高二物理人教版选修3-5学案 第十八章 2 原子的核式结构模型 Word版含解析
文档属性
| 名称 | 高二物理人教版选修3-5学案 第十八章 2 原子的核式结构模型 Word版含解析 |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 444.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-10-20 14:37:06 | ||
图片预览
文档简介
2 原子的核式结构模型
汤姆孙发现电子之后，人们立刻进行建立各种原子模型的尝试，你都知道有哪些典型的模型呢？
提示：(1)勒纳德的动力子模型：原子内部的电子与相应的正电荷组成一个中性的“刚性配偶体”，他取名为动力子，无数动力子漂浮于原子太空内．
(2)长冈半太郎的土星型模型：1904年，他根据麦克斯韦的土星环理论推测原子的结构，提出了一个土星模型，它实际上已经包含了核模型的基本思想，只是对核的大小的数量级及稳定性等问题没有给出足够的重视．
(3)汤姆孙的“枣糕模型”．
(4)卢瑟福的核式结构模型．
(5)玻尔模型．
后面的三种模型教材中已经做了阐述．
在α粒子散射实验中，偏转角大的α粒子与偏转角小的α粒子相比，谁离原子核更近一些？
提示：α粒子与原子核之间有相互作用的库仑斥力，偏转角大，意味着库仑力大，因而也就越靠近原子核．
考点一 α粒子散射实验及原子的核式结构模型
1．α粒子散射实验装置及注意事项
(1)实验装置(如图)由放射源、金箔、荧光屏等组成．
(2)实验注意事项：
①整个实验过程需在真空中进行．
②α粒子是氦原子核，本身非常小，金箔需很薄，α粒子才能很容易穿过．
③实验中用的是金箔而不是铝箔，这是因为金的原子序数大，α粒子与金核间库仑力大，偏转明显；另外金的延展性好，容易做成极薄的金箔．
2．α粒子的散射实验否定了汤姆孙的原子模型
(1)α粒子在穿过原子之间时，所受周围的正、负电荷作用的库仑力是平衡的，α粒子不会发生偏转．
(2)α粒子正对着电子射来，质量远小于α粒子的电子不可能使α粒子发生明显偏转，更不可能使它反弹．
3．原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释
(1)当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一
样，无遮无挡，运动方向改变很小．因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转．
(2)只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，偏转角才很大，而这种机会很少．
(3)如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图所示．
【例1】 在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是( )
A．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
B．正电荷在原子中是均匀分布的
C．原子中存在着带负电的电子
D．金箔中的金原子间存在很大的空隙，只有极少数碰到金原子
→→
→
【答案】 A
【解析】 卢瑟福的α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大角度的偏转，说明只有少数α粒子受到很强的斥力，大多数α粒子受到的斥力很小，这反映出在原子内部正电荷分布在很小的空间，且质量很大，A正确，B错误；实验中所用金箔尽管很薄，但也有上万层原子，由此可知，有少数α粒子偏转显然不是由于碰不到金原子，由此知C、D错误．故选A.
总结提能 α粒子散射实验装置及核式结构模型
(1)熟记装置及原理
α粒子散射实验是一个非常重要的实验，因此对实验器材、现象、现象分析、结论都必须弄明白，才能顺利解答有关问题．
(2)理解建立核式结构模型的要点
①核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．
②汤姆孙模型不能解释α粒子的大角度散射．
③少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用．
④绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的．原子的质量、电荷量主要集中在体积很小的核上．
如图所示为α粒子散射实验装置，粒子打到荧光屏上会引起闪烁，若将带有荧光屏的显微镜分别放在图中A，B，C，D四处位置．则这四处位置在相等时间内统计的闪烁次数符合实验事实的是( A )
A．1 305,25,7,1 B．202,405,625,825
C．1 202,1 010,723,203 D．1 202,1 305,723,203
解析：由于绝大多数粒子运动方向基本不变，所以A位置闪烁次数最多，少数粒子发生了偏转，极少数发生了大角度偏转．符合该规律的数据只有A选项，故选项A正确．
考点二 力、电学知识在α粒子实验或原子核式结构模型中的应用
α粒子散射实验 电子绕核运动
受力 特点 大小：F＝k
方向：α粒子所受库仑力沿α粒子与核的连线，由核指向α粒子．
特点：α粒子离核越近，F越大；反之，F越小. 方向：电子所受库仑力沿电子与核的连线，由电子指向核．
特点：在同一轨道上运动时，F大小不变．
能量转 化情况 ①当α粒子靠近原子核时，库仑斥力对α粒子做负功，电势能增加；
②当α粒子远离原子核时，库仑斥力对α粒子做正功，电势能减小. ①电子绕核运动时，库仑力对电子不做功，电势能、动能不变．
②轨道半径r变大时，库仑力对电子做负功，电势能增加，动能减少；反之，电势能减少，动能增加．
运动 性质 绝大多数α粒子做变加速曲线运动，极个别α粒子做变加速直线运动. 电子绕核做匀速圆周运动，库仑力提供向心力，即k＝m.
