鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第4章 章末综合提升word版含答案

[巩固层·知识整合]
[提升层·能力强化]
原子核式结构模型
1．α粒子散射实验
(1)实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进；少数α粒子有较大的偏转；极少数α粒子的偏角超过90°，有的甚至达到180°．
(2)原因：α粒子与金核间的库仑斥力使靠近金核的α粒子发生了大角度偏转．
2．核式结构学说
(1)核式结构学说：在原子的中心有一个很小的原子核，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核内，电子在核外绕核运转．
(2)电子由离核近的轨道跃迁到离核远的轨道，能量增加，电势能增加，动能减少，受到的库仑力变小．
【例1】　(多选)关于α粒子散射实验现象的分析，下列说法正确的是(　　)
A．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明正电荷在原子内均匀分布，是α粒子受力平衡的结果
B．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明这些α粒子未受到明显的力的作用，说明原子内部是很“空旷”的
C．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内质量和电荷量比α粒子大得多的粒子在原子内分布空间很小
D．极少数α粒子发生大角度偏转，绝不是α粒子与原子内的电子撞击引起的
BCD　[在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子沿原方向运动，说明α粒子未受到原子核明显的力的作用，也说明原子核相对原子来讲很小，原子内大部分空间是空旷的，故A错，B对；极少数发生大角度偏转，说明受到金原子核力的作用的空间在原子内很小，α粒子偏转，而金原子核未动，说明金原子核的质量和电荷量远大于α粒子的质量和电荷量，故C对；α粒子比电子的质量大得多，α粒子撞击到电子上对α粒子的运动不会产生大的影响，故D对．]
玻尔理论和能级跃迁
在玻尔的轨道量子化模型中，原子的轨道半径只能是某些分立的特定值，而原子的能量也是量子化的．故原子在跃迁过程中对光子或实物粒子能量的吸收是有一定条件的，具体而言可分为以下三种情况：
1．当光子的能量小于电离能时，只有满足光子的能量为两定态间能量差时才能被吸收．
2．当光子的能量大于电离能时，由于原子已电离，故对光子的能量没有要求．光子的能量一部分用来使原子电离，大于电离能的那部分则用来增加自由电子的动能．
3．当实物粒子与原子碰撞时，由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收，故只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差，则可以使原子受激发而向较高能级跃迁．
【例2】　(多选)如图所示为氢原子的能级图，已知可见光的光子能量范围为1.62～3.11 eV，那么对氢原子在能级跃迁过程中发射或吸收光子的特征认识正确的是(　　)
A．氢原子从激发态向基态跃迁时发射的光子能量小于3.34 eV
B．用能量为11.0 eV的自由电子轰击氢原子，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
C．处于n＝2能级的氢原子能吸收任意频率的紫外线
D．处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并且使氢原子电离
BD　[氢原子从激发态向基态跃迁时发出的光子的最小能量为10.2 eV，大于3.34 eV，故A错误；用能量为11.0 eV的电子轰击氢原子，基态的氢原子吸收的能量可以等于10.2 eV，可以使处于基态的氢原子跃迁到n＝2能级，故B正确；紫外线光子的最小能量为3.11 eV，处于n＝2能级的氢原子的电离能为3.4 eV，故处于n＝2能级的氢原子不能吸收任意频率的紫外线，处于n＝3能级的氢原子的电离能为1.51 eV，故处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并且使氢原子电离，故C错误，D正确．]
[一语通关]　
能级跃迁规律的应用
(1)能级之间发生跃迁时，吸收(放出)光子的频率由能级间的能量差决定即hν＝Em－En．
(2)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，而原子吸收外来实物粒子(例如，自由电子)的能量被激发时，实物粒子的动能可部分地被原子吸收．
(3)一个氢原子发生跃迁可能发出的光谱线条数最多为(n－1)．
(4)一群氢原子发生跃迁可能发出的光谱线条数为N＝C＝．
[培养层·素养升华]
靠奖学金读书的孩子
卢瑟福5岁时上了泉林村小学，他的母亲和外祖母都曾在此任教，后来由于家庭搬迁，他又转学到福克斯希尔村小学．
卢瑟福的父母很重视子女的教育，尽管家庭收入仅够糊口，还是要供他读书．为此一家人节衣缩食，在生活上非常节俭，一直供他念完大学．许多年后，在一个很隆重的宴会上，卢瑟福十分感慨地说：“如果不是我的父亲和母亲，我永远也不会有今天的成绩．”
由于家庭的收入有限，卢瑟福的相当一部分学费要靠自己来解决．上小学的时候，卢瑟福就利用暑假参加劳动．兄弟几人一个假期就赚了13英镑，这些钱差不多够一个学期的学费了．卢瑟福深深地理解父母的困难．他知道，要想上学就要靠自己劳动挣钱，后来他听说学习成绩优秀就可以得到奖学金，就更加努力学习．他学习的时候注意力特别集中，即使有人用书本敲他的脑袋也不会分散他的注意力．
