2017-2018學(xué)年高二物理魯科版選修3-5教師用書：第2章 第2節(jié) 原子的核式結(jié)構(gòu)模型 Word版含解析

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1、第2節(jié)　原子的核式結(jié)構(gòu)模型 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.知道α粒子散射實驗的現(xiàn)象、方法和結(jié)果．(重點) 2．知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型．(重點、難點) 3．知道原子和原子核大小的數(shù)量級. α 粒 子 散 射 實 驗 1．實驗?zāi)康? 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(zhuǎn)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(zhuǎn)情況． 3．實驗結(jié)果 絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)，但是有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，有極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90°，

2、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. 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(zhuǎn)是電子造成的．(×) 盧瑟福為何選用α粒子去轟擊金箔？ 【提示】　因為當(dāng)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． 1．實驗背景：α粒子散射實驗是盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)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(jié)果卻成了否定湯姆孫原

3、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．否定湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型 (1)質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子的電子，對α粒子的運動影響完全可以忽略，不應(yīng)該發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)． (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(yīng)該發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)． (3)α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)，否定湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型． 3．大角度偏轉(zhuǎn)的實驗現(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粒子穿過原子時，它受

4、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(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． 1．(多選)關(guān)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(jìn)行 B．熒光屏上的閃光是散射的α粒子打在熒光屏上形成的 C．熒光屏只有正對α粒子源發(fā)出的射線方向上才有閃光 D．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(chǔ)上，才能選出

5、正確選項．對于C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，C錯誤，A、B正確；α粒子必須借助于熒光屏觀察，D錯誤． 【答案】　AB 2．(多選)如圖2-2-1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2-2-1 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

6、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(jìn)，故A正確．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錯誤，C、D正確． 【答案】　ACD 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(zhuǎn)，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(zhì)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

7、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(zhì)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 1．核式結(jié)構(gòu)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(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，帶負(fù)電的電子繞核運動． (2)原子的核式結(jié)構(gòu)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. 1．原子內(nèi)部正電荷是均勻分布的．(×) 2．原子的質(zhì)量是均勻分布的．(×) 3．原子的幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)．(√) 盧瑟福的原子模型是

8、如何解釋α粒子散射實驗結(jié)果的？ 【提示】　α粒子穿過原子時，如果離核較遠(yuǎn)，受到的庫侖斥力很小，運動方向也改變很?。挥挟?dāng)α粒子十分接近核時，才受到很大的庫侖斥力，發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)．由于核很小，α粒子十分接近的機(jī)會很小，所以絕大多數(shù)α粒子基本上仍沿原方向前進(jìn)，只有極少數(shù)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)． 1．湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型與盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)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(zhì)量均勻分布，負(fù)電荷鑲嵌在其中 正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在原子中心的一個極小核內(nèi)，電子質(zhì)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，

9、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(yuǎn)的α粒子受到的庫侖力較小 偏轉(zhuǎn)情況 不會發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過90°，有的甚至被彈回 分析結(jié)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(jié)構(gòu)模型對α粒子散射實驗結(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，運動方向改變很小．因為原子核很小，所以絕大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)． 圖2-2-2 (2)只有當(dāng)α粒子十分接近原子核穿過時，才受到很大

10、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2-2-2所示，所以極少數(shù)粒子的偏轉(zhuǎn)角度甚至大于90°. 3．(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．原子的中心有個核，叫作原子核 C．原子的正電荷均勻分布在整個原子中 D．原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外旋轉(zhuǎn) 【解析】　原子的核式結(jié)構(gòu)模型是在α粒子的散射實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上提出的，A錯誤．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

11、范圍，稱為原子核，B正確，C錯誤．原子核集中了原子全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量，帶負(fù)電的電子在核外旋轉(zhuǎn)，D正確． 【答案】　BD 4.如圖2-2-3所示，根據(jù)α粒子散射實驗，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，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(dǎo)學(xué)號：64772026】 圖2-2-3 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 【解析】　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

