高中物理 第十八章 原子結構 2 原子的核式結構模型學案 新人教版選修3-5

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1、 2　原子的核式結構模型 1．湯姆孫的棗糕模型 (1)問題的提出：湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后，電中性的原子中正、負電荷如何分布。 (2)湯姆孫的原子模型：原子是一個球體，正電荷均勻分布在整個球內，電子鑲嵌其中。 (3)成功之處：能較好地解釋原子的發(fā)光現(xiàn)象——電子在小范圍內振動，產生電磁波。 (4)遇到的困難：電子很容易穿過原子；不能解釋α粒子的散射現(xiàn)象。 【例1】 關于原子結構，湯姆孫提出棗糕模型、盧瑟福提出核式模型，都采用了類比推理的方法。下列事實中，主要采用類比推理的是(　　) A．人們?yōu)楸阌谘芯课矬w的運動而建立的質點模型 B．伽利略從教堂吊燈的擺動中發(fā)現(xiàn)擺的等時性規(guī)律 C．

2、庫侖根據牛頓的萬有引力定律提出庫侖定律 D．托馬斯·楊通過雙縫干涉實驗證明光是一種波 解析：①質點→理想模型→研究物體的運動；②單擺等時性→自然現(xiàn)象的測定；③庫侖定律→庫侖類比萬有引力定律；④光的波動性→通過光的干涉、衍射→實驗證明。 答案：C 2．α粒子散射實驗 (1)實驗原理 原子的結構非常緊密，用一般的方法是無法探測它的內部結構的，要認識原子的結構，需要用高速粒子對它進行轟擊。而α粒子具有足夠的能量，可以接近原子中心。它還可以使熒光屏物質發(fā)光。如果α粒子與其他粒子發(fā)生相互作用，改變了運動方向，熒光屏就能夠顯示出它的方向變化。研究高速的α粒子穿過原子的散射情況，是研究原子結構的

3、有效手段。 (2)實驗裝置如圖所示 熒光屏可以沿著圖中虛線轉動，用來統(tǒng)計向不同方向散射的粒子數目。 (3)實驗結果：絕大多數α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進，但是有少數α粒子偏轉角度超過了90°，有的幾乎達到了180°，沿原路返回。 【例2】 如圖所示為盧瑟福和他的同事做α粒子散射實驗的裝置圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個位置，下列對觀察到的現(xiàn)象的描述，正確的是(　　) A．在A位置時，相同時間內觀察到屏上的閃光次數最多 B．在B位置時，相同時間內觀察到屏上的閃光次數只比在A位置時稍少些 C．在C、D位置時，屏上觀察不到閃光 D．在D位置時

4、，屏上仍能觀察到一些閃光，但次數極少 解析：因為絕大多數α粒子穿過金箔后仍然沿原來方向前進，在A位置時，相同時間內觀察到屏上的閃光次數最多，A選項正確；因為少數α粒子穿過金箔后發(fā)生了較大偏轉，在B位置時，相同時間內觀察到屏上的閃光次數比在A位置時要少得多，B選項錯誤；α粒子散射實驗中有極少數α粒子轉角超過90°，甚至接近180°，所以C選項錯誤，D選項正確。 答案：AD 說明：分析α粒子散射實驗中的現(xiàn)象時，應注意是“絕大多數”“少數”還是“極少數”粒子的行為?！按蠼嵌绕D”只是少數粒子的行為。 3．原子的核式結構模型 (1)湯姆孫原子模型與α粒子散射實驗結果的矛盾。 按照“棗糕”模

5、型，①碰撞前后，質量大的α粒子速度幾乎不變。只可能使電子的速度發(fā)生大的改變，因此不可能出現(xiàn)散射的現(xiàn)象，即使是非對心碰撞，也不會有大角度散射。 ②對于α粒子在原子附近時由于原子呈中性，與α粒子之間沒有或很小的庫侖力的作用，正電荷在原子內部均勻地分布，α粒子穿過原子時，由于原子兩側正電荷將對它的斥力有相當大一部分互相抵消，使α粒子偏轉的力不會很大，所以α粒子的大角度散射說明原子“棗糕”模型不符合原子結構的實際情況。 (2)實驗結果的分析、推理 實驗中發(fā)現(xiàn)極少數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，可見原子中的正電荷

6、、質量應都集中在一個中心上。 ①絕大多數α粒子不偏移→原子內部絕大部分是“空”的。 ②少數α粒子發(fā)生較大偏轉→原子內部有“核”存在。 ③極少數α粒子被彈回表明：作用力很大；質量很大；電荷量集中。 (3)原子的核式結構 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量都集中在這個核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉。 【例3】 英國物理學家盧瑟福用α粒子轟擊金箔，為了解釋實驗結果，他提出了原子的核式結構學說。如下圖所示，O表示金原子核的位置，曲線ab和cd分別表示經過金原子核附近的α粒子的運動軌跡，其中能正確反映實驗結果的是(　　) 解析： 答案：BD

