高中物理 第2章 原子結構 第2節(jié) 原子的核式結構模型教師用書 魯科版選修3-5

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第2節(jié)　原子的核式結構模型 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.知道α粒子散射實驗的原理和實驗結果．(重點) 2．知道原子的核式結構模型．(重點、難點) α 粒 子 散 射 實 驗 [先填空] 1．實驗目的 α粒子通過金箔時，用這些已知的粒子與金屬內(nèi)的原子相互作用，根據(jù)粒子的偏轉情況來獲得原子內(nèi)部的信息． 2．實驗方法 用由放射源發(fā)射的α粒子束轟擊金箔，利用熒光屏接收，探測通過金箔后的α粒子偏轉情況． 3．實驗結果 絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進，但是有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉，有極少數(shù)α粒子偏轉角超過了90，有的甚至被原路彈回，α粒子被反射回來的概率竟然有1/8_000. [再判斷] 1．α粒子散射實驗主要實驗器材有：放射源、金箔、熒光屏、顯微鏡．(√) 2．金箔的厚薄對實驗無影響．() 3．α粒子大角度的偏轉是電子造成的．() [后思考] 盧瑟福為何選用α粒子去轟擊金箔？ 【提示】　因為當時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了α射線和β射線，并且，組成α射線的α粒子是具有很大動能的帶電粒子，適合做轟擊金屬的“炮彈”．另外，金具有較大的密度和很好的延展性，能夠做成很薄的箔片． [核心點擊] 1．實驗背景：α粒子散射實驗是盧瑟福指導他的學生做的一個著名的物理實驗，實驗的目的是想驗證湯姆孫原子模型的正確性，實驗結果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)．在此基礎上，盧瑟福提出了原子核式結構模型． 2．否定湯姆孫的原子結構模型 (1)質量遠小于原子的電子，對α粒子的運動影響完全可以忽略，不應該發(fā)生大角度偏轉． (2)α粒子在穿過原子時，受到各方向正電荷的斥力基本上會相互平衡，對α粒子運動方向的影響不會很大，也不應該發(fā)生大角度偏轉． (3)α粒子的大角度偏轉，否定湯姆孫的原子結構模型． 3．大角度偏轉的實驗現(xiàn)象分析 (1)由于電子質量遠小于α粒子質量，所以電子不可能使α粒子發(fā)生大角度偏轉． (2)使α粒子發(fā)生大角度偏轉的只能是原子中帶正電的部分．按照湯姆孫原子模型，正電荷在原子內(nèi)是均勻分布的，α粒子穿過原子時，它受到的兩側斥力大部分抵消，因而也不可能使α粒子發(fā)生大角度偏轉，更不能使α粒子反向彈回，這與α粒子散射實驗相矛盾． (3)實驗現(xiàn)象表明原子絕大部分是空的，原子的幾乎全部質量和所有正電荷都集中在原子中心的一個很小的核上，否則，α粒子大角度散射是不可能的． 1．關于α粒子散射實驗，下列說法正確的是(　　) A．該實驗在真空環(huán)境中進行 B．帶有熒光屏的顯微鏡可以在水平面內(nèi)的不同方向上移動 C．熒光屏上的閃光是散射的α粒子打在熒光屏上形成的 D．熒光屏只有正對α粒子源發(fā)出的射線方向上才有閃光 E．不用熒光屏也可用顯微鏡直接觀察α粒子散射情況 【解析】　本題考查α粒子散射實驗裝置及其作用，只有在正確理解α粒子散射實驗的基礎上，才能選出正確選項．對于D項，考慮到有少數(shù)的α粒子因為靠近金原子核，受到斥力而改變了運動方向，D錯誤，A、B、C正確；α粒子必須借助于熒光屏觀察，E錯誤． 【答案】　ABC 2．如圖221為盧瑟福所做的α粒子散射實驗裝置的示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個位置時，下列說法中正確的是(　　) 圖221 A．相同時間內(nèi)在A時觀察到屏上的閃光次數(shù)最多 B．相同時間內(nèi)在B時觀察到屏上的閃光次數(shù)比放在A時稍少些 C．放在D位置時屏上仍能觀察到一些閃光 D．放在C、D位置時屏上觀察不到閃光 E．放在C、D位置時屏上仍能觀察到一些閃光，只是在D處觀察到的閃光次數(shù)比在C處還要少． 【解析】　在盧瑟福α粒子散射實驗中，α粒子穿過金箔后，絕大多數(shù)α粒子仍沿原來的方向前進，故A正確．少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉，極少數(shù)α粒子偏轉角度大于90，極個別α粒子反彈回來，所以在B位置只能觀察到少數(shù)的閃光，在C、D兩位置能觀察到的閃光次數(shù)極少，故B、D錯誤，C、E正確． 【答案】　ACE 解決α粒子散射實驗問題的技巧 (1)熟記實驗裝置及原理． (2)核外電子不會使α粒子的速度發(fā)生明顯改變． (3)湯姆孫的原子模型不能解釋α粒子的大角度散射． (4)少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉，甚至反彈回來，表明這些α粒子在原子中的某個地方受到了質量、電荷量均比它本身大得多的物體的作用． (5)絕大多數(shù)α粒子在穿過厚厚的金原子層時運動方向沒有明顯變化，說明原子中絕大部分是空的，原子的質量、電荷量都集中在體積很小的核內(nèi)． 盧瑟福的原子模型及原子大小 [先填空] 1．