12、，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(fù)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，C正確，A、B錯誤；a、b、c三點的場強大小關(guān)系Ea＝Ec＜Eb，故α粒子的加速度先變大，后變小，D錯誤． 【答案】　C 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(dá)到的最小距離可以估算原子核的大?。F(xiàn)有一個α粒子以2.0×107 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(已知帶電粒子在點電荷電場中的電勢能表達(dá)式為Ep＝k，r為距點電荷的距離

13、．α粒子質(zhì)量為6.64×10－27 kg)． 【解析】　當(dāng)α粒子靠近原子核運動時，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，設(shè)α粒子與原子核發(fā)生對心碰撞時所能達(dá)到的最小距離為d，則mv2＝k. d＝＝ m ＝2.7×10－14 m. 【答案】　2.7×10－14 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(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

14、圍的電場相當(dāng)于正點電荷的電場，注意應(yīng)用其電場線和等勢面的特點． 學(xué)業(yè)分層測評(五) (建議用時：45分鐘) 學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)] 1．(多選)關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究有下列敘述，其中正確的是(　　) A．電子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識到原子有復(fù)雜的結(jié)構(gòu) B．根據(jù)α粒子散射實驗提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型 C．原子內(nèi)部的正電荷全部集中在原子中心極小的原子核內(nèi) D．電子均勻分布在原子內(nèi)部 【解析】　電子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識了原子有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，選項A正確；根據(jù)α粒子散射實驗提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，選項B正確；原子內(nèi)部的正電荷全部集中在極小的原子核內(nèi)，選項C正確，電子在原子核外空間高速運轉(zhuǎn)，并不是均勻分布，D錯

15、誤． 【答案】　ABC 2．(多選)關(guān)于α粒子散射實驗裝置，下列說法正確的是(　　) A．實驗裝置應(yīng)放在真空中 B．金箔的厚度對實驗無影響 C．如果把金箔改為鋁箔，更不容易觀察到大角度散射現(xiàn)象 D．實驗時，金箔、熒光屏和顯微鏡均能在圓周上運動 【解析】　根據(jù)α粒子散射實驗裝置的要求，不在真空中實驗可能會受到空氣中塵埃等微粒的影響，A對．當(dāng)金箔偏厚時，α粒子可能無法穿過，B錯．金箔改為鋁箔，由于鋁原子核質(zhì)量較小，而不容易觀察到大角度散射，C正確．實驗中金箔不動，顯微鏡沿圓周運動，D錯． 【答案】　AC 3．從α粒子散射實驗結(jié)果出發(fā)推出的結(jié)論有： ①金原子內(nèi)部大部分都是空的；②

16、金原子是一個球體；③湯姆孫的原子模型不符合原子結(jié)構(gòu)的實際情況；④原子核的半徑很小，其中正確的是(　　) A．①②③　　　　　　　 B．①③④ C．①②④ D．①②③④ 【解析】　從α粒子散射實驗結(jié)果出發(fā)，可推出帶電的原子核體積很小，集中了原子幾乎所有的質(zhì)量，帶負(fù)電的電子質(zhì)量很小，繞核運動；故選B. 【答案】　B 4．在盧瑟福α粒子散射實驗中，金箔中的原子核可以看做靜止不動；下列各圖畫出的是其中兩個α粒子經(jīng)歷金箔散射過程的徑跡，其中正確的是(　　) A　 　　　B　　　　　　C　　　　　D 【解析】　金箔中的原子核與α粒子都帶正電，α粒子接近原子核過程中受到斥力而不是引力作用

