教科版高中物理选修35课件22原子的核式结构模型-2

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原子的核式结构模型一、汤姆孙的原子模型汤姆孙于1904年提出了原子模型,他认为正电荷构成一个密度均匀的_____,_____“浸浮”其中,并分布在一些特定的同心圆环或球壳上。球体电子汤姆孙的原子模型,小圆点代表_______,大圆点代表_____。汤姆孙的原子模型被称为“枣糕模型”。该模型能解释一些实验现象,但后来被___________实验否定了。正电荷电子α粒子散射【想一想】甲乙两图,哪个图是汤姆孙提出的原子模型?提示:在汤姆孙的原子模型中,原子是一个球体;正电荷均匀分布在整个球内,而电子都像枣糕中的枣那样镶嵌在内。故应是甲。二、α粒子散射实验1.实验装置:(1)放射源①钋放在带小孔的铅盒中,能放射_______。②α粒子:带正电,q=____,质量约为氢原子的4倍,射出速度可达107m/s。α粒子+2e(2)探测器:能够围绕金箔在_______内转动,α粒子打在探测器上会发出_____。2.实验结论:(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后_________的方向前进。(2)少数α粒子发生了_____的偏转。(3)极少数α粒子的偏转角度超过_____,个别甚至接近180°。水平面荧光仍沿原来较大90°3.实验意义:卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了_________模型。核式结构【想一想】卢瑟福为什么选用α粒子和金箔作为散射实验的“炮弹”和“靶子”?提示:(1)某些放射性物质释放的α粒子具有很大的动能。(2)金箔和铝箔相比,金的原子序数大,α粒子与金原子核间的库仑力大,发生偏转明显。(3)金的延展性比铝好,容易做成极薄的金箔。三、卢瑟福的核式结构模型1.核式结构模型:1911年由卢瑟福提出,在原子中间有一个体积很小带正电的核,而_____在核外绕核运动。2.原子核的电荷与尺度:(1)原子内的电荷关系:各种元素的原子核的电荷数与含有的电子数_____,非常接近于它们的原子序数。电子相等(2)原子核的大小:实验确定的原子核半径R的数量级为______,而原子半径的数量级是______。因而原子内部十分“空旷”。10-15m10-10m【判一判】(1)原子的全部正电荷和质量都集中在原子核里。(

)(2)原子核半径的数量级是10-10m。(

)(3)电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力。(

)提示:(1)原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,而电子也是有质量的,故(1)错误。(2)原子核的直径约是10-15m,原子的直径约是10-10m,故(2)错误。(3)电子绕原子核的圆周运动需要向心力,向心力是由原子核与电子间的库仑力提供的,故(3)正确。四、原子核式结构模型与经典电磁理论相矛盾卢瑟福的原子核式结构模型能很好地解释________________,但不能解释原子光谱是_______和______________。α粒子散射实验线状的原子的稳定性【想一想】卢瑟福的原子模型是如何解释α粒子散射实验结果的?提示:α粒子穿过原子时,如果离核较远,受到的库仑斥力就很小,运动方向也改变很小,只有当α粒子十分接近核时,才受到很大的库仑斥力,发生大角度的偏转,由于核很小,α粒子十分接近的机会很小,所以绝大多数α粒子基本上仍沿原方向前进,只有极少数发生大角度偏转。知识点一、α粒子散射实验与核式结构模型思考探究:α粒子散射实验的现象如图所示:仔细观察图片,请思考以下问题:(1)电子与α粒子之间有什么力?表现为引力还是斥力?原子核与α粒子之间呢?(2)为什么越靠近原子核的α粒子偏折角度越大?

