教科版高中物理選修35課件22原子的核式結(jié)構(gòu)模型-2

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原子的核式結(jié)構(gòu)模型一、湯姆孫的原子模型湯姆孫于1904年提出了原子模型,他認(rèn)為正電荷構(gòu)成一個(gè)密度均勻的_____,_____“浸浮”其中,并分布在一些特定的同心圓環(huán)或球殼上。球體電子湯姆孫的原子模型,小圓點(diǎn)代表_______,大圓點(diǎn)代表_____。湯姆孫的原子模型被稱為“棗糕模型”。該模型能解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,但后來(lái)被___________實(shí)驗(yàn)否定了。正電荷電子α粒子散射【想一想】甲乙兩圖,哪個(gè)圖是湯姆孫提出的原子模型?提示:在湯姆孫的原子模型中,原子是一個(gè)球體;正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi),而電子都像棗糕中的棗那樣鑲嵌在內(nèi)。故應(yīng)是甲。二、α粒子散射實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)裝置:(1)放射源①釙放在帶小孔的鉛盒中,能放射_______。②α粒子:帶正電,q=____,質(zhì)量約為氫原子的4倍,射出速度可達(dá)107m/s。α粒子+2e(2)探測(cè)器:能夠圍繞金箔在_______內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),α粒子打在探測(cè)器上會(huì)發(fā)出_____。2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論:(1)絕大多數(shù)的α粒子穿過(guò)金箔后_________的方向前進(jìn)。(2)少數(shù)α粒子發(fā)生了_____的偏轉(zhuǎn)。(3)極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角度超過(guò)_____,個(gè)別甚至接近180°。水平面熒光仍沿原來(lái)較大90°3.實(shí)驗(yàn)意義:盧瑟福通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn),否定了湯姆孫的原子模型,建立了_________模型。核式結(jié)構(gòu)【想一想】盧瑟福為什么選用α粒子和金箔作為散射實(shí)驗(yàn)的“炮彈”和“靶子”?提示:(1)某些放射性物質(zhì)釋放的α粒子具有很大的動(dòng)能。(2)金箔和鋁箔相比,金的原子序數(shù)大,α粒子與金原子核間的庫(kù)侖力大,發(fā)生偏轉(zhuǎn)明顯。(3)金的延展性比鋁好,容易做成極薄的金箔。三、盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型1.核式結(jié)構(gòu)模型:1911年由盧瑟福提出,在原子中間有一個(gè)體積很小帶正電的核,而_____在核外繞核運(yùn)動(dòng)。2.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)_____,非常接近于它們的原子序數(shù)。電子相等(2)原子核的大小:實(shí)驗(yàn)確定的原子核半徑R的數(shù)量級(jí)為______,而原子半徑的數(shù)量級(jí)是______。因而原子內(nèi)部十分“空曠”。10-15m10-10m【判一判】(1)原子的全部正電荷和質(zhì)量都集中在原子核里。(

)(2)原子核半徑的數(shù)量級(jí)是10-10m。(

)(3)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。(

)提示:(1)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),而電子也是有質(zhì)量的,故(1)錯(cuò)誤。(2)原子核的直徑約是10-15m,原子的直徑約是10-10m,故(2)錯(cuò)誤。(3)電子繞原子核的圓周運(yùn)動(dòng)需要向心力,向心力是由原子核與電子間的庫(kù)侖力提供的,故(3)正確。四、原子核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁理論相矛盾盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型能很好地解釋________________,但不能解釋原子光譜是_______和______________。α粒子散射實(shí)驗(yàn)線狀的原子的穩(wěn)定性【想一想】盧瑟福的原子模型是如何解釋?duì)亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)結(jié)果的?提示:α粒子穿過(guò)原子時(shí),如果離核較遠(yuǎn),受到的庫(kù)侖斥力就很小,運(yùn)動(dòng)方向也改變很小,只有當(dāng)α粒子十分接近核時(shí),才受到很大的庫(kù)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(huì)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)。知識(shí)點(diǎn)一、α粒子散射實(shí)驗(yàn)與核式結(jié)構(gòu)模型思考探究:α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象如圖所示:仔細(xì)觀察圖片,請(qǐng)思考以下問(wèn)題:(1)電子與α粒子之間有什么力?表現(xiàn)為引力還是斥力?原子核與α粒子之間呢?(2)為什么越靠近原子核的α粒子偏折角度越大?

