2024-2025學(xué)年高中物理第2章2原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)案教科版選修3-5

PAGE8-2.原子的核式結(jié)構(gòu)模型[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解α粒子散射試驗(yàn)器材、試驗(yàn)原理和試驗(yàn)現(xiàn)象．(重點(diǎn))2.知道盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容．(重點(diǎn)、難點(diǎn))3.了解盧瑟福的試驗(yàn)和科學(xué)方法，培育抽象思維實(shí)力．(重點(diǎn))4.知道經(jīng)典理論無(wú)法說(shuō)明原子的穩(wěn)定性和電磁波頻譜的分立特征．一、α粒子散射試驗(yàn)1．湯姆孫原子模型1904年，J.J.湯姆孫提出了影響較大的“棗糕模型”，假想正電荷構(gòu)成一個(gè)密度勻稱(chēng)的球體，電子“浸浮”其中，并分布在一些特定的同心圓環(huán)或球殼上．2．α粒子散射試驗(yàn)(1)試驗(yàn)裝置：α粒子源、金箔、可移動(dòng)探測(cè)器．(2)試驗(yàn)現(xiàn)象①絕大多數(shù)的α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)．②少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)．③極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角大于90°，甚至有極個(gè)別α粒子被反彈回來(lái)．(3)試驗(yàn)意義：盧瑟福通過(guò)α粒子散射試驗(yàn)，否定了湯姆孫的原子模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型．二、核式結(jié)構(gòu)模型及與經(jīng)典理論的沖突1．核式結(jié)構(gòu)模型盧瑟福提出的新的原子結(jié)構(gòu)模型，在原子中間有一個(gè)體積很小、帶正電荷的核，而電子在核外繞核運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為原子的“核式結(jié)構(gòu)模型”．2．原子核的電荷與尺度3．原子的核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典理論的沖突用經(jīng)典電磁理論在說(shuō)明原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和電磁波譜的分立特征時(shí)遇到了困難．1．正誤推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)盧瑟福為了證明湯姆孫原子模型的正確性進(jìn)行了α粒子散射試驗(yàn)． (√)(2)α粒子散射試驗(yàn)中大多數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)或反彈． (×)(3)盧瑟福否定了湯姆孫模型，建立了原子核式結(jié)構(gòu)模型． (√)(4)原子的質(zhì)量幾乎全部集中在原子核上． (√)(5)原子中全部正電荷都集中在原子核內(nèi)． (√)(6)核電荷數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，也等于中子數(shù)． (×)2．(多選)由α粒子的散射試驗(yàn)可以得出的正確結(jié)論有()A．原子中絕大部分是空的B．原子中全部正電荷都集中在原子核上C．原子內(nèi)有中子D．原子的質(zhì)量幾乎全部都集中在原子核上ABD[盧瑟福由α粒子散射試驗(yàn)得到的結(jié)論有：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)量都集中在原子核內(nèi)，帶負(fù)電的電子在核外的空間運(yùn)動(dòng)．]3．(多選)關(guān)于原子的核式結(jié)構(gòu)模型，下列說(shuō)法正確的是()A．原子中絕大部分是“空”的，原子核很小B．電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)的向心力是原子核對(duì)它的庫(kù)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(jí)是10－10mAB[因?yàn)樵拥娜空姾珊蛶缀跞抠|(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(cuò)誤；電子繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子核與電子間的庫(kù)侖引力供應(yīng)向心力，B正確；原子核直徑的數(shù)量級(jí)是10－15m，原子直徑的數(shù)量級(jí)是10－10m，D錯(cuò)誤．]對(duì)α粒子散射試驗(yàn)現(xiàn)象的分析1．試驗(yàn)背景α粒子散射試驗(yàn)是盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生做的一個(gè)聞名的物理試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的是想驗(yàn)證湯姆孫原子模型的正確性，試驗(yàn)結(jié)果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)．在此基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型．2．裝置放射源、金箔、可移動(dòng)探測(cè)器等，如圖所示．3．大角度偏轉(zhuǎn)的試驗(yàn)現(xiàn)象分析(1)由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于α粒子質(zhì)量，所以電子不行能使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．依據(jù)湯姆孫原子模型，正電荷在原子內(nèi)是勻稱(chēng)分布的，α粒子穿過(guò)原子時(shí)，它受到的兩側(cè)斥力大部分抵消，因而也不行能使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粒子散射試驗(yàn)相沖突．