【归纳总结】

1.α粒子散射实验与汤姆孙的原子模型的冲突分析:(1)分析否定的原因①由于电子质量远小于α粒子质量,所以电子不可能使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,按照汤姆孙原子模型,正电荷在原子内是均匀分布的,α粒子穿过原子时,它受到的两侧斥力大部分抵消,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粒子的散射实验相矛盾。③实验现象表明原子绝大部分是空的,除非原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上,否则,α粒子大角度散射是不可能的。(2)原子的核式结构与原子的枣糕模型的根本区别核式结构枣糕模型原子内部是非常空旷的,正电荷集中在一个很小的核里原子是充满了正电荷的球体电子绕核高速旋转电子均匀嵌在原子球体内2.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。【特别提醒】(1)汤姆孙的原子模型无法解释α粒子的大角度散射,因为电子质量太小,不会使α粒子的运动方向明显改变。如果正电荷均匀分布,α粒子穿过金箔时受到各方向的库仑斥力基本平衡,也不会使α粒子发生大角度散射。(2)卢瑟福根据α粒子散射实验估算出了原子核半径的数量级为10-15m。

【典例探究】【典例】(多选)如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图,荧光屏和显微镜一起分别放在图中A、B、C、D四个位置时,观察到的现象,下述说法中正确的是(

)A.放在A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B.放在B位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置稍少些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【思路点拨】审题时应重点关注以下两点:(1)注意关键词语“次数最多”“稍少”“极少”等。(2)明确实验装置中各部分的组成及作用。【正确解答】选A、D。在卢瑟福α粒子散射实验中,α粒子穿过金箔后,绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进,故A正确,少数α粒子发生较大偏转,极少数α粒子偏转角度超过90°,极个别α粒子被反射回来,故B、C错,D对。【总结提升】对α粒子散射实验的题的解法(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、电量都集中在体积很小的核上。【过关训练】1.下列对α粒子散射实验装置的描述,你认为正确的有(

)A.实验器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜B.金箔的厚度对实验无影响C.如果不用金箔改用铝箔,就不会发生散射现象D.实验装置放在空气中和真空中都可以【解析】选A。由对α粒子散射实验装置的描述可知A项正确。实验所用的金箔的厚度极小,如果金箔的厚度过大,α粒子穿过金箔时必然受到较大的阻碍作用而影响实验效果,B项错。如果改用铝箔,由于铝核的质量仍远大于α粒子的质量,散射现象仍然发生,C项错。空气的流动及空气中有许多漂浮的分子,会对α粒子的运动产生影响,实验装置是放在真空中进行的,D项错。2.(2015·安徽高考)图示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹,M、N、P、Q是轨迹上的四点,在散射过程中可以认为重金属原子核静止不动。图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是(

)A.M点B.N点C.P点D.Q点【解析】选C。α粒子做曲线运动,其所受重金属原子核的作用力应指向曲线的内侧,即加速度方向应指向曲线的内侧,B、D错误;由库仑定律可知M点粒子所受库仑力的方向错误,所以A错误,C正确。【补偿训练】1.在卢瑟福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.正电荷在原子内是均匀分布的C.原子中存在着带负电的电子D.原子只能处于一系列不连续的能量状态中【解析】选A。卢瑟福α粒子散射实验中使卢瑟福惊奇的就是α粒子发生了较大角度的偏转,这是由于α粒子带正电,而原子核极小,且原子核带正电,选项A正确,选项B错误。α粒子能接近原子核的机会很小,大多数α粒子都从核外的空间穿过,而与电子碰撞时如同子弹碰到尘埃一样,运动方向不会发生改变.选项C、D的说法正确,但与题意不符。2.(多选)英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔,为了解释实验结果,他提出了原子的核式结构学说.如图所示,O表示金原子核的位置,曲线ab和cd分别表示经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹,其中能正确反映实验结果的是(

)【解析】选B、D。α粒子和原子核都带正电,α粒子离核越近受斥力越大,偏转越大,C错D对;曲线运动的轨迹总是弯向受力的一侧,A错B对。知识点二、α粒子散射实验中的能量转化问题思考探究:观察图片,请思考以下问题:(1)α粒子1从a到b的过程中,库仑力做什么功?动能怎么变?电势能怎么变?从b到c的过程中,库仑力做什么功?动能怎么变?电势能怎么变?(2)α粒子2从e到f的过程中,库仑力大小怎么变?加速度大小怎么变?从b到c的过程中,库仑力大小怎么变?加速度大小怎么变?