【例2】 根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，如图所示中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹，在α粒子从a运动到b，再运动到c的过程中，下列说法中正确的是( )
A．动能先增大，后减小
B．电势能先减小，后增大
C．电场力先做负功，后做正功，总功等于零
D．加速度先变小，后变大
1．α粒子从a运动到b，电场力做正功还是负功，α粒子的电势能增大还是减小？
2．α粒子从a运动到b，受到的电场力大小如何变化？试根据点电荷周围场强大小的关系分析一下．
3．在a点和c点，α粒子具有的动能和电势能是否相同？
【答案】 C
【解析】 α粒子受到原子核的排斥力，接近时动能减小，远离时动能增大，A项错误；电场力先做负功，后做正功，所以电势能先增加，后减小，又由于a、c在同一等势面上，所以α粒子从a运动到c电场力做功为零，B项错误，C项正确；库仑力F＝，即F随r的变化而变化，与r2成反比，所以库仑力先增后减，加速度也是先增后减，D项错误．
总结提能 电荷在电场中运动时，电场力做正功，电荷的动能增加，电势能减小；电场力做负功，电荷的动能减小，电势能增大．
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的速度从等势面M上的A点运动到B点，求α粒子在B点时的速度大小．(已知mα＝6.64×10－27 kg)
答案：2.3×105 m/s
解析：α粒子由A到B的过程中由动能定理得
－2eUNM＝mαv－mαv，
则vB＝＝2.3×105 m/s.
重难疑点辨析
解决原子核式结构模型相关问题的方法
1．解题依据和方法一
解答与本节知识有关的试题，必须以三个实验的现象和从三个实验中发现的事实为基础，应明确以下几点：
(1)汤姆孙发现了电子，说明原子是可分的，电子是原子的组成部分．
(2)卢瑟福“α粒子散射实验”现象说明：原子中绝大部分是空的，原子的绝大部分质量和全部正电荷都集中在一个很小的核上．
(3)卢瑟福用α粒子轰击原子核实验，发现了质子．
2．解题依据和方法二
根据原子的核式结构，结合前面所掌握的动能、电势能、库仑定律及能量守恒定律等知识，是综合分析解决有α粒子靠近原子核过程中，有关功、能的变化，加速度、速度的变化所必备的基础知识和应掌握的方法．
3．解题依据和方法三
明确原子核中核电荷数、质子数、核外电子数以及元素的原子序数四种数的数值相等，以及原子的质量数与核子数相等，并等于质子数与中子数的和．它是分析解决实际问题的依据．
【典例】 (多选)如图所示为α粒子散射实验中α粒子穿过某一金原子核附近时的示意图，A、B、C三点分别位于两个等势面上，则下列说法正确的是( )
A．α粒子在A处的速度比在B处的速度小
B．α粒子在B处的速度最大
C．α粒子在A、C处的速度大小相等
D．α粒子在B处的速度比在C处的速度小
【解析】 由能量守恒定律可知，对于A、B、C三点，A、C位于原子核形成的同一等势面上，电势能相同，故动能也相同，则A、C两点速率相同，故C正确；由A到B，α粒子克服库仑力做功，动能减小，电势能增大，故B点速度最小，D正确，A、B错误．
【答案】 CD
在原子核形成的电场中，越靠近原子核电势越高，α粒子运动过程中，只有动能和电势能相互转化且总和不变，由A到B靠近原子核的过程．电势能增大，动能减小，由B到C远离原子核的过程，电势能又转化为动能．求解此类问题要结合库仑力做功和功能关系分析．
1．α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子的碰撞影响，这是因为( C )
A. α粒子与电子根本无相互作用
B. α粒子受电子作用的合力为零，是因为电子是均匀分布的
C. α粒子和电子碰撞损失能量极少，可忽略不计
D．电子很小，α粒子碰撞不到电子
解析：α粒子与电子之间存在着相互作用力，这个作用力是库仑引力，但由于电子质量很小，碰撞时电子对α粒子的运动影响极小，几乎不改变其运动状态，故C正确．
2．(多选)在α粒子散射实验中，使极少数α粒子产生大角度偏转的原因是( BCD )
A．原子核外有电子
B．原子核体积很小
C．原子核集中了原子中所有的正电荷
D．原子核质量很大
解析：在α粒子散射实验中，极少数α粒子发生大角度偏转，说明它们受到极大的作用力，只有认为原子内部所有正电荷全部集中在一个极小的空间里，且它的质量很大，不易移动，才能产生这样的结果．
3．(多选)关于原子的核式结构模型，下列说法正确的是( AB )
