高中物理 第十八章 原子結(jié)構(gòu) 2 原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、 2　原子的核式結(jié)構(gòu)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(fù)電荷如何分布。 (2)湯姆孫的原子模型：原子是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，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(nèi)振動(dòng)，產(chǎn)生電磁波。 (4)遇到的困難：電子很容易穿過原子；不能解釋?duì)亮Ｗ拥纳⑸洮F(xiàn)象。 【例1】 關(guān)于原子結(jié)構(gòu)，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(shí)中，主要采用類比推理的是(　　) A．人們?yōu)楸阌谘芯课矬w的運(yùn)動(dòng)而建立的質(zhì)點(diǎn)模型 B．伽利略從教堂吊燈的擺動(dòng)中發(fā)現(xiàn)擺的等時(shí)性規(guī)律 C．

2、庫(kù)侖根據(jù)牛頓的萬有引力定律提出庫(kù)侖定律 D．托馬斯·楊通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明光是一種波 解析：①質(zhì)點(diǎn)→理想模型→研究物體的運(yùn)動(dòng)；②單擺等時(shí)性→自然現(xiàn)象的測(cè)定；③庫(kù)侖定律→庫(kù)侖類比萬有引力定律；④光的波動(dòng)性→通過光的干涉、衍射→實(shí)驗(yàn)證明。 答案：C 2．α粒子散射實(shí)驗(yàn) (1)實(shí)驗(yàn)原理 原子的結(jié)構(gòu)非常緊密，用一般的方法是無法探測(cè)它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，要認(rèn)識(shí)原子的結(jié)構(gòu)，需要用高速粒子對(duì)它進(jìn)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(zhì)發(fā)光。如果α粒子與其他粒子發(fā)生相互作用，改變了運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)的

3、有效手段。 (2)實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示 熒光屏可以沿著圖中虛線轉(zhuǎn)動(dòng)，用來統(tǒng)計(jì)向不同方向散射的粒子數(shù)目。 (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進(jìn)，但是有少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過了90°，有的幾乎達(dá)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(shí)驗(yàn)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(gè)位置，下列對(duì)觀察到的現(xiàn)象的描述，正確的是(　　) A．在A位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多 B．在B位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)只比在A位置時(shí)稍少些 C．在C、D位置時(shí)，屏上觀察不到閃光 D．在D位置時(shí)

4、，屏上仍能觀察到一些閃光，但次數(shù)極少 解析：因?yàn)榻^大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍然沿原來方向前進(jìn)，在A位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多，A選項(xiàng)正確；因?yàn)樯贁?shù)α粒子穿過金箔后發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，在B位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)比在A位置時(shí)要少得多，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；α粒子散射實(shí)驗(yàn)中有極少數(shù)α粒子轉(zhuǎn)角超過90°，甚至接近180°，所以C選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)正確。 答案：AD 說明：分析α粒子散射實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)注意是“絕大多數(shù)”“少數(shù)”還是“極少數(shù)”粒子的行為?！按蠼嵌绕D(zhuǎn)”只是少數(shù)粒子的行為。 3．原子的核式結(jié)構(gòu)模型 (1)湯姆孫原子模型與α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的矛盾。 按照“棗糕”模

