新教材高中物理選擇性學(xué)案第4章原子結(jié)構(gòu)章末提升

[鞏固層·知識(shí)整合][提升層·能力強(qiáng)化]原子核式結(jié)構(gòu)模型1．α粒子散射實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：α粒子穿過(guò)金箔后，絕大多數(shù)α粒子仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)；少數(shù)α粒子有較大的偏轉(zhuǎn)；極少數(shù)α粒子的偏角超過(guò)90°，有的甚至達(dá)到180°．(2)原因：α粒子與金核間的庫(kù)侖斥力使靠近金核的α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)．2．核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)(1)核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)：在原子的中心有一個(gè)很小的原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，電子在核外繞核運(yùn)轉(zhuǎn)．(2)電子由離核近的軌道躍遷到離核遠(yuǎn)的軌道，能量增加，電勢(shì)能增加，動(dòng)能減少，受到的庫(kù)侖力變小．【例1】(多選)關(guān)于α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，下列說(shuō)法正確的是()A．絕大多數(shù)α粒子沿原方向運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明正電荷在原子內(nèi)均勻分布，是α粒子受力平衡的結(jié)果B．絕大多數(shù)α粒子沿原方向運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明這些α粒子未受到明顯的力的作用，說(shuō)明原子內(nèi)部是很“空曠”的C．極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明原子內(nèi)質(zhì)量和電荷量比α粒子大得多的粒子在原子內(nèi)分布空間很小D．極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，絕不是α粒子與原子內(nèi)的電子撞擊引起的BCD[在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，絕大多數(shù)α粒子沿原方向運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明α粒子未受到原子核明顯的力的作用，也說(shuō)明原子核相對(duì)原子來(lái)講很小，原子內(nèi)大部分空間是空曠的，故A錯(cuò)，B對(duì)；極少數(shù)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明受到金原子核力的作用的空間在原子內(nèi)很小，α粒子偏轉(zhuǎn)，而金原子核未動(dòng)，說(shuō)明金原子核的質(zhì)量和電荷量遠(yuǎn)大于α粒子的質(zhì)量和電荷量，故C對(duì)；α粒子比電子的質(zhì)量大得多，α粒子撞擊到電子上對(duì)α粒子的運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生大的影響，故D對(duì)．]玻爾理論和能級(jí)躍遷在玻爾的軌道量子化模型中，原子的軌道半徑只能是某些分立的特定值，而原子的能量也是量子化的．故原子在躍遷過(guò)程中對(duì)光子或?qū)嵨锪Ｗ幽芰康奈帐怯幸欢l件的，具體而言可分為以下三種情況：1．當(dāng)光子的能量小于電離能時(shí)，只有滿足光子的能量為兩定態(tài)間能量差時(shí)才能被吸收．2．當(dāng)光子的能量大于電離能時(shí)，由于原子已電離，故對(duì)光子的能量沒(méi)有要求．光子的能量一部分用來(lái)使原子電離，大于電離能的那部分則用來(lái)增加自由電子的動(dòng)能．3．當(dāng)實(shí)物粒子與原子碰撞時(shí)，由于實(shí)物粒子的動(dòng)能可全部或部分被原子吸收，故只要入射粒子的動(dòng)能大于或等于原子某兩定態(tài)能量之差，則可以使原子受激發(fā)而向較高能級(jí)躍遷．【例2】(多選)如圖所示為氫原子的能級(jí)圖，已知可見(jiàn)光的光子能量范圍為1.62～3.11eV，那么對(duì)氫原子在能級(jí)躍遷過(guò)程中發(fā)射或吸收光子的特征認(rèn)識(shí)正確的是()A．氫原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射的光子能量小于3.34eVB．用能量為11.0eV的自由電子轟擊氫原子，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)C．處于n＝2能級(jí)的氫原子能吸收任意頻率的紫外線D．