2024-2025学年高中物理第十八章原子结构2原子的核式结构模型学案新人教版选修3-5

PAGE10-2原子的核式结构模型一、汤姆孙的原子模型汤姆孙于1898年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷充满性地匀称分布在整个球体内，电子镶嵌在球中．汤姆孙的原子模型被称为西瓜模型或枣糕模型．该模型能说明一些试验现象，但后来被α粒子散射试验否定了．汤姆孙发觉电子之后，人们立即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，多数动力子漂移于原子太空内．(2)长冈半太郎的土星型模型：1904年，他依据麦克斯韦的土星环理论推想原子的结构，提出了一个土星模型，它事实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．二、α粒子散射试验1．从放射性物质中放射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核，带两个单位正电荷，质量为氢原子质量的4倍．2．试验结果绝大多数α粒子穿过金箔后，基本沿原方向前进．少数α粒子发生大角度偏转，偏转角甚至大于90°.3．卢瑟福的核式结构模型1911年由卢瑟福提出，在原子中心有一个很小的核，叫原子核．它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动．在α粒子散射试验中，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．三、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相等，特别接近于它们的原子序数．2．原子核的组成原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就等于原子核中的质子数．3．原子核的大小试验确定的原子核半径R的数量级为10－15_m，而原子的半径的数量级是10－10_m．因而原子内部特别“空旷”．考点一α粒子散射试验及原子的核式结构模型1．α粒子散射试验装置及留意事项(1)试验装置(如图)由放射源、金箔、荧光屏等组成．(2)试验留意事项：①整个试验过程需在真空中进行．②α粒子是氦原子核，本身特别小，金箔需很薄，α粒子才能很简单穿过．③试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，简单做成极薄的金箔．2．α粒子的散射试验否定了汤姆孙的原子模型(1)α粒子在穿过原子之间时，所受四周的正、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粒子的电子不行能使α粒子发生明显偏转，更不行能使它反弹．3．原子的核式结构模型对α粒子散射试验结果的说明(1)当α粒子穿过原子时，假如离核较远，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，运动方向变更很小．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粒子特别接近原子核穿过时，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)假如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粒子散射试验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其缘由是()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．正电荷在原子中是匀称分布的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，只有极少数遇到金原子eq\x(少数α粒子大角度偏转)→eq\x(受到很强的斥力)→eq\x(α粒子带正电)→eq\x(遇到质量很大的正电体)【答案】A【解析】卢瑟福的α粒子散射试验中少数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；试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粒子偏转明显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粒子散射试验装置及核式结构模型(1)熟记装置及原理α粒子散射试验是一个特别重要的试验，因此对试验器材、现象、现象分析、结论都必需弄明白，才能顺当解答有关问题．(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变更．②汤姆孙模型不能说明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更，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粒子散射试验装置，粒子打到荧光屏上会引起闪耀，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耀次数符合试验事实的是(A)A．1305,25,7,1 B．202,405,625,825C．1202,1010,723,203 D．1202,1305,723,203解析：由于绝大多数粒子运动方向基本不变，所以A位置闪耀次数最多，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、电学学问在α粒子试验或原子核式结构模型中的应用α粒子散射试验电子绕核运动受力特点大小：F＝keq\f(Qq,r2)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．能量转化状况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，动能削减；反之，电势能削减，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，库仑力供应向心力，即keq\f(Qq,r2)＝meq\f(v2,r).【例2】依据α粒子散射试验，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更？试依据点电荷四周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＝eq\f(kQ1Q2,r2)，即F随r的变更而变更，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＝100V，一个α粒子以2.5×105m/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－答案：2.3×105解析：α粒子由A到B的过程中由动能定理得－2eUNM＝eq\f(1,2)mαveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mαveq\o\al(2,A)，则vB＝eq\r(v\o\al(2,A)－\f(4eUNM,mα))＝2.3×105m/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学问有关的试题，必需以三个试验的现象和从三个试验中发觉的事实为基础，应明确以下几点：(1)汤姆孙发觉了电子，说明原子是可分的，电子是原子的组成部分．(2)卢瑟福“α粒子散射试验”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粒子轰击原子核试验，发觉了质子．2．解题依据和方法二依据原子的核式结构，结合前面所驾驭的动能、电势能、库仑定律及能量守恒定律等学问，是综合分析解决有α粒子靠近原子核过程中，有关功、能的变更，加速度、速度的变更所必备的基础学问和应驾驭的方法．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粒子散射试验中α粒子穿过某一金原子核旁边时的示意图，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粒子散射试验中，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，是因为电子是匀称分布的C.α粒子和电子碰撞损失能量极少，可忽视不计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粒子的运动影响微小，几乎不变更其运动状态，故C正确．2．(多选)在α粒子散射试验中，使极少数α粒子产生大角度偏转的缘由是(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全部的正电荷D．原子核质量很大解析：在α粒子散射试验中，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，只有认为原子内部全部正电荷全部集中在一个微小的空间里，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供应向心力，B正确；原子核直径的数量级是10－15m，原子直径的数量级是10－104．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