离开小学之后，卢瑟福大部分的学费要靠奖学金了，他参加了竞争一项州政府奖学金的考试，获得奖学金就可以进入纳尔逊学院读书，可以免交学费并提供食宿，结果卢瑟福以580分(满分600分)的成绩赢得了这项奖学金．在纳尔逊学院学习期间，他获得了很多奖励并在最后一年获得进入新西兰大学深造的奖学金．在获奖的10人中，他名列第4名．
进入新西兰大学坎特伯雷学院之后，卢瑟福更加努力学习，他的数学和物理成绩都名列前茅．
由于学习成绩优秀，大学毕业时卢瑟福获得了文学学士、理科学士和硕士学位，要想挣钱养家已经是足够了，但是卢瑟福决心在科学研究中取得更大的成绩．在校学习的时候他已经申请了进入剑桥深造的奖学金，因为该项奖学金是隔年一次的，所以他大学毕业后又在学校里继续研究一年． 卢瑟福申请的是大英博览会奖学金，它是由1851年在英国伦敦海德公园水晶宫举办的国际博览会所赚来的钱设立的奖学金．这项奖学金的目的是授予学习成绩特别出色，具有培养前途的学生，使他们能够进入久享盛名的英国高等学府深造．凡属英联邦国家的学生，都有机会得到这笔奖学金．
1909年，卢瑟福在英国曼彻斯特大学同他的学生用α粒子撞击一片薄金箔，他发现大部分的粒子都能通过金箔，只有极少数会跳回．他笑说这是海军用15吋巨炮射击一张纸，但炮弹却会被弹回而打到自己．最后他提出了一个类似于太阳系行星系统的原子模型，认为原子空间大都是空的，电子像行星围绕原子核旋转，推翻了当时所使用的梅子布丁原子模型．1911年3 月，卢瑟福在曼彻斯特文学与哲学学会的会议上宣布他的意外发现，同年5月，他将论文发表于杂志．
1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出原子核式结构模型．该实验被评为“物理最美实验”之一．
[设问探究]
1．空气中有各种原子，如何避免对α粒子散射的影响？
2．卢瑟福后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上……”这是什么原因？
3．卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为在原子的中心有一个很小的核，叫作原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转．电子为什么对α粒子几乎没有影响？
提示：
1．为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动．
2．α粒子穿过原子时，它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏转的力就不会很大．然而事实却出现了极少数α粒子大角度偏转的现象．
3．α粒子散射实验中，由于电子的质量较小，α粒子与电子相碰，就像子弹碰到灰尘一样．损失的能量极少，几乎不改变α粒子运动的轨迹．
[深度思考]
1．卢瑟福粒子散射实验中为何使用的是金箔？是否可以用铝、铜、铁等其他材料代替？
2．根据α粒子散射实验，如何估算原子核的直径？
3．他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳地论证了原子的核式结构模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，于是他被誉为原子物理学之父．由于电子轨道是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾，才导致玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设，成为量子力学的先驱．除此之外，卢瑟福又做了哪些贡献？
答案：
1．选择重金属靶进行散射实验．原子量大的金属比较多，那么选择哪一种呢？因为射线的穿透能力不强，一张普通的纸就可以挡住，所以这个重金属靶必须要让α粒子进行散射实验时，穿过有3 000层金原子的厚度的金箔，而绝大多数的α粒子仍是保持原来的方向前进，说明原子中是很空旷的．
2．根据α粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为10－15～10－14 m，原子直径大约是10－10 m，所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一．
3．质子的发现 1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验．他从氮核中打出的一种粒子，并测定了它的电荷与质量，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子．
人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献．自从元素的放射性衰变被确证以后，人们一直试图用各种手段，如用电弧放电等，来实现元素的人工衰变，而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径．这种用α粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应的方法，很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段．在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应．
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