處于n＝3能級(jí)的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并且使氫原子電離BD[氫原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)出的光子的最小能量為10.2eV，大于3.34eV，故A錯(cuò)誤；用能量為11.0eV的電子轟擊氫原子，基態(tài)的氫原子吸收的能量可以等于10.2eV，可以使處于基態(tài)的氫原子躍遷到n＝2能級(jí)，故B正確；紫外線光子的最小能量為3.11eV，處于n＝2能級(jí)的氫原子的電離能為3.4eV，故處于n＝2能級(jí)的氫原子不能吸收任意頻率的紫外線，處于n＝3能級(jí)的氫原子的電離能為1.51eV，故處于n＝3能級(jí)的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并且使氫原子電離，故C錯(cuò)誤，D正確．][一語(yǔ)通關(guān)]能級(jí)躍遷規(guī)律的應(yīng)用(1)能級(jí)之間發(fā)生躍遷時(shí)，吸收(放出)光子的頻率由能級(jí)間的能量差決定即hν＝Em－En．(2)原子若是吸收光子的能量而被激發(fā)，其光子的能量必須等于兩能級(jí)的能量差，而原子吸收外來(lái)實(shí)物粒子(例如，自由電子)的能量被激發(fā)時(shí)，實(shí)物粒子的動(dòng)能可部分地被原子吸收．(3)一個(gè)氫原子發(fā)生躍遷可能發(fā)出的光譜線條數(shù)最多為(n－1)．(4)一群氫原子發(fā)生躍遷可能發(fā)出的光譜線條數(shù)為N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(n(n－1),2)．[培養(yǎng)層·素養(yǎng)升華]靠獎(jiǎng)學(xué)金讀書(shū)的孩子盧瑟福5歲時(shí)上了泉林村小學(xué)，他的母親和外祖母都曾在此任教，后來(lái)由于家庭搬遷，他又轉(zhuǎn)學(xué)到?？怂瓜柎逍W(xué)．盧瑟福的父母很重視子女的教育，盡管家庭收入僅夠糊口，還是要供他讀書(shū)．為此一家人節(jié)衣縮食，在生活上非常節(jié)儉，一直供他念完大學(xué)．許多年后，在一個(gè)很隆重的宴會(huì)上，盧瑟福十分感慨地說(shuō)：“如果不是我的父親和母親，我永遠(yuǎn)也不會(huì)有今天的成績(jī)．”由于家庭的收入有限，盧瑟福的相當(dāng)一部分學(xué)費(fèi)要靠自己來(lái)解決．上小學(xué)的時(shí)候，盧瑟福就利用暑假參加勞動(dòng)．兄弟幾人一個(gè)假期就賺了13英鎊，這些錢(qián)差不多夠一個(gè)學(xué)期的學(xué)費(fèi)了．盧瑟福深深地理解父母的困難．他知道，要想上學(xué)就要靠自己勞動(dòng)掙錢(qián)，后來(lái)他聽(tīng)說(shuō)學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)秀就可以得到獎(jiǎng)學(xué)金，就更加努力學(xué)習(xí)．他學(xué)習(xí)的時(shí)候注意力特別集中，即使有人用書(shū)本敲他的腦袋也不會(huì)分散他的注意力．離開(kāi)小學(xué)之后，盧瑟福大部分的學(xué)費(fèi)要靠獎(jiǎng)學(xué)金了，他參加了競(jìng)爭(zhēng)一項(xiàng)州政府獎(jiǎng)學(xué)金的考試，獲得獎(jiǎng)學(xué)金就可以進(jìn)入納爾遜學(xué)院讀書(shū)，可以免交學(xué)費(fèi)并提供食宿，結(jié)果盧瑟福以580分(滿分600分)的成績(jī)贏得了這項(xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金．在納爾遜學(xué)院學(xué)習(xí)期間，他獲得了很多獎(jiǎng)勵(lì)并在最后一年獲得進(jìn)入新西蘭大學(xué)深造的獎(jiǎng)學(xué)金．在獲獎(jiǎng)的10人中，他名列第4名．進(jìn)入新西蘭大學(xué)坎特伯雷學(xué)院之后，盧瑟福更加努力學(xué)習(xí)，他的數(shù)學(xué)和物理成績(jī)都名列前茅．由于學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)秀，大學(xué)畢業(yè)時(shí)盧瑟福獲得了文學(xué)學(xué)士、理科學(xué)士和碩士學(xué)位，要想掙錢(qián)養(yǎng)家已經(jīng)是足夠了，但是盧瑟福決心在科學(xué)研究中取得更大的成績(jī)．在校學(xué)習(xí)的時(shí)候他已經(jīng)申請(qǐng)了進(jìn)入劍橋深造的獎(jiǎng)學(xué)金，因?yàn)樵擁?xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金是隔年一次的，所以他大學(xué)畢業(yè)后又在學(xué)校里繼續(xù)研究一年．盧瑟福申請(qǐng)的是大英博覽會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金，它是由1851年在英國(guó)倫敦海德公園水晶宮舉辦的國(guó)際博覽會(huì)所賺來(lái)的錢(qián)設(shè)立的獎(jiǎng)學(xué)金．這項(xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金的目的是授予學(xué)習(xí)成績(jī)特別出色，具有培養(yǎng)前途的學(xué)生，使他們能夠進(jìn)入久享盛名的英國(guó)高等學(xué)府深造．