2024-2025學(xué)年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

PAGE10-2原子的核式結(jié)構(gòu)模型一、湯姆孫的原子模型湯姆孫于1898年提出了原子模型，他認(rèn)為原子是一個球體，正電荷充滿性地勻稱分布在整個球體內(nèi)，電子鑲嵌在球中．湯姆孫的原子模型被稱為西瓜模型或棗糕模型．該模型能說明一些試驗現(xiàn)象，但后來被α粒子散射試驗否定了．湯姆孫發(fā)覺電子之后，人們立即進(jìn)行建立各種原子模型的嘗試，你都知道有哪些典型的模型呢？提示：(1)勒納德的動力子模型：原子內(nèi)部的電子與相應(yīng)的正電荷組成一個中性的“剛性配偶體”，他取名為動力子，多數(shù)動力子漂移于原子太空內(nèi)．(2)長岡半太郎的土星型模型：1904年，他依據(jù)麥克斯韋的土星環(huán)理論推想原子的結(jié)構(gòu)，提出了一個土星模型，它事實上已經(jīng)包含了核模型的基本思想，只是對核的大小的數(shù)量級及穩(wěn)定性等問題沒有給出足夠的重視．(3)湯姆孫的“棗糕模型”．(4)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型．(5)玻爾模型．后面的三種模型教材中已經(jīng)做了闡述．二、α粒子散射試驗1．從放射性物質(zhì)中放射出來的快速運動的粒子，實質(zhì)是失去兩個電子的氦原子核，帶兩個單位正電荷，質(zhì)量為氫原子質(zhì)量的4倍．2．試驗結(jié)果絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本沿原方向前進(jìn)．少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角甚至大于90°.3．盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型1911年由盧瑟福提出，在原子中心有一個很小的核，叫原子核．它集中了全部的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量，電子在核外空間運動．在α粒子散射試驗中，偏轉(zhuǎn)角大的α粒子與偏轉(zhuǎn)角小的α粒子相比，誰離原子核更近一些？提示：α粒子與原子核之間有相互作用的庫侖斥力，偏轉(zhuǎn)角大，意味著庫侖力大，因而也就越靠近原子核．三、原子核的電荷與尺度1．原子內(nèi)的電荷關(guān)系各種元素的原子核的電荷數(shù)與含有的電子數(shù)相等，特別接近于它們的原子序數(shù)．2．原子核的組成原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)就等于原子核中的質(zhì)子數(shù)．3．原子核的大小試驗確定的原子核半徑R的數(shù)量級為10－15_m，而原子的半徑的數(shù)量級是10－10_m．因而原子內(nèi)部特別“空曠”．考點一α粒子散射試驗及原子的核式結(jié)構(gòu)模型1．α粒子散射試驗裝置及留意事項(1)試驗裝置(如圖)由放射源、金箔、熒光屏等組成．(2)試驗留意事項：①整個試驗過程需在真空中進(jìn)行．②α粒子是氦原子核，本身特別小，金箔需很薄，α粒子才能很簡單穿過．③試驗中用的是金箔而不是鋁箔，這是因為金的原子序數(shù)大，α粒子與金核間庫侖力大，偏轉(zhuǎn)明顯；另外金的延展性好，簡單做成極薄的金箔．2．α粒子的散射試驗否定了湯姆孫的原子模型(1)α粒子在穿過原子之間時，所受四周的正、負(fù)電荷作用的庫侖力是平衡的，α粒子不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)．(2)α粒子正對著電子射來，質(zhì)量遠(yuǎn)小于α粒子的電子不行能使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，更不行能使它反彈．3．原子的核式結(jié)構(gòu)模型對α粒子散射試驗結(jié)果的說明(1)當(dāng)α粒子穿過原子時，假如離核較遠(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，運動方向變更很?。驗樵雍撕苄。越^大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)．(2)只有當(dāng)α粒子特別接近原子核穿過時，才受到很大的庫侖力作用，偏轉(zhuǎn)角才很大，而這種機會很少．(3)假如α粒子正對著原子核射來，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°，這種機會極少，如圖所示．【例1】在盧瑟福的α粒子散射試驗中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其緣由是()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．