7、 4．原子核的電荷與尺度 (1)原子核的電荷量：原子核的電荷數等于核外電子數，等于原子序數。 (2)原子核的大小 原子半徑在10－10 m左右；原子核半徑在10－15～10－14 m左右。核半徑相當原子半徑的萬分之一，體積相當于原子體積的萬億分之一。 (3)對比展示： 半徑大小(數量級) 類比 原子 10－10 m 立體的足球場 原子核 10－15～10－14m 一粒米 【例4】 下列對原子結構的認識中，正確的是(　　) A．原子中絕大部分是空的，原子核很小 B．電子在核外旋轉，庫侖力提供向心力 C．原子的全部正電荷都集中在原子核里 D．原子核的直徑大約是

8、10－10 m 解析：原子由位于原子中的帶正電的原子核和核外帶負電的電子構成，電子在核外繞核高速旋轉，庫侖力提供向心力，由此可判定B、C正確。根據α粒子散射實驗知，原子核半徑數量級為10－15 m，而原子半徑的數量級為10－10 m，故A正確，D錯誤。 答案：ABC 5．對α粒子散射實驗的理解 按照盧瑟福的核式結構學說，可以很容易地解釋粒子散射的實驗現(xiàn)象，如圖所示。 按照這個模型，由于原子核很小，大部分α粒子穿過金箔時都離核很遠，受到的斥力很小，所以它們的運動幾乎不受影響；只有少數α粒子從原子核附近飛過，明顯地受到原子核的庫侖斥力而發(fā)生大角度的偏轉。 【例5】 在α粒子散射

9、實驗中，當α粒子穿過金箔時，下列理解正確的是(　　) A．與金原子核相距較遠的α粒子，可能發(fā)生大角度偏轉 B．與金原子核相距較近的α粒子，可能發(fā)生大角度偏轉 C．α粒子與金原子核距離最近時，系統(tǒng)的能量最小 D．α粒子與金原子核距離最近時，系統(tǒng)的電勢能最大 解析：對α粒子散射實驗，盧瑟福的核式結構學說作出了圓滿的解釋，并推算出了原子核的線度在10－14 m以下，只相當于原子半徑的萬分之一。α粒子穿過金箔時，只有少數α粒子可能離核較近，金原子核對α粒子的庫侖力較大，使α粒子發(fā)生大角度偏轉。故A錯，B對。 α粒子與金原子核之間是庫侖斥力，在α粒子向金原子核靠近時，要克服庫侖力做功，α粒子

10、的動能減少，電勢能增加；在α粒子遠離金原子核時，庫侖力對α粒子做正功，α粒子的動能增加，電勢能減少。α粒子與金原子核組成的系統(tǒng)總能量不變。它們距離最近時，系統(tǒng)的電勢能最大。故C錯，D對。 答案：BD 6．α粒子散射實驗中的能量轉化問題的求解方法 (1)α粒子的受力特點 α粒子與原子核間的作用力是庫侖斥力，大?。篎＝。 ①式中Q為原子核的電荷量。q為α粒子所帶電量，r為α粒子與原子核間的距離。 ②α粒子離原子核越近，庫侖力越大；運動加速度越大，反之，則越小。 ③方向：α粒子的受力沿原子核與α粒子的連線，由原子核指向α粒子。 (2)庫侖力對α粒子的做功情況 ①當α粒子靠近原子

11、核時，庫侖斥力做負功，電勢能增加。 ②當α粒子遠離原子核時，庫侖斥力做正功，電勢能減小。 (3)α粒子的能量轉化 僅有庫侖斥力做功，只是電勢能和動能之間相互轉化，而總能量保持不變。 【例6】 已知電子質量為9.1×10－31 kg，帶電荷量為－1.6×10－19 C，若氫原子核外電子繞核旋轉時的軌道半徑為0.53×10－10 m，求電子繞核運動的線速度、動能、周期和形成的等效電流。 解析：由盧瑟福的原子模型可知：電子繞核做圓周運動，所需的向心力由核內電子的庫侖引力來提供。 根據＝k， 得v＝e＝1.6×10－19× m/s≈2.19×106 m/s； 其動能Ek＝mv2＝×9.1×10－31×(2.19×106)2 J≈2.18×10－18 J； 運動周期T＝＝ s≈1.52×10－16 s； 電子繞核運動形成的等效電流 I＝＝＝ A≈1.05×10－3 A。 答案：2.19×106 m/s　2.18×10－18 J　1.52×10－16 s　1.05×10－3 A 說明：(1)α粒子與原子核之間的萬有引力遠小于兩者之間的庫侖斥力，因而可以忽略不計。 (2)在處理α粒子等微觀粒子時一般不計重力。 4