【歸納總結(jié)】

1.α粒子散射實(shí)驗(yàn)與湯姆孫的原子模型的沖突分析:(1)分析否定的原因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(guò)原子時(shí),它受到的兩側(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),更不可能使α粒子反向彈回,這與α粒子的散射實(shí)驗(yàn)相矛盾。③實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明原子絕大部分是空的,除非原子的幾乎全部質(zhì)量和所有正電荷都集中在原子中心的一個(gè)很小的核上,否則,α粒子大角度散射是不可能的。(2)原子的核式結(jié)構(gòu)與原子的棗糕模型的根本區(qū)別核式結(jié)構(gòu)棗糕模型原子內(nèi)部是非?？諘绲?正電荷集中在一個(gè)很小的核里原子是充滿了正電荷的球體電子繞核高速旋轉(zhuǎn)電子均勻嵌在原子球體內(nèi)2.原子的核式結(jié)構(gòu)模型對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋:(1)當(dāng)α粒子穿過(guò)原子時(shí),如果離核較遠(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)方向改變很小,因?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粒子十分接近原子核穿過(guò)時(shí),才受到很大的庫(kù)侖力作用,偏轉(zhuǎn)角才很大,而這種機(jī)會(huì)很少。(3)如果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?！咎貏e提醒】(1)湯姆孫的原子模型無(wú)法解釋?duì)亮Ｗ拥拇蠼嵌壬⑸?因?yàn)殡娮淤|(zhì)量太小,不會(huì)使α粒子的運(yùn)動(dòng)方向明顯改變。如果正電荷均勻分布,α粒子穿過(guò)金箔時(shí)受到各方向的庫(kù)侖斥力基本平衡,也不會(huì)使α粒子發(fā)生大角度散射。(2)盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)估算出了原子核半徑的數(shù)量級(jí)為10-15m。

【典例探究】【典例】(多選)如圖所示為盧瑟福和他的同事們做α粒子散射實(shí)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),觀察到的現(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)觀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)觀察到屏上的閃光次數(shù)只比A位置稍少些C.放在C、D位置時(shí),屏上觀察不到閃光D.放在D位置時(shí),屏上仍能觀察到一些閃光,但次數(shù)極少【思路點(diǎn)撥】審題時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下兩點(diǎn):(1)注意關(guān)鍵詞語(yǔ)“次數(shù)最多”“稍少”“極少”等。(2)明確實(shí)驗(yàn)裝置中各部分的組成及作用?！菊_解答】選A、D。在盧瑟福α粒子散射實(shí)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、C錯(cuò),D對(duì)?！究偨Y(jié)提升】對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的題的解法(1)熟記裝置及原理α粒子散射實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn),因此對(duì)實(shí)驗(yàn)器材、現(xiàn)象、現(xiàn)象分析、結(jié)論都必須弄明白,才能順利解答有關(guān)問(wèn)題。(2)理解建立核式結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)①核外電子不會(huì)使α粒子的速度發(fā)生明顯改變。②湯姆孫模型不能解釋?duì)亮Ｗ拥拇蠼嵌壬⑸?。③少?shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn),甚至反彈回來(lái),表明這些α粒子在原子中的某個(gè)地方受到了質(zhì)量、電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(guò)厚厚的金原子層時(shí)運(yùn)動(dòng)方向沒(méi)有明顯變化,說(shuō)明原子中絕大部分是空的。原子的質(zhì)量、電量都集中在體積很小的核上。【過(guò)關(guān)訓(xùn)練】1.下列對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的描述,你認(rèn)為正確的有(