凡屬英聯(lián)邦國(guó)家的學(xué)生，都有機(jī)會(huì)得到這筆獎(jiǎng)學(xué)金．1909年，盧瑟福在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)同他的學(xué)生用α粒子撞擊一片薄金箔，他發(fā)現(xiàn)大部分的粒子都能通過(guò)金箔，只有極少數(shù)會(huì)跳回．他笑說(shuō)這是海軍用15吋巨炮射擊一張紙，但炮彈卻會(huì)被彈回而打到自己．最后他提出了一個(gè)類(lèi)似于太陽(yáng)系行星系統(tǒng)的原子模型，認(rèn)為原子空間大都是空的，電子像行星圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，推翻了當(dāng)時(shí)所使用的梅子布丁原子模型．1911年3月，盧瑟福在曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會(huì)的會(huì)議上宣布他的意外發(fā)現(xiàn)，同年5月，他將論文發(fā)表于雜志．1911年，盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出原子核式結(jié)構(gòu)模型．該實(shí)驗(yàn)被評(píng)為“物理最美實(shí)驗(yàn)”之一．[設(shè)問(wèn)探究]1．空氣中有各種原子，如何避免對(duì)α粒子散射的影響？2．盧瑟福后來(lái)回憶說(shuō)：“這是我一生中從未有的最難以置信的事，它好比你對(duì)一張紙發(fā)射出一發(fā)炮彈，結(jié)果被反彈回來(lái)而打到自己身上……”這是什么原因？3．盧瑟福在1911年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫作原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)．電子為什么對(duì)α粒子幾乎沒(méi)有影響？提示：1．為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)裝置放在一個(gè)抽成真空的容器內(nèi)，帶有熒光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個(gè)圓周上移動(dòng)．2．α粒子穿過(guò)原子時(shí)，它受到原子內(nèi)部?jī)蓚?cè)正電荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏轉(zhuǎn)的力就不會(huì)很大．然而事實(shí)卻出現(xiàn)了極少數(shù)α粒子大角度偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象．3．α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，由于電子的質(zhì)量較小，α粒子與電子相碰，就像子彈碰到灰塵一樣．損失的能量極少，幾乎不改變?chǔ)亮Ｗ舆\(yùn)動(dòng)的軌跡．[深度思考]1．盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)中為何使用的是金箔？是否可以用鋁、銅、鐵等其他材料代替？2．根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，如何估算原子核的直徑？3．他通過(guò)α粒子為物質(zhì)所散射的研究，無(wú)可辯駁地論證了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，因而一舉把原子結(jié)構(gòu)的研究引上了正確的軌道，于是他被譽(yù)為原子物理學(xué)之父．由于電子軌道是原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的矛盾，才導(dǎo)致玻爾提出背離經(jīng)典物理學(xué)的革命性的量子假設(shè)，成為量子力學(xué)的先驅(qū)．除此之外，盧瑟福又做了哪些貢獻(xiàn)？答案：1．選擇重金屬靶進(jìn)行散射實(shí)驗(yàn)．原子量大的金屬比較多，那么選擇哪一種呢？因?yàn)樯渚€的穿透能力不強(qiáng)，一張普通的紙就可以擋住，所以這個(gè)重金屬靶必須要讓?duì)亮Ｗ舆M(jìn)行散射實(shí)驗(yàn)時(shí)，穿過(guò)有3000層金原子的厚度的金箔，而絕大多數(shù)的α粒子仍是保持原來(lái)的方向前進(jìn)，說(shuō)明原子中是很空曠的．2．根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，可以估算出原子核的直徑約為10－15～10－14m，原子直徑大約是10－10m，所以原子核的直徑大約是原子直徑的萬(wàn)分之一，原子核的體積只相當(dāng)于原子體積的萬(wàn)億分之一．3．質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1919年，盧瑟福做了用α粒子轟擊氮核的實(shí)驗(yàn)．他從氮核中打出的一種粒子，并測(cè)定了它的電荷與質(zhì)量，它的電荷量為一個(gè)