高中物理粤教版选修3-5学案 第三章+第二节+原子的结构+Word版含解析

第二节原子的结构
1．汤姆生设想原子是一个球体，带正电的部分均匀地分布在其中，质量很小的电子则像布丁中的葡萄干一样镶嵌在内。该模型被卢瑟福的α粒子散射实验否定。
2．α粒子散射实验的方法是：用由放射源发射的α粒子束轰击金箔，利用荧光屏接收，探测通过金箔后的α粒子偏转情况。
3．α粒子散射实验的目的是：α粒子通过金箔时，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力作用，一些α粒子的运动方向改变，也就是α粒子发生散射。统计散射到各个方向的α粒子数量，即可推知原子中质量和正电荷的分布情况。
4．α粒子散射实验的现象是：绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°。
5．卢瑟福的原子核式结构模型认为：原子中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电子则在核外空间绕核旋转。
6．实验确定的原子核半径的数量级为10－15～10－14 m，原子半径的数量级为10－10 m。
α粒子散射实验
1.实验装置(如图所示)
放射源——释放α粒子；金箔——靶子；显微镜荧光屏(可转动)——用于观察。
2．实验过程
α粒子从铅盒射出，经过一条细通道，形成细射线穿过金箔后打在荧光屏上产生闪光，用可转动的显微镜从不同角度进行观察。
3．实验现象
(1)α粒子通过金箔时，绝大多数不发生偏转，仍沿原来的方向前进。
(2)少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°。
(3)有的甚至被弹回，偏转几乎达到180°。
4．实验分析
(1)由于电子质量远小于α粒子质量，所以二者发生碰撞时电子不可能使α粒子发生大角度偏转。
(2)使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分，按照汤姆生的原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到两侧的斥力大部分抵消，因而也不可能使α粒子发生大角度偏转，更不可能使α粒子反向弹回，这与α粒子的散射实验的现象矛盾。
(3)现象说明原子绝大部分是空的，除非原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则，α粒子的大角度散射是不可能的。
(1)整个实验过程在真空中进行，且金箔很薄，α粒子很容易穿过。
(2)α粒子散射实验否定了汤姆生的原子结构模型，提出了原子的核式结构模型。
1．[多选]在α粒子散射实验中，如果一个α粒子跟金箔中的电子相撞，则(　　)
A．α粒子的动能几乎没有损失
B．α粒子损失大部分动能
C．α粒子不会发生显著的偏转
D．α粒子将发生大角度的偏转
解析：选AC　由于α粒子质量远大于电子质量，α粒子碰到电子就像子弹碰到尘埃一样，其运动速度几乎不会发生改变，故A、C对，B、D错。
原子的核式结构
1.原子的核式结构模型的内容
原子的中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电子则在核外空间绕核旋转。
2．对α粒子散射实验的解释
(1)按照该模型，由于原子核很小，大部分α粒子穿过金箔时都离核很远，受到的库仑斥力很小，它们的运动几乎不受影响。
(2)极少数的α粒子从原子核附近飞过，受到的库仑斥力很大，从而发生大角度的偏转。
(3)极个别的α粒子正对着原子核射来，受到的库仑斥力最大，偏转角几乎达到180°。
如图所示
3．原子核的电荷与尺度
(1)原子内的电荷关系：原子核的电荷数等于核外电子数，非常接近于它们的原子序数。
(2)原子核的大小：原子核半径的数量级为10－15m，原子半径的数量级为10－10m，两者相差十万倍之多，可见原子内部十分“空旷”。
(1)使α粒子发生偏转的是原子核对它的库仑斥力，α粒子离原子核越近，库仑力越大，α粒子的加速度越大，反之则越小。
(2)α粒子与原子核间的万有引力远小于两者间的库仑力，因而可以忽略不计。并且处理α粒子等微观粒子时一般不计重力。
2．(上海高考)卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，提出了原子内部存在(　　)
A．电子　　　　　　　 B．中子
