2019-2020學(xué)年高中物理 第2章 2 原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)案 教科版選修3-5

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1、2.原子的核式結(jié)構(gòu)模型 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解α粒子散射實(shí)驗器材、實(shí)驗原理和實(shí)驗現(xiàn)象．(重點(diǎn))2.知道盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容．(重點(diǎn)、難點(diǎn))3.了解盧瑟福的實(shí)驗和科學(xué)方法，培養(yǎng)抽象思維能力．(重點(diǎn))4.知道經(jīng)典理論無法解釋原子的穩(wěn)定性和電磁波頻譜的分立特征． 一、α粒子散射實(shí)驗 1．湯姆孫原子模型 1904年，J.J.湯姆孫提出了影響較大的“棗糕模型”，假想正電荷構(gòu)成一個密度均勻的球體，電子“浸浮”其中，并分布在一些特定的同心圓環(huán)或球殼上． 2．α粒子散射實(shí)驗 (1)實(shí)驗裝置：α粒子源、金箔、可移動探測器． (2)實(shí)驗現(xiàn)象 ①絕大多數(shù)的α粒子穿過金箔后仍沿原

2、來的方向前進(jìn)． ②少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)． ③極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角大于90°，甚至有極個別α粒子被反彈回來． (3)實(shí)驗意義：盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗，否定了湯姆孫的原子模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型． 二、核式結(jié)構(gòu)模型及與經(jīng)典理論的矛盾 1．核式結(jié)構(gòu)模型 盧瑟福提出的新的原子結(jié)構(gòu)模型，在原子中間有一個體積很小、帶正電荷的核，而電子在核外繞核運(yùn)動，這種結(jié)構(gòu)稱為原子的“核式結(jié)構(gòu)模型”． 2．原子核的電荷與尺度 3．原子的核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典理論的矛盾 用經(jīng)典電磁理論在解釋原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和電磁波譜的分立特征時遇到了困難． 1．正誤判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”

3、) (1)盧瑟福為了證實(shí)湯姆孫原子模型的正確性進(jìn)行了α粒子散射實(shí)驗． (√) (2)α粒子散射實(shí)驗中大多數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)或反彈． (×) (3)盧瑟福否定了湯姆孫模型，建立了原子核式結(jié)構(gòu)模型． (√) (4)原子的質(zhì)量幾乎全部集中在原子核上． (√) (5)原子中所有正電荷都集中在原子核內(nèi)． (√) (6)核電荷數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，也等于中子數(shù)． (×) 2．(多選)由α粒子的散射實(shí)驗可以得出的正確結(jié)論有(　　) 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 ABD　[盧瑟福由α粒子散射實(shí)驗得

4、到的結(jié)論有：在原子中心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(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，帶負(fù)電的電子在核外的空間運(yùn)動．] 3．(多選)關(guān)于原子的核式結(jié)構(gòu)模型，下列說法正確的是(　　) A．原子中絕大部分是“空”的，原子核很小 B．電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)的向心力是原子核對它的庫侖力 C．原子的全部電荷和質(zhì)量都集中在原子核里 D．原子核的直徑的數(shù)量級是10－10 m AB　[因為原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，而原子核又很小，所以原子內(nèi)絕大部分區(qū)域是“空”的，A正確，C錯誤；電子繞原子核做圓周運(yùn)動時，原子核與電子間的庫侖引力提供向心力，B正確；原子核直徑的數(shù)量級是10

5、－15 m，原子直徑的數(shù)量級是10－10 m，D錯誤．] 對α粒子散射實(shí)驗現(xiàn)象的分析 1．實(shí)驗背景 α粒子散射實(shí)驗是盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生做的一個著名的物理實(shí)驗，實(shí)驗的目的是想驗證湯姆孫原子模型的正確性，實(shí)驗結(jié)果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)．在此基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型． 2．裝置 放射源、金箔、可移動探測器等，如圖所示． 3．大角度偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗現(xiàn)象分析 (1)由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于α粒子質(zhì)量，所以電子不可能使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)． (2)使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)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