(3)試驗(yàn)現(xiàn)象表明原子絕大部分是空的，原子的幾乎全部質(zhì)量和全部正電荷都集中在原子中心的一個(gè)很小的核上，否則，α粒子大角度散射是不行能的．4．原子的核式結(jié)構(gòu)模型對(duì)α粒子散射試驗(yàn)結(jié)果的說(shuō)明(1)當(dāng)α粒子穿過(guò)原子時(shí)，假如離核較遠(yuǎn)，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿過(guò)“一片空地”一樣，無(wú)遮無(wú)擋，運(yùn)動(dòng)方向變更很?。?yàn)樵雍撕苄?，所以絕大多數(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(guò)時(shí)，才受到很大的庫(kù)侖力作用，發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，而這種機(jī)會(huì)很少，所以有少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)．(3)假如α粒子正對(duì)著原子核射來(lái)，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°，這種機(jī)會(huì)極少，如圖所示，所以極少數(shù)粒子的偏轉(zhuǎn)角度甚至大于90°.【例1】(多選)如圖所示為盧瑟福和他的同事們做α粒子散射試驗(yàn)的裝置示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中A、B、C、D四個(gè)位置時(shí)視察到的現(xiàn)象，下述說(shuō)法中正確的是()A．放在A位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)視察到屏上的閃光次數(shù)最多B．放在B位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)視察到屏上的閃光次數(shù)只比A位置稍少些C．放在B位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)視察到屏上的閃光次數(shù)要比A位置少許多D．放在C、D位置時(shí)，屏上視察不到閃光AC[在盧瑟福α粒子散射試驗(yàn)中，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)，故A正確；少數(shù)α粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過(guò)90°，極個(gè)別α粒子被反射回來(lái)，故B、D錯(cuò)誤，C正確．](1)分析α粒子散射試驗(yàn)中的現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)留意是“絕大多數(shù)”“少數(shù)”還是“極少數(shù)”粒子的行為．“大角度偏轉(zhuǎn)”只是少數(shù)粒子的行為．(2)α粒子散射試驗(yàn)是得出原子核式結(jié)構(gòu)模型的試驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的分析是建立盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的關(guān)鍵．通過(guò)對(duì)α粒子散射試驗(yàn)這一宏觀探測(cè)，間接地構(gòu)建出原子結(jié)構(gòu)的微觀圖景．1．盧瑟福利用α粒子轟擊金箔的試驗(yàn)探討原子結(jié)構(gòu)，正確反映試驗(yàn)結(jié)果的示意圖是()ABCDD[原子的中心是體積很小的原子核，原子的絕大部分質(zhì)量和全部正電荷都集中在原子核上，當(dāng)α粒子接近原子核的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生大角度散射，甚至被彈回．所以D選項(xiàng)正確．]原子的核式結(jié)構(gòu)模型及與經(jīng)典理論的沖突1．原子的核式結(jié)構(gòu)與原子的棗糕模型的區(qū)分核式結(jié)構(gòu)棗糕模型分布狀況原子內(nèi)部是特別空曠的，正電荷集中在一個(gè)很小的核里，電子繞核高速旋轉(zhuǎn)原子是充溢了正電荷的球體，電子勻稱(chēng)嵌在原子球體內(nèi)受力狀況少數(shù)靠近原子核的α粒子受到的庫(kù)侖力大，而大多數(shù)離核較遠(yuǎn)的α粒子受到的庫(kù)侖力較小α粒子在原子內(nèi)部時(shí)，受到的庫(kù)侖斥力相互抵消，幾乎為零偏轉(zhuǎn)狀況絕大多數(shù)α粒子運(yùn)動(dòng)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(guò)90°，有的甚至被彈回不會(huì)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，更不會(huì)被彈回分析狀況符合α粒子散射現(xiàn)象不符合α粒子散射現(xiàn)象[特殊提示]盧瑟福把原子的結(jié)構(gòu)跟太陽(yáng)系比較，他認(rèn)為帶正電的原子核像太陽(yáng)，帶負(fù)電的電子像圍著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的行星．在這個(gè)“太陽(yáng)系”中，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力．因而這個(gè)模型又被稱(chēng)為“行星模型”．這是科學(xué)家利用類(lèi)比方法的又一佐證．2．原子核的電荷與尺度[特殊提示]原子很小，原子核更小，假如將原子比作足球場(chǎng)，那么原子核僅相當(dāng)于一只螞蟻大小．【例2】在α粒子散射試驗(yàn)中，依據(jù)α粒子與原子核發(fā)生對(duì)心碰撞時(shí)能達(dá)到的最小距離可以估算原子核的大?。F(xiàn)在一個(gè)α粒子以2.0×107m/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(diǎn)電荷電場(chǎng)中的電勢(shì)能表達(dá)式為Ep＝keq\f(q1q2,r)，r為距點(diǎn)電荷的距離．