核式結構模型 (1)原子的內(nèi)部有一個很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核內(nèi)，帶負電的電子繞核運動． (2)原子的核式結構模型又被稱為行星模型． 2．原子的大小 (1)原子直徑數(shù)量級：10－10 m. (2)原子核直徑數(shù)量級：10－15_m. [再判斷] (1)原子內(nèi)部正電荷是均勻分布的．() (2)原子的質量是均勻分布的．() (3)原子的幾乎全部質量都集中在原子核內(nèi)．(√) [后思考] 盧瑟福的原子模型是如何解釋α粒子散射實驗結果的？ 【提示】　α粒子穿過原子時，如果離核較遠，受到的庫侖斥力很小，運動方向也改變很?。挥挟敠亮Ｗ邮纸咏藭r，才受到很大的庫侖斥力，發(fā)生大角度的偏轉．由于核很小，α粒子十分接近的機會很小，所以絕大多數(shù)α粒子基本上仍沿原方向前進，只有極少數(shù)發(fā)生大角度偏轉． [核心點擊] 1．湯姆孫的原子結構模型與盧瑟福的原子核式結構對比 湯姆孫的葡萄 干面包模型 盧瑟福的原 子核式模型 分布 情況 正電荷和質量均勻分布，負電荷鑲嵌在其中 正電荷和幾乎全部質量集中在原子中心的一個極小核內(nèi)，電子質量很小，分布在很大空間內(nèi) 受力 情況 α粒子在原子內(nèi)部時，受到的庫侖斥力相互抵消，幾乎為零 少數(shù)靠近原子核的α粒子受到的庫侖力大，而大多數(shù)離核較遠的α粒子受到的庫侖力較小 偏轉 情況 不會發(fā)生大角度偏轉，更不會被彈回 絕大多數(shù)α粒子運動方向不變，少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉，極少數(shù)α粒子偏轉角度超過90，有的甚至被彈回 分析 結論 不符合α粒子散射現(xiàn)象 符合α粒子散射現(xiàn)象 2.原子的核式結構模型對α粒子散射實驗結果的解釋： (1)當α粒子穿過原子時，如果離核較遠，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿過“一片空地”一樣，無遮無擋，運動方向改變很?。驗樵雍撕苄。越^大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉． (2)只有當α粒子十分接近原子核穿過時，才受到很大的庫侖力作用，發(fā)生大角度偏轉，而這種機會很少，所以有少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉． (3)如果α粒子正對著原子核射來，偏轉角幾乎達到180，這種機會極少，如圖222所示，所以極少數(shù)粒子的偏轉角度甚至大于90. 圖222 3．關于原子核式結構理論說法正確的是(　　) A．是通過發(fā)現(xiàn)電子現(xiàn)象得出來的 B．是通過α粒子散射現(xiàn)象得出來的 C．原子的中心有個核，叫作原子核 D．原子的正電荷均勻分布在整個原子中 E．原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外旋轉 【解析】　原子的核式結構模型是在α粒子的散射實驗結果的基礎上提出的，A錯誤，B正確．原子中絕大部分是空的，帶正電的部分集中在原子中心一個很小的范圍，稱為原子核，C正確，D錯誤．原子核集中了原子全部正電荷和幾乎全部質量，帶負電的電子在核外旋轉，E正確． 【答案】　BCE 4.如圖223所示，根據(jù)α粒子散射實驗，盧瑟福提出了原子的核式結構模型．圖中虛線表示原子核所形成的電場的等勢線，實線表示一個α粒子的運動軌跡．在α粒子從a運動到b，再運動到c的過程中，下列說法中正確的是(　　) 【導學號：18850026】 圖223 A．動能先減小，后增大 B．電勢能先減小，后增大 C．電場力先做負功，后做正功，總功等于零 D．加速度先變小，后變大 E．α粒子在a點和c點的速度大小相等 【解析】　根據(jù)盧瑟福提出的核式結構模型，原子核集中了原子的全部正電荷，即原子核外的電場分布與正點電荷電場類似．α粒子從a運動到b，電場力做負功，動能減小，電勢能增大；從b運動到c，電場力做正功，動能增大，電勢能減??；a、c在同一條等勢線上，則電場力做的總功等于零，A、C、E正確，B錯誤；a、b、c三點的場強大小關系Ea＝Ec＜Eb，故α粒子的加速度先變大，后變小，D錯誤． 【答案】　ACE 5．在α粒子散射實驗中，根據(jù)α粒子與原子核發(fā)生對心碰撞時能達到的最小距離可以估算原子核的大?。F(xiàn)有一個α粒子以2.0107 m/s的速度去轟擊金箔，若金原子的核電荷數(shù)為79.求α粒子與金原子核間的最近距離(已知帶電粒子在點電荷電場中的電勢能表達式為Ep＝k，r為距點電荷的距離．α粒子質量為6.6410－27 kg)． 【解析】　當α粒子靠近原子核運動時，α粒子的動能轉化為電勢能，達到最近距離時，動能全部轉化為電勢能，設α粒子與原子核發(fā)生對心碰撞時所能達到的最小距離為d，則mv2＝k. d＝＝ m ＝2.710－14 m. 【答案】　2.710－14 m 分析α粒子散射實驗中的力電問題常用的規(guī)律 (1)庫侖定律：F＝k，用來分析α粒子和原子核間的相互作用力． (2)牛頓第二定律：該實驗中α粒子只受庫侖力，可根據(jù)庫侖力的變化分析加速度的變化． (3)功能關系：根據(jù)庫侖力做功，可分析動能的變化，也能分析電勢能的變化． (4)原子核帶正電，其周圍的電場相當于正點電荷的電場，注意應用其電場線和等勢面的特點．