物理选修3-5鲁科版全套一体资料讲义第二章原子结构2-2

第2节原子的核式结构模型[目标定位]1.了解α粒子散射实验的实验装置、实验原理和实验现象.2.理解卢瑟福的原子核式结构模型．一、α粒子散射实验1．实验装置(如图1)：图12．实验方法用由放射源发射的α粒子束轰击金箔，利用荧光屏接收，探测通过金箔后的α粒子分布情况．3．实验结果绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被原路弹回，α粒子被反射回来的概率竟然有eq\f(1,8000).二、卢瑟福原子模型1．核式结构模型原子内部有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷以及几乎全部的质量都集中在原子核内，带负电的电子绕核运动．原子的核式结构模型又被称为行星模型．2．原子的大小：(1)原子直径数量级：10－10m.(2)原子核直径数量级：10－15m.一、对α粒子散射实验的理解1．装置：放射源、金箔、荧光屏等，如图2所示．图22．现象：(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进．(2)少数α粒子发生较大的偏转．(3)极少数α粒子偏转角度超过90°，有的几乎达到180°.3．注意事项：(1)整个实验过程在真空中进行．(2)α粒子是氦原子核，体积很小，金箔需要做得很薄，α粒子才能穿过．4．汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射．【例1】(多选)如图3为卢瑟福所做的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，下述说法中正确的是()图3A．相同时间内在A时观察到屏上的闪光次数最多B．相同时间内在B时观察到屏上的闪光次数比放在A时稍少些C．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少D．放在C、D位置时屏上观察不到闪光答案AC解析在卢瑟福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粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度大于90°，极个别α粒子反弹回来，所以在B位置只能观察到少数的闪光，在C、D两位置能观察到的闪光次数极少，故B、D错，C对．借题发挥解决α粒子散射实验问题的技巧1．熟记实验装置及原理．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)汤姆孙的原子模型不能解释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、电荷量都集中在体积很小的核内．针对训练1(多选)图4用α粒子撞击金原子核发生散射，图4中关于α粒子的运动轨迹正确的是()A．a B．bC．c D．d答案CD解析α粒子受金原子核的排斥力，方向沿两者的连线方向，运动轨迹弯向受力方向的一侧，A、B均错误；离原子核越近，α粒子受到的斥力越大，偏转越大，C、D正确．二、卢瑟福原子核式结构模型1．内容：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核内，带负电的电子在核外空间绕核旋转．2．对α粒子散射实验现象的解释(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，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°，这种机会极小，如图5所示．图53．数量级：原子的半径数量级为10－10m，原子核半径的数量级为10－15m【例2】下列对原子结构的认识中，错误的是()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，向心力为库仑力C．原子的全部正电荷都集中在原子核里D．原子核直径的数量级大约为10－10m答案D解析卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，卢瑟福提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核直径的数量级为10－15m，而原子直径的数量级为10－10m，是原子核直径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的库仑引力而绕核旋转，所以本题应选D.针对训练2在卢瑟福α粒子散射实验中，只有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是()A．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里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．原子的质量在原子核内是均匀分布的答案A解析原子的核式结构正是建立在α粒子散射实验结果基础上的，C、D的说法没有错，但与题意不符．α粒子散射实验的理解1．在α粒子的散射实验中，使少数α粒子发生大角度偏转的作用力是原子核对α粒子的()A．万有引力 B．库仑力C．磁场力 D．核力答案B2．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，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表示经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹，能正确反映实验结果的图是()答案D解析α粒子散射实验的原因是α粒子与金原子核间存在库仑斥力，因此仅有D图正确．原子的核式结构模型3．(多选)卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有()A．原子的中心有个核，叫原子核B．原子的正电荷均匀分布在整个原子中C．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内D．带负电的电子在核外绕着核旋转答案ACD解析卢瑟福原子核式结构理论的主要内容是：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，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空间绕着核旋转，由此可见，B选项错误，A、C、D选项正确．4．(多选)卢瑟福对α粒子散射实验的解释是()A．