α粒子質(zhì)量為6.64×10－27kg)．[思路點(diǎn)撥](1)α粒子的運(yùn)動(dòng)方向沿α粒子和金原子核的連線．(2)當(dāng)α粒子的動(dòng)能減為零時(shí)，電勢(shì)能最大，離原子核最近．(3)原子核的大小應(yīng)比最近距離小一些．[解析]當(dāng)α粒子靠近原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，α粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能，達(dá)到最近距離時(shí)，動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能，所以α粒子與原子核發(fā)生對(duì)心碰撞時(shí)所能達(dá)到的最小距離為d，則eq\f(1,2)mv2＝keq\f(q1q2,d)，則d＝eq\f(2kq1q2,mv2)＝eq\f(2×9.0×109×2×79×1.6×10－192,6.64×10－27×2.0×1072)m＝2．7×10－14m.[答案]2.7×10－14m分析α粒子散射試驗(yàn)中的力電問(wèn)題常用的規(guī)律(1)庫(kù)侖定律：F＝keq\f(q1q2,r2)，用來(lái)分析α粒子和原子核間的相互作用力．(2)牛頓其次定律：該試驗(yàn)中α粒子只受庫(kù)侖力，可依據(jù)庫(kù)侖力的變更分析加速度的變更．(3)功能關(guān)系：依據(jù)庫(kù)侖力做功，可分析動(dòng)能的變更，也能分析電勢(shì)能的變更．(4)原子核帶正電，其四周的電場(chǎng)相當(dāng)于正點(diǎn)電荷的電場(chǎng)，留意應(yīng)用其電場(chǎng)線和等勢(shì)面的特點(diǎn)．2．如圖所示，依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)，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(chǎng)的等勢(shì)線，實(shí)線表示一個(gè)α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡．在α粒子從a運(yùn)動(dòng)到b，再運(yùn)動(dòng)到c的過(guò)程中，下列說(shuō)法中正確的是()A．動(dòng)能先增大，后減小B．電勢(shì)能先減小，后增大C．電場(chǎng)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C[依據(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，即原子核外的電場(chǎng)分布與正點(diǎn)電荷電場(chǎng)類(lèi)似．α粒子從a運(yùn)動(dòng)到b，電場(chǎng)力做負(fù)功，動(dòng)能減小，電勢(shì)能增大；從b運(yùn)動(dòng)到c，電場(chǎng)力做正功，動(dòng)能增大，電勢(shì)能減小；a、c在同一條等勢(shì)線上，則電場(chǎng)力做的總功等于零，C正確，A、B錯(cuò)誤；a、b、c三點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小關(guān)系Ea＝Ec＜Eb，故α粒子的加速度先變大，后變小，D錯(cuò)誤．]課堂小結(jié)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)1.湯姆孫原子結(jié)構(gòu)模型.2.α粒子散射試驗(yàn)及試驗(yàn)現(xiàn)象分析.3.原子核式結(jié)構(gòu)模型及與經(jīng)典電磁理論的沖突.1．(多選)關(guān)于原子核式結(jié)構(gòu)理論說(shuō)法正確的是()A．是通過(guò)發(fā)覺(jué)電子現(xiàn)象得出來(lái)的B．是通過(guò)α粒子散射現(xiàn)象得出來(lái)的C．原子的中心有個(gè)核，叫作原子核D．原子的正電荷勻稱(chēng)分布在整個(gè)原子中BC[原子的核式結(jié)構(gòu)模型是在α粒子的散射試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出的，A錯(cuò)誤，B正確．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(gè)很小的范圍，稱(chēng)為原子核，C正確，D錯(cuò)誤．]2．X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它們?nèi)肷鋾r(shí)的動(dòng)能相同，其偏轉(zhuǎn)軌道可能是下圖中的()D[α粒子離金核越遠(yuǎn)其所受斥力越小，軌道彎曲程度就越小，故選項(xiàng)D正確．]3．(多選)以下論斷中正確的是()A．按經(jīng)典電磁理論，核外電子受原子核庫(kù)侖引力，不能靜止，只能繞核運(yùn)轉(zhuǎn)，電子繞核加速運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷地向外輻射電磁波B．按經(jīng)典理論，繞核運(yùn)轉(zhuǎn)的電子不斷向外輻射能量，電子將漸漸接近原子核，最終落入原子核內(nèi)C．依據(jù)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)理論，原子核外電子繞核旋轉(zhuǎn)，原子是不穩(wěn)定的，說(shuō)明該理論不正確D．經(jīng)典電磁理論可以很好地應(yīng)用于宏觀物體，也能用于說(shuō)明原子世界的現(xiàn)象AB[盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)沒(méi)有問(wèn)題，主要問(wèn)題出在經(jīng)典電磁理論不能用來(lái)說(shuō)明原子世界的現(xiàn)象，故A、B正確，C、D錯(cuò)誤．]4．1911年盧瑟福依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)中α粒子發(fā)生了____