正電荷在原子中是勻稱分布的C．原子中存在著帶負(fù)電的電子D．金箔中的金原子間存在很大的空隙，只有極少數(shù)遇到金原子eq\x(少數(shù)α粒子大角度偏轉(zhuǎn))→eq\x(受到很強的斥力)→eq\x(α粒子帶正電)→eq\x(遇到質(zhì)量很大的正電體)【答案】A【解析】盧瑟福的α粒子散射試驗中少數(shù)α粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)，說明只有少數(shù)α粒子受到很強的斥力，大多數(shù)α粒子受到的斥力很小，這反映出在原子內(nèi)部正電荷分布在很小的空間，且質(zhì)量很大，A正確，B錯誤；試驗中所用金箔盡管很薄，但也有上萬層原子，由此可知，有少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)明顯不是由于碰不到金原子，由此知C、D錯誤．故選A.總結(jié)提能α粒子散射試驗裝置及核式結(jié)構(gòu)模型(1)熟記裝置及原理α粒子散射試驗是一個特別重要的試驗，因此對試驗器材、現(xiàn)象、現(xiàn)象分析、結(jié)論都必需弄明白，才能順當(dāng)解答有關(guān)問題．(2)理解建立核式結(jié)構(gòu)模型的要點①核外電子不會使α粒子的速度發(fā)生明顯變更．②湯姆孫模型不能說明α粒子的大角度散射．③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．④絕大多數(shù)α粒子在穿過厚厚的金原子層時運動方向沒有明顯變更，說明原子中絕大部分是空的．原子的質(zhì)量、電荷量主要集中在體積很小的核上．如圖所示為α粒子散射試驗裝置，粒子打到熒光屏上會引起閃耀，若將帶有熒光屏的顯微鏡分別放在圖中A，B，C，D四處位置．則這四處位置在相等時間內(nèi)統(tǒng)計的閃耀次數(shù)符合試驗事實的是(A)A．1305,25,7,1 B．202,405,625,825C．1202,1010,723,203 D．1202,1305,723,203解析：由于絕大多數(shù)粒子運動方向基本不變，所以A位置閃耀次數(shù)最多，少數(shù)粒子發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)．符合該規(guī)律的數(shù)據(jù)只有A選項，故選項A正確．考點二力、電學(xué)學(xué)問在α粒子試驗或原子核式結(jié)構(gòu)模型中的應(yīng)用α粒子散射試驗電子繞核運動受力特點大?。篎＝keq\f(Qq,r2)方向：α粒子所受庫侖力沿α粒子與核的連線，由核指向α粒子．特點：α粒子離核越近，F(xiàn)越大；反之，F(xiàn)越小.方向：電子所受庫侖力沿電子與核的連線，由電子指向核．特點：在同一軌道上運動時，F(xiàn)大小不變．能量轉(zhuǎn)化狀況①當(dāng)α粒子靠近原子核時，庫侖斥力對α粒子做負(fù)功，電勢能增加；②當(dāng)α粒子遠(yuǎn)離原子核時，庫侖斥力對α粒子做正功，電勢能減小.①電子繞核運動時，庫侖力對電子不做功，電勢能、動能不變．②軌道半徑r變大時，庫侖力對電子做負(fù)功，電勢能增加，動能削減；反之，電勢能削減，動能增加．運動性質(zhì)絕大多數(shù)α粒子做變加速曲線運動，極個別α粒子做變加速直線運動.電子繞核做勻速圓周運動，庫侖力供應(yīng)向心力，即keq\f(Qq,r2)＝meq\f(v2,r).【例2】依據(jù)α粒子散射試驗，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，如圖所示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()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1．α粒子從a運動到b，電場力做正功還是負(fù)功，α粒子的電勢能增大還是減?。?．α粒子從a運動到b，受到的電場力大小如何變更？試依據(jù)點電荷四周場強大小的關(guān)系分析一下．3．在a點和c點，α粒子具有的動能和電勢能是否相同？【答案】C【解析】α粒子受到原子核的排斥力，接近時動能減小，遠(yuǎn)離時動能增大，A項錯誤；電場力先做負(fù)功，后做正功，所以電勢能先增加，后減小，又由于a、c在同一等勢面上，所以α粒子從a運動到c電場力做功為零，B項錯誤，C項正確；庫侖力F＝eq\f(kQ1Q2,r2)，即F隨r的變更而變更，與r2成反比，所以庫侖力先增后減，加速度也是先增后減，D項錯誤．總結(jié)提能電荷在電場中運動時，電場力做正功，電荷的動能增加，電勢能減??；電場力做負(fù)功，電荷的動能減小，電勢能增大．如圖所示，M、N為原子核外的兩個等勢面，已知UNM＝100V，一個α粒子以2.5×105m/s的速度從等勢面M上的A點運動到B點，求α粒子在B點時的速度大?。?