C．质子 D．原子核
解析：选D　卢瑟福在α粒子散射实验中观察到绝大多数α粒子穿过金箔后几乎不改变运动方向，只有极少数的α粒子发生了大角度的偏转，说明在原子的中央存在一个体积很小的带正电的物质，将其称为原子核。故选项D正确。
α粒子散射实验
[例1]　关于α粒子散射实验，下列说法中正确的是(　　)
A．绝大多数α粒子经过金箔后，发生了角度不太大的偏转
B．α粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少
C．α粒子离开原子核的过程中，动能增大，电势能也增大
D．对α粒子散射实验的数据进行分析，可以估算出原子核的大小
[解析]　由于原子核很小，α粒子十分接近它的机会很少，所以绝大多数α粒子基本上仍按直线方向前进，只有极少数发生大角度的偏转。从α粒子散射实验数据可以估计出原子核的大小约为10－15m。由此可知A错，D正确。
用极端法，设α粒子向金核射去，如图所示。可知α粒子接近原子核时，克服电场力做功，所以其动能减少，电势能增加；当α粒子远离原子核时，电场力做功，其动能增加，电势能减少，所以选项
B、C都错。
[答案]　D
(1)原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间运动。原子核很小，直径数量级为10－15 m。
(2)α粒子散射实验中的做功与能量转化。
①当α粒子靠近原子核时，库仑斥力做负功，电势能增加。
②当α粒子远离原子核时，库仑斥力做正功，电势能减小。
③仅有库仑斥力做功，能量只是电势能和动能之间相互转化，而总能量保持不变。
1.根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为α粒子散射图。图中实线表示α粒子的运动轨迹，则关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　)
A．图中发生大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大
B．图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞
C．绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小
D．根据α粒子散射实验可以估算原子的大小
解析：选C　题图中发生大角度偏转的α粒子所受的库仑力先做负功后做正功，电势能先增大后减小，故A错误；α粒子反弹是因为受金原子核的库仑斥力作用，并未发生碰撞，故B错误；绝大多数α粒子沿原方向前进，说明带正电的原子核占据的空间很小，C正确；当α粒子最靠近原子核时，可以估算原子核的大小，无法估算原子的大小，D错误。
核式结构模型中电子的运动问题
[例2]　关于原子结构理论与α粒子散射实验的关系，下列说法正确的是(　　)
A．卢瑟福做α粒子散射实验是为了验证汤姆孙的枣糕模型是错误的
B．卢瑟福认识到汤姆孙“枣糕模型”的错误后提出了“核式结构”理论
C．卢瑟福的α粒子散射实验是为了验证式结构理论的正确性
D．卢瑟福依据α粒子散射实验的现象提出了原子的“核式结构”理论
[解析]　由于卢瑟福设计的α粒子散射实验是为了探究原子内电荷的分布，并非为了验证汤姆孙的“模型”是错误的，A错误；卢瑟福并不是认识到“模型”的错误而提出“核式结构”理论，B错误；卢瑟福做了α粒子散射实验后，由实验现象提出了“核式结构”理论，C错误，D正确。
[答案]　D
2．下列选项中，不能由α粒子散射实验得出的结论有(　　)
A．原子中绝大部分是空的
B．原子中全部正电荷集中在原子核上
C．原子内有中子
D．原子的质量几乎全部集中在原子核上
解析：选C　卢瑟福由α粒子散射实验得到结论有：在原子中心有一个很小的核叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，带负电的电子在核外的空间运动，故选C。
一、选择题(第1～5题为单选题，第6～8题为多选题)
1．卢瑟福α粒子散射实验的结果(　　)
A．证明了质子的存在
B．证明了原子核是由质子和中子组成的
C．证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上
D．说明原子中的电子只能在某些不连续的轨道上运动