使α粒子产生偏转的主要是原子中电子对α粒子的作用力B．使α粒子产生偏转的力是库仑力C．原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进D．能发生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子答案BCD解析原子核带正电，与α粒子间存在库仑力，当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转，电子对它的影响可忽略，故A错，B对；由于原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远因而运动方向几乎不变，只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D对.(时间：60分钟)题组一对α粒子散射实验的理解1．关于α粒子散射实验装置的描述，下列说法中正确的是()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．如果不用金箔改为铝箔，就不会发生散射现象D．实验装置放置在空气中和真空中都可以答案A解析实验用的器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜，放大镜可以在水平面内转动不同的方向，对散射的α粒子进行观察，A对；实验用的金箔的厚度极小，如果厚度增大，α粒子穿过金箔时必然受到较大的阻碍作用而影响实验结果，B错；如果改用铝箔，铝的原子核的电量仍然大α粒子很多，当α粒子靠近铝原子核时，库仑斥力仍然很大，散射实验现象仍能够发生，C错；空气的流动和尘埃对α粒子的运动产生较大影响，且α粒子在空气中由于电离作用，只能前进很短距离，使实验无法进行，故实验装置是放在真空中进行的，D错．2．卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用α粒子轰击金箔，实验中发现α粒子()A．全部穿过或发生很小偏转B．绝大多数沿原方向穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回C．绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过D．全部发生很大偏转答案B解析卢瑟福的α粒子散射实验结果是绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，故选项A错误．α粒子被散射时只有少数发生了较大角度偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°，故选项B正确，选项C、D错误．3．在α粒子散射实验中，使α粒子散射的原因是()A．α粒子与原子核外电子碰撞B．α粒子与原子核发生接触碰撞C．α粒子发生明显衍射D．α粒子与原子核的库仑斥力作用答案D解析α粒子与原子核外电子的作用是很微弱的，由于原子核的质量和电荷量很大，α粒子与原子核很近时，库仑斥力很强，足可以使α粒子发生大角度偏转甚至反向弹回，使α粒子散射的原因是库仑斥力，D对．4．如图所示，X表示金原子核，α粒子射向金箔被散射，若它们的入射时的动能相同，其偏转轨迹可能是图中的()答案D解析α粒子离金核越远，其所受斥力越小，轨迹弯曲的就越小，故D对．5．在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，速度一直减小答案B解析α粒子与金原子核带同种电荷，两者相互排斥，故A、C错误，B正确；α粒子在靠近金原子核时斥力做负功，速度减小，远离时斥力做正功，速度增大，故D错误．6．(多选)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型．图1中虚线表示原子核所形成的电场等势面，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()图1A．电场力在a→b过程中做负功，b→c过程中做正功，但总功等于零B．加速度先变大，后变小C．a、c两点的动能不相等D．其动能与电势能的和不变答案ABD解析α粒子与原子核之间的力为库仑斥力，从a→b库仑力做负功，动能减少，电势能增加，从b→c库仑力做正功，动能增加，且a→b与b→c库仑力所做的总功为0，则a、c两点的动能相等，因此A正确，C错；因为只有电场力做功，故动能与电势能之和不变，故D正确；α粒子与原子核相距越近，库仑力越大，加速度越大，故从a→c加速度先增大后减小，B正确．题组二卢瑟福的核式结构模型7．卢瑟福的α粒子散射实验的结果显示了下列哪些情况()A．原子内存在电子B．原子的大小为10－10mC．原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上D．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内答案D解析根据α粒子散射实验现象，绝大多数α粒子穿过金箔后沿原来方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°，可知C错，A与题意不符；而实验结果不能判定原子的大小为10－10m，B错，故选D.8．(多选)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的能量最小D．所受金原子核的斥力最大答案AD解析α粒子在接近金原子核的过程中，要克服库仑斥力做功，动能减少，电势能增加，两者相距最近时，动能最小，电势能最大，总能量守恒．根据库仑定律，距离最近时，斥力最大．9．速度为107m/s的α粒子从很远的地方飞来，与铝原子核发生对心碰撞，若α粒子的质量为4m0，铝核的质量为27m0，它们相距最近时，铝核获得的动能是原α粒子动能的多少？答案eq\f(108,961)解析在α粒子和铝原子核发生对心碰撞后，当二者速度相同时相距最近，在α粒子靠近过程中，由动量守恒得mαv0＝(mα＋m铝)v共，所以v共＝eq\f(mαv0,mα＋m铝)eq\f(Ek铝,Ekα)＝eq\f(\f(1,2)m铝v\o\al(2,共),\f(1,2)mαv\o\al(2,0))＝eq\f(m铝·\f(mαv0,mα＋m铝)2,mαv\o\al(2,0))＝eq\f(m铝mα,mα＋m铝2)＝eq\f(27m0·4m0,4m0＋27m02)＝eq\f(108,961)×10－31×10－19×10－10m，求电子绕核运动的线速度大小、动能、周期和形成的等效电流．答案×106×10－18×10－16×10－3A解析由卢瑟福的原子模型可知：电子绕核做圆周运动所需的向心力由核对电子的库仑引力来提供．根