【归纳总结】

1.α粒子的受力特点:α粒子与原子核间的作用力是库仑斥力,大小:F=(1)式中Q为原子核的电荷量,q为α粒子所带电量,r为α粒子与原子核间的距离。(2)α粒子离原子核越近,库仑力越大,运动加速度越大;反之,则越小。方向:α粒子的受力沿原子核与α粒子的连线,由原子核指向α粒子。2.库仑力对α粒子的做功情况:3.α粒子的能量转化:仅有库仑斥力做功,只是电势能和动能之间相互转化,而总能量保持不变。【特别提醒】(1)α粒子与原子核之间的万有引力远小于两者之间的库仑斥力,因而可以忽略不计。(2)在处理α粒子等微观粒子时一般不计重力。

【典例探究】【典例】如图所示,Q为金原子核,M、N为两个等势面,虚线为α粒子经过原子核附近的运动轨迹,关于α粒子,下列说法正确的是(

)A.α粒子从K到R的过程中动能逐渐增大B.α粒子从K到R的过程中动能逐渐减小C.α粒子从K到R的过程中动能先减小后增大D.α粒子从K到R的过程中电势能先增大后减小【思路点拨】解答本题可按以下思路分析:(1)根据α粒子的运动轨迹判断库仑力对α粒子做功的情况。(2)由库仑力对α粒子做功的特点判断α粒子的动能及电势能间的变化。【正确解答】选C、D。以α粒子和金原子核为研究对象,分析α粒子的变化情况【总结提升】α粒子散射实验中常用的规律(1)库仑定律:F=,用来分析α粒子和原子核间的相互作用力。(2)牛顿第二定律:该实验中α粒子只受库仑力,可根据库仑力的变化分析加速度的变化。(3)功能关系:根据库仑力做功,可分析动能的变化,也能分析电势能的变化。(4)原子核带正电,其周围的电场相当于正点电荷的电场,注意应用其电场线和等势面的特点。【过关训练】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。如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图。图中实线表示α粒子的运动轨迹。其中一个α粒子在从a运动到b、再运动到c的过程中(α粒子在b点时距原子核最近),下列判断正确的是(

)A.α粒子的动能先增大后减小B.α粒子的电势能先增大后减小C.α粒子的加速度先变小后变大D.电场力对α粒子先做正功后做负功【解析】选B。根据题意,α粒子带正电,此粒子由a到b是接近带正电的原子核,由b到c是离开带正电的原子核,故电场力对α粒子先做负功后做正功,所以其电势能先增大后减小,而动能先减小后增大,B正确,A、D错误。根据库仑定律和牛顿第二定律可知α粒子加速度先增大后减小,C错误。2.在α粒子散射实验中,根据α粒子与原子核发生对心碰撞时能达到的最小距离可以估算原子核的大小。现有一个α粒子以2.0×107m/s的速度去轰击金箔,若金原子的核电荷数为79,求α粒子与金原子核间的最近距离(已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为Ep=,r为距点电荷的距离,α粒子质量为6.64×10-27kg)。【思路点拨】解答本题应把握以下三点:(1)明确α粒子的运动为沿粒子与原子核连线的直线运动。(2)当动能减为零时,电势能最大,离原子核最近。(3)原子核的大小应该比最近距离小一些。【解析】当α粒子靠近原子核运动时,α粒子的动能转化为电势能,达到最近距离时,动能全部转化为电势能,所以α粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为d,则=2.7×10-14m。答案:2.7×10-14m【拓展例题】考查内容:α粒子散射实验中的计算问题在α粒子散射实验中,根据α粒子与原子核发生对心碰撞时能达到的最小距离可以估算原子核的大小。现有一个α粒子以2.0×107m/s的速度去轰击金箔,若金原子的核电荷数为79。求α粒子与金原子核间的最近距离(已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为Ep=k,r为距点电荷的距离.α粒子质量为6.64×10-27kg)。【思路点拨】解答本题应把握以下三点:(1)明确α粒子的运动为沿粒子与原子核连线的直线运动。(2)当动能减为零时,电势能最大,离原子核最近。(3)原子核的大小应该比最近距离小一些。【正确解答】当α粒子靠近原子核运动时,α粒子的动能转化为电势能,达到最近距离时,动能全部转化为电势能,所以α粒子与原子核发生对心碰