已知mα＝6.64×10－答案：2.3×105解析：α粒子由A到B的過程中由動能定理得－2eUNM＝eq\f(1,2)mαveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mαveq\o\al(2,A)，則vB＝eq\r(v\o\al(2,A)－\f(4eUNM,mα))＝2.3×105m/s.重難疑點辨析解決原子核式結(jié)構(gòu)模型相關(guān)問題的方法1．解題依據(jù)和方法一解答與本節(jié)學(xué)問有關(guān)的試題，必需以三個試驗的現(xiàn)象和從三個試驗中發(fā)覺的事實為基礎(chǔ)，應(yīng)明確以下幾點：(1)湯姆孫發(fā)覺了電子，說明原子是可分的，電子是原子的組成部分．(2)盧瑟?！唉亮Ｗ由⑸湓囼灐爆F(xiàn)象說明：原子中絕大部分是空的，原子的絕大部分質(zhì)量和全部正電荷都集中在一個很小的核上．(3)盧瑟福用α粒子轟擊原子核試驗，發(fā)覺了質(zhì)子．2．解題依據(jù)和方法二依據(jù)原子的核式結(jié)構(gòu)，結(jié)合前面所駕馭的動能、電勢能、庫侖定律及能量守恒定律等學(xué)問，是綜合分析解決有α粒子靠近原子核過程中，有關(guān)功、能的變更，加速度、速度的變更所必備的基礎(chǔ)學(xué)問和應(yīng)駕馭的方法．3．解題依據(jù)和方法三明確原子核中核電荷數(shù)、質(zhì)子數(shù)、核外電子數(shù)以及元素的原子序數(shù)四種數(shù)的數(shù)值相等，以及原子的質(zhì)量數(shù)與核子數(shù)相等，并等于質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的和．它是分析解決實際問題的依據(jù)．【典例】(多選)如圖所示為α粒子散射試驗中α粒子穿過某一金原子核旁邊時的示意圖，A、B、C三點分別位于兩個等勢面上，則下列說法正確的是()A．α粒子在A處的速度比在B處的速度小B．α粒子在B處的速度最大C．α粒子在A、C處的速度大小相等D．α粒子在B處的速度比在C處的速度小【解析】由能量守恒定律可知，對于A、B、C三點，A、C位于原子核形成的同一等勢面上，電勢能相同，故動能也相同，則A、C兩點速率相同，故C正確；由A到B，α粒子克服庫侖力做功，動能減小，電勢能增大，故B點速度最小，D正確，A、B錯誤．【答案】CD在原子核形成的電場中，越靠近原子核電勢越高，α粒子運動過程中，只有動能和電勢能相互轉(zhuǎn)化且總和不變，由A到B靠近原子核的過程．電勢能增大，動能減小，由B到C遠(yuǎn)離原子核的過程，電勢能又轉(zhuǎn)化為動能．求解此類問題要結(jié)合庫侖力做功和功能關(guān)系分析．1．α粒子散射試驗中，不考慮電子和α粒子的碰撞影響，這是因為(C)A.α粒子與電子根本無相互作用B.α粒子受電子作用的合力為零，是因為電子是勻稱分布的C.α粒子和電子碰撞損失能量極少，可忽視不計D．電子很小，α粒子碰撞不到電子解析：α粒子與電子之間存在著相互作用力，這個作用力是庫侖引力，但由于電子質(zhì)量很小，碰撞時電子對α粒子的運動影響微小，幾乎不變更其運動狀態(tài)，故C正確．2．(多選)在α粒子散射試驗中，使極少數(shù)α粒子產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)的緣由是(BCD)A．原子核外有電子B．原子核體積很小C．原子核集中了原子中全部的正電荷D．原子核質(zhì)量很大解析：在α粒子散射試驗中，極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，說明它們受到極大的作用力，只有認(rèn)為原子內(nèi)部全部正電荷全部集中在一個微小的空間里，且它的質(zhì)量很大，不易移動，才能產(chǎn)生這樣的結(jié)果．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(AB)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解析：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；電子繞原子核的圓周運動是原子核與電子間的庫侖引力供應(yīng)向心力，B正確；原子核直徑的數(shù)量級是10－15m，原子直徑的數(shù)量級是10－104．X表示金原子核，α粒子射向金核時被散射，設(shè)入射的動能相同，其偏轉(zhuǎn)軌道可能是圖中的(D)解析：離金原子核越遠(yuǎn)的α粒子，受到的斥力越小，偏轉(zhuǎn)越?。?．盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為：原子具有核式結(jié)構(gòu)，電子在核外繞原子核運動．若認(rèn)為電子沿圓軌道繞原子核運動，則電子繞核運動的速率是1.4