17、，A、D錯誤；由原子核對α粒子的斥力作用，及物體做曲線運動的條件，知曲線軌跡的凹側(cè)應(yīng)指向受力一方，選項B錯、C對． 【答案】　C 5．在盧瑟福α粒子散射實驗中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：64772094】 A．原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個很小的核上 B．正電荷在原子中是均勻分布的 C．原子中存在著帶負(fù)電的電子 D．原子中的質(zhì)量均勻分布在整個原子范圍內(nèi) 【解析】　原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個很小的核上，才使在α粒子散射實驗中，只有少數(shù)離核很近的α粒子，受到較大的庫侖斥力，發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)，所以選項A正確． 【答案】　A 6．如圖

18、2-2-4所示，實線表示金原子核電場的等勢線，虛線表示α粒子在金核電場中散射時的運動軌跡．設(shè)α粒子通過a、b、c三點時速度分別為va、vb、vc，電勢能分別為Ea、Eb、Ec，則va、vb、vc由小到大的順序為____________________，Ea、Eb、Ec由小到大的順序為________________ ． 圖2-2-4 【解析】　金原子核和α粒子都帶正電，α粒子在接近金核過程中需不斷克服庫侖力做功，它的動能減小，速度減小，電勢能增加；α粒子在遠(yuǎn)離金核過程中庫侖力不斷對它做功，它的動能增大，速度增大，電勢能減?。虼诉@三個位置的速度大小關(guān)系和電勢能大小關(guān)系為vb＜va＜vc

19、，Ec

20、．所受原子核的斥力最大 【解析】　α粒子在接近金原子核的過程中，要克服庫侖力做功，動能減少，電勢能增加．兩者相距最近時，動能最小，電勢能最大，總能量守恒．根據(jù)庫侖定律，距離最近時，斥力最大．故A、D均正確． 【答案】　AD 9．盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為，核外電子繞核運動．設(shè)想氫原子的核外電子繞核做勻速圓周運動，氫原子中電子離核最近的軌道半徑為r1，已知電子電荷量為e，靜電力恒量為k，用經(jīng)典物理學(xué)的知識， (1)計算電子在半徑為r1的軌道運動時的動能． (2)設(shè)軌道2的半徑r2＝4r1，計算電子在軌道2運動時的動能． (3)比較電子在軌道1與軌道2的動能，Ek1________E

21、k2(選填“＞”“＜”或“＝”)，電勢能Ep1________Ep2(選填“＞”“＜”或“＝”)． 【解析】　(1)根據(jù)庫侖力充當(dāng)向心力有k＝m， 故Ek＝mv2＝k. (2)由(1)知當(dāng)r2＝4r1時有Ek′＝k＝k. (3)由(2)知由軌道1運動至軌道2，電子動能減小，故Ek1＞Ek2，由軌道1至軌道2過程中，電子克服庫侖力引力做功，電勢能增大，故Ep1＜Ep2. 【答案】　(1)k　(2)k　(3)＞　＜ 10．如圖2-2-5所示，M、N為原子核外的兩個等勢面，已知UNM＝100 V．一個α粒子以2.5×105 m/s從等勢面M上的A點運動到等勢面N上的B點，求α粒子在B點時

22、速度的大小．(已知mα＝6.64×10－27 kg) 【導(dǎo)學(xué)號：64772028】 圖2-2-5 【解析】　α粒子在由A到B的過程中，根據(jù)動能定理 －2eUNM＝mαv2－mαv 由此得v＝ ＝ m/s ＝2.3×105 m/s. 【答案】　2.3×105 m/s 11．α粒子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的7 300倍，如果α粒子以速度v跟電子發(fā)生彈性正碰(假設(shè)電子原來是靜止的)，則碰撞后α粒子的速度變化了多少？ 【解析】　設(shè)電子質(zhì)量為m，碰后α粒子速度為v1，電子速度為v2，由彈性碰撞中能量和動量守恒得 ×7 300mv2＝×7 300mv＋mv① 7 300mv＝7 300mv1＋mv2② 聯(lián)立①②式，解得v1＝v＝v 因此碰撞后α粒子速度減少了v－v1＝v. 【答案】　v