解析：选C　卢瑟福的α粒子散射实验是物理学史上的一个重要实验，它只是证明了原子具有核式结构，否定了汤姆生的“葡萄干布丁模型”，该实验无法证明原子核的内部结构，也无法说明原子核外电子的情况。
2．以下说法中符合汤姆生原子模型的是(　　)
A．原子中的正电部分均匀分布在原子中
B．原子中的正电部分集中在很小的体积内
C．电子在原子内可以自由运动
D．电子在原子内不能做任何运动
解析：选A　在汤姆生模型中，电子虽然镶嵌在原子中，但并不是完全固定的，它可以振动。
3.在卢瑟福的α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图所示。图中P、Q为轨迹上的点，虚线是经过P、Q两点并与轨迹相切的直线，两虚线将平面分为四个区域。不考虑其他原子核对α粒子的作用，则关于该原子核的位置，正确的是(　　)
A．一定在①区域 B．可能在②区域
C．可能在③区域 D．一定在④区域
解析：选A　根据曲线运动的条件可知选项A正确。
4．关于原子结构，汤姆生提出葡萄干布丁模型、卢瑟福提出行星模型，都采用了类比推理的方法，下列事实中，主要采用类比推理的是(　　)
A．人们为便于研究物体的运动而建立的质点模型
B．伽利略从教堂吊灯的摆动中发现摆的等时性规律
C．库仑根据牛顿的万有引力定律提出库仑定律
D．托马斯·杨通过双缝干涉实验证明光是一种波
解析：选C　质点的模型是一种理想化的物理模型，是为研究物体的运动而建立的；伽利略的摆的等时性是通过自然现象发现的；托马斯·杨是通过实验证明光是一种波，是建立在事实的基础上的。
5．当α粒子穿过金箔发生大角度偏转的过程中，下列说法正确的是(　　)
A．α粒子先受到原子核的斥力作用，后受原子核的引力的作用
B．α粒子一直受到原子核的斥力作用
C．α粒子先受到原子核的引力作用，后受到原子核的斥力作用
D．α粒子一直受到库仑斥力，速度一直减小
解析：选B　α粒子与原子核均带正电，两者相互排斥，故A、C错，B对。α粒子在靠近原子核的过程中斥力做负功，速度减小，远离原子核的过程中，斥力做正功，速度增大，故D错。
6．下列对原子结构的认识中，正确的是(　　)
A．原子中绝大部分是空的，原子核很小
B．电子在核外旋转，库仑力提供向心力
C．原子的全部正电荷都集中在原子核里
D．原子核的直径大约是10－10 m
解析：ABC　原子是由位于原子中心带正电的原子核和核外带负电的电子构成的，电子在核外绕核高速旋转，库仑力提供向心力，由此可判定B、C正确，根据散射实验知原子核直径数量级为10－15 m，而原子直径的数量级为10－10 m，故A正确，D错误。
7．在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时，α粒子符合下列哪种情况(　　)
A．动能最小
B．势能最小
C．α粒子与金原子核组成的系统能量很小
D．所受金原子核的斥力最大
解析：选AD　α粒子在靠近原子核的过程中，克服库仑斥力做功，动能减少，电势能增大；两者相距最近时，动能最小，电势能最大，总能量守恒，故A对，B、C错。由库仑定律可知，距离最近时斥力最大，D对。
8．如图为α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下述说法正确的是(　　)
A．相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多
B．相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多
C．放在C、D位置时屏上观察不到闪光
D．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少
解析：选ABD　根据α粒子散射实验的现象，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上沿原方向前进，因此在A位置观察到闪光次数最多，故A正确；少数α粒子发生大角度偏转，因此从A到D观察到的闪光会逐渐减小，因此B、D正确，C错。
二、非选择题
9．如图所示，M、N为原子核外的两个等势面，已知UNM＝100 V。一个α粒子以2.5×105 m/s从等势面M上的A点运动到B点，求α粒子在B点时速度的大小。(已知mα＝6.64×10－27 kg)
解析：α粒子在由A到B的过程中，满足
－2eUNM＝mv2－mv
由此得v＝
＝ m/s
≈2.3×105 m/s。
答案：2.3×105 m/s