)A.實(shí)驗(yàn)器材有放射源、金箔、帶有熒光屏的放大鏡B.金箔的厚度對(duì)實(shí)驗(yàn)無(wú)影響C.如果不用金箔改用鋁箔,就不會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象D.實(shí)驗(yàn)裝置放在空氣中和真空中都可以【解析】選A。由對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的描述可知A項(xiàng)正確。實(shí)驗(yàn)所用的金箔的厚度極小,如果金箔的厚度過(guò)大,α粒子穿過(guò)金箔時(shí)必然受到較大的阻礙作用而影響實(shí)驗(yàn)效果,B項(xiàng)錯(cuò)。如果改用鋁箔,由于鋁核的質(zhì)量仍遠(yuǎn)大于α粒子的質(zhì)量,散射現(xiàn)象仍然發(fā)生,C項(xiàng)錯(cuò)?？諝獾牧鲃?dòng)及空氣中有許多漂浮的分子,會(huì)對(duì)α粒子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響,實(shí)驗(yàn)裝置是放在真空中進(jìn)行的,D項(xiàng)錯(cuò)。2.(2015·安徽高考)圖示是α粒子(氦原子核)被重金屬原子核散射的運(yùn)動(dòng)軌跡,M、N、P、Q是軌跡上的四點(diǎn),在散射過(guò)程中可以認(rèn)為重金屬原子核靜止不動(dòng)。圖中所標(biāo)出的α粒子在各點(diǎn)處的加速度方向正確的是(

)A.M點(diǎn)B.N點(diǎn)C.P點(diǎn)D.Q點(diǎn)【解析】選C。α粒子做曲線運(yùn)動(dòng),其所受重金屬原子核的作用力應(yīng)指向曲線的內(nèi)側(cè),即加速度方向應(yīng)指向曲線的內(nèi)側(cè),B、D錯(cuò)誤;由庫(kù)侖定律可知M點(diǎn)粒子所受庫(kù)侖力的方向錯(cuò)誤,所以A錯(cuò)誤,C正確?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】1.在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)中,有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),其原因是(

)A.原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個(gè)很小的核上B.正電荷在原子內(nèi)是均勻分布的C.原子中存在著帶負(fù)電的電子D.原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中【解析】選A。盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)中使盧瑟福驚奇的就是α粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn),這是由于α粒子帶正電,而原子核極小,且原子核帶正電,選項(xiàng)A正確,選項(xiàng)B錯(cuò)誤。α粒子能接近原子核的機(jī)會(huì)很小,大多數(shù)α粒子都從核外的空間穿過(guò),而與電子碰撞時(shí)如同子彈碰到塵埃一樣,運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生改變.選項(xiàng)C、D的說(shuō)法正確,但與題意不符。2.(多選)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(shuō).如圖所示,O表示金原子核的位置,曲線ab和cd分別表示經(jīng)過(guò)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】選B、D。α粒子和原子核都帶正電,α粒子離核越近受斥力越大,偏轉(zhuǎn)越大,C錯(cuò)D對(duì);曲線運(yùn)動(dòng)的軌跡總是彎向受力的一側(cè),A錯(cuò)B對(duì)。知識(shí)點(diǎn)二、α粒子散射實(shí)驗(yàn)中的能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題思考探究:觀察圖片,請(qǐng)思考以下問(wèn)題:(1)α粒子1從a到b的過(guò)程中,庫(kù)侖力做什么功?動(dòng)能怎么變?電勢(shì)能怎么變?從b到c的過(guò)程中,庫(kù)侖力做什么功?動(dòng)能怎么變?電勢(shì)能怎么變?(2)α粒子2從e到f的過(guò)程中,庫(kù)侖力大小怎么變?加速度大小怎么變?從b到c的過(guò)程中,庫(kù)侖力大小怎么變?加速度大小怎么變?