A．原子中绝大部分是“空”的，原子核很小
B．电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力
C．原子的全部电荷和质量都集中在原子核里
D．原子核的直径的数量级是10－10 m
解析：因为原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，而原子核又很小，所以原子内绝大部分区域是“空”的，A正确，C错误；电子绕原子核的圆周运动是原子核与电子间的库仑引力提供向心力，B正确；原子核直径的数量级是10－15 m，原子直径的数量级是10－10 m，D错误．
4．X表示金原子核，α粒子射向金核时被散射，设入射的动能相同，其偏转轨道可能是图中的( D )
解析：离金原子核越远的α粒子，受到的斥力越小，偏转越小．
5．卢瑟福的核式结构模型认为：原子具有核式结构，电子在核外绕原子核运动．若认为电子沿圆轨道绕原子核运动，则电子绕核运动的速率是1.4×107_m/s.(已知电子电荷量e＝1.6×10－19 C，质量me＝9.1×10－31 kg，金原子核的电荷量Q＝1.264×10－17 C，静电力常量k＝9.0×109 N·m2/C2，电子绕核运动的半径r＝1.0×10－10 m)
解析：电子绕核运动时，库仑力提供向心力
k＝，得v＝
＝ m/s
≈1.4×107 m/s.
汤姆孙发现电子之后，人们立刻进行建立各种原子模型的尝试，你都知道有哪些典型的模型呢？
提示：(1)勒纳德的动力子模型：原子内部的电子与相应的正电荷组成一个中性的“刚性配偶体”，他取名为动力子，无数动力子漂浮于原子太空内．
(2)长冈半太郎的土星型模型：1904年，他根据麦克斯韦的土星环理论推测原子的结构，提出了一个土星模型，它实际上已经包含了核模型的基本思想，只是对核的大小的数量级及稳定性等问题没有给出足够的重视．
(3)汤姆孙的“枣糕模型”．
(4)卢瑟福的核式结构模型．
(5)玻尔模型．
后面的三种模型教材中已经做了阐述．
在α粒子散射实验中，偏转角大的α粒子与偏转角小的α粒子相比，谁离原子核更近一些？
提示：α粒子与原子核之间有相互作用的库仑斥力，偏转角大，意味着库仑力大，因而也就越靠近原子核．
考点一 α粒子散射实验及原子的核式结构模型
1．α粒子散射实验装置及注意事项
(1)实验装置(如图)由放射源、金箔、荧光屏等组成．
(2)实验注意事项：
①整个实验过程需在真空中进行．
②α粒子是氦原子核，本身非常小，金箔需很薄，α粒子才能很容易穿过．
③实验中用的是金箔而不是铝箔，这是因为金的原子序数大，α粒子与金核间库仑力大，偏转明显；另外金的延展性好，容易做成极薄的金箔．
2．α粒子的散射实验否定了汤姆孙的原子模型
(1)α粒子在穿过原子之间时，所受周围的正、负电荷作用的库仑力是平衡的，α粒子不会发生偏转．
(2)α粒子正对着电子射来，质量远小于α粒子的电子不可能使α粒子发生明显偏转，更不可能使它反弹．
3．原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释
(1)当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一
样，无遮无挡，运动方向改变很小．因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转．
(2)只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，偏转角才很大，而这种机会很少．
(3)如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图所示．
【例1】 在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是( )
A．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
B．正电荷在原子中是均匀分布的
C．原子中存在着带负电的电子
D．金箔中的金原子间存在很大的空隙，只有极少数碰到金原子
→→
→
【答案】 A
【解析】 卢瑟福的α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大角度的偏转，说明只有少数α粒子受到很强的斥力，大多数α粒子受到的斥力很小，这反映出在原子内部正电荷分布在很小的空间，且质量很大，A正确，B错误；实验中所用金箔尽管很薄，但也有上万层原子，由此可知，有少数α粒子偏转显然不是由于碰不到金原子，由此知C、D错误．故选A.
