的影。2．命名：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．验证：英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转，发现阴极射线带负电并测出了粒子的比荷，从而发现了电子。5．实验：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。(2018·上海交大附中高二检测)如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线将()A．向纸内偏转B．向纸外偏转C．向下偏转D．向上偏转解题指导：阴极射线的本质是电子流。D典例1解析：通电直导线的电流方向向左，由安培定则可判断导线下方的磁场垂直于纸面向外，组成阴极射线的粒子是电子，电子向右运动，由左手定则可知电子向上偏转。故选D。〔对点训练1〕(多选)(2019·上海市格致中学高二下学期检测)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，选项A正确。由于电子带负电，所以其受力情况与正电荷不同，选项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，选项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，最早测量电子电荷量的是美国科学家密立根，选项D正确。AD探究二电子比荷的测定方法带电粒子的比荷有哪些测定方法？提示：两种方法——电偏转、磁偏转2根据电场、磁场对电子(带电粒子)的偏转测量比荷(1)让粒子通过正交的电磁场(如图)，让其做直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到粒子的运动速度v＝EB。(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场，保留磁场让粒子在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力即Bqv＝mv2r，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r，得qm＝vBr＝EB2r(3)当电子在匀强电场中偏转时，y＝12at2＝qUL22mv20d，测出电场中的偏转量也可以确定比荷。如图所示，是对光电管产生的光电子进行荷质比测定的原理图。两块平行金属板间距为d，其中N为锌板，受紫外光照射后将激发出沿不同方向运动的光电子，开关S闭合，电流表A有读数，若调节变阻器R，逐渐增大极板间的电压，A表读数逐渐减小，当电压表示数为U时，A表读数恰好为零；断开S，在MN间加上垂直纸面的匀强磁场，当磁感应强度为B时，A表读数也恰好为零。求光电子的比荷e/m的表达式。典例2解题指导：(1)当电压表示数为U时，电流恰好为零，所以光电子的最大初动能为Ek＝12mv2＝eU；(2)断开开关，当磁感应强度为B时，电流恰好为零，所以当磁感应强度为B时，具有最大初动能的电子做圆周运动的直径刚好为两块平行板的间距d。答案：8UB2d2解析：由题意得eU＝12mv2①evB＝mv2R②R＝d2③由①②③得em＝8UB2d2。〔对点训练2〕如图所示，电子以初速度v0从O点进入长为l、板间距离为d、电势差为U的平行板电容器中，出电场时打在屏上P点，经测量O′P距离为Y0，求电子的比荷。答案：2dY0v20Ul2解析：由于电子在电场中做类平抛运动，沿电场线方向做初速度为零的匀加速直线运动，满足Y0＝12at2＝12eUdm(lv0)2＝eUl22dmv20则em＝2dY0v20Ul2核心素养提升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。电子电荷量的测定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＝mgE。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倍，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。案例如图，在A板上方用喷雾器将细油滴喷出，若干油滴从板上的一个小孔中落下，喷出的油滴因摩擦而带负电。已知两板间电压为U，间距为d时，油滴恰好静止。撤去电场后油滴徐徐下落，最后测出油滴以速度v匀速运动，已知空气阻力正比于速度：f＝kv，则油滴所带的电荷量q＝______。kvE某次实验得q的测量值见下表(单位：10－19C)分析这些数据可知：____________________________________________________________________________。解析：mg－Eq＝0，mg－kv＝0，解得q＝kv/E。油滴的带电荷量是1.6×10－19C的整数倍，故电荷的最小电荷量为1.6×10－19C。6.418.019.6511.2312.83油滴的带电荷量是1.6×10－19C的整数倍，故电荷的最小电荷量为1.6×10－19C