【歸納總結(jié)】

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。(2)α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。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: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?！咎貏e提醒】(1)α粒子與原子核之間的萬(wàn)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。

【典例探究】【典例】如圖所示,Q為金原子核,M、N為兩個(gè)等勢(shì)面,虛線為α粒子經(jīng)過(guò)原子核附近的運(yùn)動(dòng)軌跡,關(guān)于α粒子,下列說(shuō)法正確的是(

)A.α粒子從K到R的過(guò)程中動(dòng)能逐漸增大B.α粒子從K到R的過(guò)程中動(dòng)能逐漸減小C.α粒子從K到R的過(guò)程中動(dòng)能先減小后增大D.α粒子從K到R的過(guò)程中電勢(shì)能先增大后減小【思路點(diǎn)撥】解答本題可按以下思路分析:(1)根據(jù)α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡判斷庫(kù)侖力對(duì)α粒子做功的情況。(2)由庫(kù)侖力對(duì)α粒子做功的特點(diǎn)判斷α粒子的動(dòng)能及電勢(shì)能間的變化?！菊_解答】選C、D。以α粒子和金原子核為研究對(duì)象,分析α粒子的變化情況【總結(jié)提升】α粒子散射實(shí)驗(yàn)中常用的規(guī)律(1)庫(kù)侖定律:F=,用來(lái)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(shí)驗(yàn)中α粒子只受庫(kù)侖力,可根據(jù)庫(kù)侖力的變化分析加速度的變化。(3)功能關(guān)系:根據(jù)庫(kù)侖力做功,可分析動(dòng)能的變化,也能分析電勢(shì)能的變化。(4)原子核帶正電,其周圍的電場(chǎng)相當(dāng)于正點(diǎn)電荷的電場(chǎng),注意應(yīng)用其電場(chǎng)線和等勢(shì)面的特點(diǎn)?！具^(guò)關(guān)訓(xùn)練】1.根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn),盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。如圖所示為原子核式結(jié)構(gòu)模型的α粒子散射圖。圖中實(shí)線表示α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中一個(gè)α粒子在從a運(yùn)動(dòng)到b、再運(yùn)動(dòng)到c的過(guò)程中(α粒子在b點(diǎn)時(shí)距原子核最近),下列判斷正確的是(

)A.α粒子的動(dòng)能先增大后減小B.α粒子的電勢(shì)能先增大后減小C.α粒子的加速度先變小后變大D.電場(chǎng)力對(duì)α粒子先做正功后做負(fù)功【解析】選B。根據(jù)題意,α粒子帶正電,此粒子由a到b是接近帶正電的原子核,由b到c是離開帶正電的原子核,故電場(chǎng)力對(duì)α粒子先做負(fù)功后做正功,所以其電勢(shì)能先增大后減小,而動(dòng)能先減小后增大,B正確,A、D錯(cuò)誤。根據(jù)庫(kù)侖定律和牛頓第二定律可知α粒子加速度先增大后減小,C錯(cuò)誤。2.在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中,根據(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小?，F(xiàn)有一個(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=,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】解答本題應(yīng)把握以下三點(diǎn):(1)明確α粒子的運(yùn)動(dòng)為沿粒子與原子核連線的直線運(yùn)動(dòng)。(2)當(dāng)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)該比最近距離小一些?！窘馕觥慨?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=2.7×10-14m。答案:2.7×10-14m【拓展例題】考查內(nèi)容:α粒子散射實(shí)驗(yàn)中的計(jì)算問(wèn)題在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中,根據(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小。現(xiàn)有一個(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=k,r為距點(diǎn)電荷的距離.α粒子質(zhì)量為6.64×10-27kg)?！舅悸伏c(diǎn)撥】解答本題應(yīng)把握以下三點(diǎn):(1)明確α粒子的運(yùn)動(dòng)為沿粒子與原子核連線的直線運(yùn)動(dòng)。(2)當(dāng)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)該比最近距離小一些?！菊_解答】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