总结提能 α粒子散射实验装置及核式结构模型
(1)熟记装置及原理
α粒子散射实验是一个非常重要的实验，因此对实验器材、现象、现象分析、结论都必须弄明白，才能顺利解答有关问题．
(2)理解建立核式结构模型的要点
①核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．
②汤姆孙模型不能解释α粒子的大角度散射．
③少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用．
④绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的．原子的质量、电荷量主要集中在体积很小的核上．
如图所示为α粒子散射实验装置，粒子打到荧光屏上会引起闪烁，若将带有荧光屏的显微镜分别放在图中A，B，C，D四处位置．则这四处位置在相等时间内统计的闪烁次数符合实验事实的是( A )
A．1 305,25,7,1 B．202,405,625,825
C．1 202,1 010,723,203 D．1 202,1 305,723,203
解析：由于绝大多数粒子运动方向基本不变，所以A位置闪烁次数最多，少数粒子发生了偏转，极少数发生了大角度偏转．符合该规律的数据只有A选项，故选项A正确．
考点二 力、电学知识在α粒子实验或原子核式结构模型中的应用
α粒子散射实验 电子绕核运动
受力 特点 大小：F＝k
方向：α粒子所受库仑力沿α粒子与核的连线，由核指向α粒子．
特点：α粒子离核越近，F越大；反之，F越小. 方向：电子所受库仑力沿电子与核的连线，由电子指向核．
特点：在同一轨道上运动时，F大小不变．
能量转 化情况 ①当α粒子靠近原子核时，库仑斥力对α粒子做负功，电势能增加；
②当α粒子远离原子核时，库仑斥力对α粒子做正功，电势能减小. ①电子绕核运动时，库仑力对电子不做功，电势能、动能不变．
②轨道半径r变大时，库仑力对电子做负功，电势能增加，动能减少；反之，电势能减少，动能增加．
运动 性质 绝大多数α粒子做变加速曲线运动，极个别α粒子做变加速直线运动. 电子绕核做匀速圆周运动，库仑力提供向心力，即k＝m.
【例2】 根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，如图所示中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹，在α粒子从a运动到b，再运动到c的过程中，下列说法中正确的是( )
A．动能先增大，后减小
B．电势能先减小，后增大
C．电场力先做负功，后做正功，总功等于零
D．加速度先变小，后变大
1．α粒子从a运动到b，电场力做正功还是负功，α粒子的电势能增大还是减小？
2．α粒子从a运动到b，受到的电场力大小如何变化？试根据点电荷周围场强大小的关系分析一下．
3．在a点和c点，α粒子具有的动能和电势能是否相同？
【答案】 C
【解析】 α粒子受到原子核的排斥力，接近时动能减小，远离时动能增大，A项错误；电场力先做负功，后做正功，所以电势能先增加，后减小，又由于a、c在同一等势面上，所以α粒子从a运动到c电场力做功为零，B项错误，C项正确；库仑力F＝，即F随r的变化而变化，与r2成反比，所以库仑力先增后减，加速度也是先增后减，D项错误．
总结提能 电荷在电场中运动时，电场力做正功，电荷的动能增加，电势能减小；电场力做负功，电荷的动能减小，电势能增大．
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的速度从等势面M上的A点运动到B点，求α粒子在B点时的速度大小．(已知mα＝6.64×10－27 kg)
答案：2.3×105 m/s
解析：α粒子由A到B的过程中由动能定理得
－2eUNM＝mαv－mαv，
则vB＝＝2.3×105 m/s.