6、原子時，它受到的兩側(cè)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(zhuǎn)，更不能使α粒子反向彈回，這與α粒子散射實(shí)驗相矛盾． (3)實(shí)驗現(xiàn)象表明原子絕大部分是空的，原子的幾乎全部質(zhì)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． 4．原子的核式結(jié)構(gòu)模型對α粒子散射實(shí)驗結(jié)果的解釋 (1)當(dāng)α粒子穿過原子時，如果離核較遠(yuǎn)，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(yùn)動方向改變很?。驗樵雍撕苄?，所以絕大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)． (2)只有當(dāng)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(zhuǎn)，而這種機(jī)會很少，所以有少數(shù)粒子

7、發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)． (3)如果α粒子正對著原子核射來，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°，這種機(jī)會極少，如圖所示，所以極少數(shù)粒子的偏轉(zhuǎn)角度甚至大于90°. 【例1】　(多選)如圖所示為盧瑟福和他的同事們做α粒子散射實(shí)驗的裝置示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中A、B、C、D四個位置時觀察到的現(xiàn)象，下述說法中正確的是(　　) A．放在A位置時，相同時間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多 B．放在B位置時，相同時間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)只比A位置稍少些 C．放在B位置時，相同時間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)要比A位置少很多 D．放在C、D位置時，屏上觀察不到閃光 AC　[在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗中，

8、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(jìn)，故A正確；少數(shù)α粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過90°，極個別α粒子被反射回來，故B、D錯誤，C正確．] (1)分析α粒子散射實(shí)驗中的現(xiàn)象時，應(yīng)注意是“絕大多數(shù)”“少數(shù)”還是“極少數(shù)”粒子的行為．“大角度偏轉(zhuǎn)”只是少數(shù)粒子的行為． (2)α粒子散射實(shí)驗是得出原子核式結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗基礎(chǔ)，對實(shí)驗現(xiàn)象的分析是建立盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的關(guān)鍵．通過對α粒子散射實(shí)驗這一宏觀探測，間接地構(gòu)建出原子結(jié)構(gòu)的微觀圖景． 1．盧瑟福利用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗研究原子結(jié)構(gòu)，正確反映實(shí)驗結(jié)果的示意圖是(　　) A　　　　B　　 　　C

9、　　　D D　[原子的中心是體積很小的原子核，原子的絕大部分質(zhì)量和全部正電荷都集中在原子核上，當(dāng)α粒子接近原子核的時候，就會發(fā)生大角度散射，甚至被彈回．所以D選項正確．] 　 原子的核式結(jié)構(gòu)模型及與經(jīng)典理論的矛盾 1．原子的核式結(jié)構(gòu)與原子的棗糕模型的區(qū)別 核式結(jié)構(gòu) 棗糕模型 分布情況 原子內(nèi)部是非?？諘绲模姾杉性谝粋€很小的核里，電子繞核高速旋轉(zhuǎn) 原子是充滿了正電荷的球體，電子均勻嵌在原子球體內(nèi) 受力情況 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(yuǎn)的α粒子受到的庫侖力較小 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 偏轉(zhuǎn)情況 絕大多數(shù)

10、α粒子運(yùn)動方向不變，少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過90°，有的甚至被彈回 不會發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，更不會被彈回 分析情況 符合α粒子散射現(xiàn)象 不符合α粒子散射現(xiàn)象 [特別提醒]　盧瑟福把原子的結(jié)構(gòu)跟太陽系比較，他認(rèn)為帶正電的原子核像太陽，帶負(fù)電的電子像繞著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的行星．在這個“太陽系”中，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力．因而這個模型又被稱為“行星模型”．這是科學(xué)家利用類比方法的又一佐證． 2．原子核的電荷與尺度 [特別提醒]　原子很小，原子核更小，如果將原子比作足球場，那么原子核僅相當(dāng)于一只螞蟻大?。? 【例2】　在α粒子散射實(shí)驗中，根據(jù)α粒子