5、型，①碰撞前后，質(zhì)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(duì)心碰撞，也不會(huì)有大角度散射。 ②對(duì)于α粒子在原子附近時(shí)由于原子呈中性，與α粒子之間沒有或很小的庫(kù)侖力的作用，正電荷在原子內(nèi)部均勻地分布，α粒子穿過原子時(shí)，由于原子兩側(cè)正電荷將對(duì)它的斥力有相當(dāng)大一部分互相抵消，使α粒子偏轉(zhuǎn)的力不會(huì)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(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。 (2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、推理 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)極少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至反彈回來，表明這些α粒子在原子中某個(gè)地方受到了質(zhì)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(zhì)量應(yīng)都集中在一個(gè)中心上。 ①絕大多數(shù)α粒子不偏移→原子內(nèi)部絕大部分是“空”的。 ②少數(shù)α粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)→原子內(nèi)部有“核”存在。 ③極少數(shù)α粒子被彈回表明：作用力很大；質(zhì)量很大；電荷量集中。 (3)原子的核式結(jié)構(gòu) 在原子中心有一個(gè)很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在這個(gè)核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。 【例3】 英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福用α粒子轟擊金箔，為了解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他提出了原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)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(jīng)過金原子核附近的α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，其中能正確反映實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)等于核外電子數(shù)，等于原子序數(shù)。 (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(dāng)原子半徑的萬分之一，體積相當(dāng)于原子體積的萬億分之一。 (3)對(duì)比展示： 半徑大小(數(shù)量級(jí)) 類比 原子 10－10 m 立體的足球場(chǎng) 原子核 10－15～10－14m 一粒米 【例4】 下列對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)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(zhuǎn)，庫(kù)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(fù)電的電子構(gòu)成，電子在核外繞核高速旋轉(zhuǎn)，庫(kù)侖力提供向心力，由此可判定B、C正確。根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)知，原子核半徑數(shù)量級(jí)為10－15 m，而原子半徑的數(shù)量級(jí)為10－10 m，故A正確，D錯(cuò)誤。 答案：ABC 5．對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的理解 按照盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，可以很容易地解釋粒子散射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如圖所示。 按照這個(gè)模型，由于原子核很小，大部分α粒子穿過金箔時(shí)都離核很遠(yuǎn)，受到的斥力很小，所以它們的運(yùn)動(dòng)幾乎不受影響；只有少數(shù)α粒子從原子核附近飛過，明顯地受到原子核的庫(kù)侖斥力而發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)。 【例5】 在α粒子散射

9、實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)α粒子穿過金箔時(shí)，下列理解正確的是(　　) A．與金原子核相距較遠(yuǎn)的α粒子，可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn) B．與金原子核相距較近的α粒子，可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn) C．α粒子與金原子核距離最近時(shí)，系統(tǒng)的能量最小 D．α粒子與金原子核距離最近時(shí)，系統(tǒng)的電勢(shì)能最大 解析：對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)學(xué)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(dāng)于原子半徑的萬分之一。α粒子穿過金箔時(shí)，只有少數(shù)α粒子可能離核較近，金原子核對(duì)α粒子的庫(kù)侖力較大，使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。故A錯(cuò)，B對(duì)。 α粒子與金原子核之間是庫(kù)侖斥力，在α粒子向金原子核靠近時(shí)，要克服庫(kù)侖力做功，α粒子

10、的動(dòng)能減少，電勢(shì)能增加；在α粒子遠(yuǎn)離金原子核時(shí)，庫(kù)侖力對(duì)α粒子做正功，α粒子的動(dòng)能增加，電勢(shì)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(shí)，系統(tǒng)的電勢(shì)能最大。故C錯(cuò)，D對(duì)。 答案：BD 6．α粒子散射實(shí)驗(yàn)中的能量轉(zhuǎn)化問題的求解方法 (1)α粒子的受力特點(diǎn) α粒子與原子核間的作用力是庫(kù)侖斥力，大小：F＝。 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(kù)侖力越大；運(yùn)動(dòng)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(kù)侖力對(duì)α粒子的做功情況 ①當(dāng)α粒子靠近原子

11、核時(shí)，庫(kù)侖斥力做負(fù)功，電勢(shì)能增加。 ②當(dāng)α粒子遠(yuǎn)離原子核時(shí)，庫(kù)侖斥力做正功，電勢(shì)能減小。 (3)α粒子的能量轉(zhuǎn)化 僅有庫(kù)侖斥力做功，只是電勢(shì)能和動(dòng)能之間相互轉(zhuǎn)化，而總能量保持不變。 【例6】 已知電子質(zhì)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(zhuǎn)時(shí)的軌道半徑為0.53×10－10 m，求電子繞核運(yùn)動(dòng)的線速度、動(dòng)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(yùn)動(dòng)，所需的向心力由核內(nèi)電子的庫(kù)侖引力來提供。 根據(jù)＝k， 得v＝e＝1.6×10－19× m/s≈2.19×106 m/s； 其動(dòng)能Ek＝mv2＝×9.1×10－31×(2.19×106)2 J≈2.18×10－18 J； 運(yùn)動(dòng)周期T＝＝ s≈1.52×10－16 s； 電子繞核運(yùn)動(dòng)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(yuǎn)小于兩者之間的庫(kù)侖斥力，因而可以忽略不計(jì)。 (2)在處理α粒子等微觀粒子時(shí)一般不計(jì)重力。 4