重难疑点辨析
解决原子核式结构模型相关问题的方法
1．解题依据和方法一
解答与本节知识有关的试题，必须以三个实验的现象和从三个实验中发现的事实为基础，应明确以下几点：
(1)汤姆孙发现了电子，说明原子是可分的，电子是原子的组成部分．
(2)卢瑟福“α粒子散射实验”现象说明：原子中绝大部分是空的，原子的绝大部分质量和全部正电荷都集中在一个很小的核上．
(3)卢瑟福用α粒子轰击原子核实验，发现了质子．
2．解题依据和方法二
根据原子的核式结构，结合前面所掌握的动能、电势能、库仑定律及能量守恒定律等知识，是综合分析解决有α粒子靠近原子核过程中，有关功、能的变化，加速度、速度的变化所必备的基础知识和应掌握的方法．
3．解题依据和方法三
明确原子核中核电荷数、质子数、核外电子数以及元素的原子序数四种数的数值相等，以及原子的质量数与核子数相等，并等于质子数与中子数的和．它是分析解决实际问题的依据．
【典例】 (多选)如图所示为α粒子散射实验中α粒子穿过某一金原子核附近时的示意图，A、B、C三点分别位于两个等势面上，则下列说法正确的是( )
A．α粒子在A处的速度比在B处的速度小
B．α粒子在B处的速度最大
C．α粒子在A、C处的速度大小相等
D．α粒子在B处的速度比在C处的速度小
【解析】 由能量守恒定律可知，对于A、B、C三点，A、C位于原子核形成的同一等势面上，电势能相同，故动能也相同，则A、C两点速率相同，故C正确；由A到B，α粒子克服库仑力做功，动能减小，电势能增大，故B点速度最小，D正确，A、B错误．
【答案】 CD
在原子核形成的电场中，越靠近原子核电势越高，α粒子运动过程中，只有动能和电势能相互转化且总和不变，由A到B靠近原子核的过程．电势能增大，动能减小，由B到C远离原子核的过程，电势能又转化为动能．求解此类问题要结合库仑力做功和功能关系分析．
1．α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子的碰撞影响，这是因为( C )
A. α粒子与电子根本无相互作用
B. α粒子受电子作用的合力为零，是因为电子是均匀分布的
C. α粒子和电子碰撞损失能量极少，可忽略不计
D．电子很小，α粒子碰撞不到电子
解析：α粒子与电子之间存在着相互作用力，这个作用力是库仑引力，但由于电子质量很小，碰撞时电子对α粒子的运动影响极小，几乎不改变其运动状态，故C正确．
2．(多选)在α粒子散射实验中，使极少数α粒子产生大角度偏转的原因是( BCD )
A．原子核外有电子
B．原子核体积很小
C．原子核集中了原子中所有的正电荷
D．原子核质量很大
解析：在α粒子散射实验中，极少数α粒子发生大角度偏转，说明它们受到极大的作用力，只有认为原子内部所有正电荷全部集中在一个极小的空间里，且它的质量很大，不易移动，才能产生这样的结果．
3．(多选)关于原子的核式结构模型，下列说法正确的是( AB )
A．原子中绝大部分是“空”的，原子核很小
B．电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力
C．原子的全部电荷和质量都集中在原子核里
D．原子核的直径的数量级是10－10 m
解析：因为原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，而原子核又很小，所以原子内绝大部分区域是“空”的，A正确，C错误；电子绕原子核的圆周运动是原子核与电子间的库仑引力提供向心力，B正确；原子核直径的数量级是10－15 m，原子直径的数量级是10－10 m，D错误．
4．X表示金原子核，α粒子射向金核时被散射，设入射的动能相同，其偏转轨道可能是图中的( D )
解析：离金原子核越远的α粒子，受到的斥力越小，偏转越小．
5．卢瑟福的核式结构模型认为：原子具有核式结构，电子在核外绕原子核运动．若认为电子沿圆轨道绕原子核运动，则电子绕核运动的速率是1.4×107_m/s.(已知电子电荷量e＝1.6×10－19 C，质量me＝9.1×10－31 kg，金原子核的电荷量Q＝1.264×10－17 C，静电力常量k＝9.0×109 N·m2/C2，电子绕核运动的半径r＝1.0×10－10 m)
解析：电子绕核运动时，库仑力提供向心力
k＝，得v＝
＝ m/s
≈1.4×107 m/s.