11、與原子核發(fā)生對心碰撞時能達(dá)到的最小距離可以估算原子核的大小．現(xiàn)在一個α粒子以2.0×107 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(diǎn)電荷電場中的電勢能表達(dá)式為Ep＝k，r為距點(diǎn)電荷的距離．α粒子質(zhì)量為6.64×10－27 kg)． [思路點(diǎn)撥]　(1)α粒子的運(yùn)動方向沿α粒子和金原子核的連線． (2)當(dāng)α粒子的動能減為零時，電勢能最大，離原子核最近． (3)原子核的大小應(yīng)比最近距離小一些． [解析]　當(dāng)α粒子靠近原子核運(yùn)動時，α粒子的動能轉(zhuǎn)化為電勢能，達(dá)到最近距離時，動能全部轉(zhuǎn)化為電勢能，所以α粒子與原子核發(fā)生對心碰撞時所能達(dá)到

12、的最小距離為d，則mv2＝k， 則d＝＝ m＝ 2．7×10－14 m. [答案]　2.7×10－14 m 分析α粒子散射實(shí)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(shí)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(guān)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(dāng)于正點(diǎn)電荷的電場，注意應(yīng)用其電場線和等勢面的特點(diǎn)． 2．如圖所示，根據(jù)α粒子散射實(shí)驗，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型．圖中虛線表示原子核所形成的電場的等勢線，

13、實(shí)線表示一個α粒子的運(yùn)動軌跡．在α粒子從a運(yùn)動到b，再運(yùn)動到c的過程中，下列說法中正確的是(　　) A．動能先增大，后減小 B．電勢能先減小，后增大 C．電場力先做負(fù)功，后做正功，總功等于零 D．加速度先變小，后變大 C　[根據(jù)盧瑟福提出的核式結(jié)構(gòu)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(diǎn)電荷電場類似．α粒子從a運(yùn)動到b，電場力做負(fù)功，動能減小，電勢能增大；從b運(yùn)動到c，電場力做正功，動能增大，電勢能減小；a、c在同一條等勢線上，則電場力做的總功等于零，C正確，A、B錯誤；a、b、c三點(diǎn)的場強(qiáng)大小關(guān)系Ea＝Ec＜Eb，故α粒子的加速度先變大，后變小，D

14、錯誤．] 課 堂 小 結(jié) 知 識 網(wǎng) 絡(luò) 1.湯姆孫原子結(jié)構(gòu)模型. 2.α粒子散射實(shí)驗及實(shí)驗現(xiàn)象分析. 3.原子核式結(jié)構(gòu)模型及與經(jīng)典電磁理論的矛盾. 1．(多選)關(guān)于原子核式結(jié)構(gòu)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 BC　[原子的核式結(jié)構(gòu)模型是在α粒子的散射實(shí)驗結(jié)果的基礎(chǔ)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．] 2．X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它們

15、入射時的動能相同，其偏轉(zhuǎn)軌道可能是下圖中的(　　) D　[α粒子離金核越遠(yuǎn)其所受斥力越小，軌道彎曲程度就越小，故選項D正確．] 3．(多選)以下論斷中正確的是(　　) A．按經(jīng)典電磁理論，核外電子受原子核庫侖引力，不能靜止，只能繞核運(yùn)轉(zhuǎn)，電子繞核加速運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷地向外輻射電磁波 B．按經(jīng)典理論，繞核運(yùn)轉(zhuǎn)的電子不斷向外輻射能量，電子將逐漸接近原子核，最后落入原子核內(nèi) C．按照盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)理論，原子核外電子繞核旋轉(zhuǎn)，原子是不穩(wěn)定的，說明該理論不正確 D．經(jīng)典電磁理論可以很好地應(yīng)用于宏觀物體，也能用于解釋原子世界的現(xiàn)象 AB　[盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)沒有問題，主要問題出在經(jīng)典電磁理論不能用來解釋原子世界的現(xiàn)象，故A、B正確，C、D錯誤．] 4．1911年盧瑟福依據(jù)α粒子散射實(shí)驗中α粒子發(fā)生了________(填“大”或“小”)角度散射現(xiàn)象，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型．若用動能為1 MeV的α粒子轟擊金箔，其速度約為________m/s.(質(zhì)子和中子的質(zhì)量均為1.67×10－27 kg，1 MeV＝106 eV) [解析]　設(shè)α粒子的速度為v，Ek＝mv2，v＝＝ m/s≈6.9×106 m/s. [答案]　大　6.9×106 - 8 -