2024-2025学年高中物理第2章2原子的核式结构模型学案教科版选修3-5

PAGE8-2.原子的核式结构模型[学习目标]1.了解α粒子散射试验器材、试验原理和试验现象．(重点)2.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容．(重点、难点)3.了解卢瑟福的试验和科学方法，培育抽象思维实力．(重点)4.知道经典理论无法说明原子的稳定性和电磁波频谱的分立特征．一、α粒子散射试验1．汤姆孙原子模型1904年，J.J.汤姆孙提出了影响较大的“枣糕模型”，假想正电荷构成一个密度匀称的球体，电子“浸浮”其中，并分布在一些特定的同心圆环或球壳上．2．α粒子散射试验(1)试验装置：α粒子源、金箔、可移动探测器．(2)试验现象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粒子发生了大角度的偏转．③极少数α粒子的偏转角大于90°，甚至有极个别α粒子被反弹回来．(3)试验意义：卢瑟福通过α粒子散射试验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型．二、核式结构模型及与经典理论的冲突1．核式结构模型卢瑟福提出的新的原子结构模型，在原子中间有一个体积很小、带正电荷的核，而电子在核外绕核运动，这种结构称为原子的“核式结构模型”．2．原子核的电荷与尺度3．原子的核式结构模型与经典理论的冲突用经典电磁理论在说明原子结构的稳定性和电磁波谱的分立特征时遇到了困难．1．正误推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)卢瑟福为了证明汤姆孙原子模型的正确性进行了α粒子散射试验． (√)(2)α粒子散射试验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹． (×)(3)卢瑟福否定了汤姆孙模型，建立了原子核式结构模型． (√)(4)原子的质量几乎全部集中在原子核上． (√)(5)原子中全部正电荷都集中在原子核内． (√)(6)核电荷数等于质子数，也等于中子数． (×)2．(多选)由α粒子的散射试验可以得出的正确结论有()A．原子中绝大部分是空的B．原子中全部正电荷都集中在原子核上C．原子内有中子D．原子的质量几乎全部都集中在原子核上ABD[卢瑟福由α粒子散射试验得到的结论有：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原子核内，带负电的电子在核外的空间运动．]3．(多选)关于原子的核式结构模型，下列说法正确的是()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10－10mAB[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；电子绕原子核做圆周运动时，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10－10m，D错误．]对α粒子散射试验现象的分析1．试验背景α粒子散射试验是卢瑟福指导他的学生做的一个闻名的物理试验，试验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性，试验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据．在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型．2．装置放射源、金箔、可移动探测器等，如图所示．3．大角度偏转的试验现象分析(1)由于电子质量远小于α粒子质量，所以电子不行能使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．依据汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是匀称分布的，α粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分抵消，因而也不行能使α粒子发生大角度偏转，更不能使α粒子反向弹回，这与α粒子散射试验相冲突．(3)试验现象表明原子绝大部分是空的，原子的几乎全部质量和全部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行能的．4．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，发生大角度偏转，而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转．(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，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°.【例1】(多选)如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射试验的装置示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中A、B、C、D四个位置时视察到的现象，下述说法中正确的是()A．放在A位置时，相同时间内视察到屏上的闪光次数最多B．放在B位置时，相同时间内视察到屏上的闪光次数只比A位置稍少些C．放在B位置时，相同时间内视察到屏上的闪光次数要比A位置少许多D．放在C、D位置时，屏上视察不到闪光AC[在卢瑟福α粒子散射试验中，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、D错误，C正确．](1)分析α粒子散射试验中的现象时，应留意是“绝大多数”“少数”还是“极少数”粒子的行为．“大角度偏转”只是少数粒子的行为．(2)α粒子散射试验是得出原子核式结构模型的试验基础，对试验现象的分析是建立卢瑟福核式结构模型的关键．通过对α粒子散射试验这一宏观探测，间接地构建出原子结构的微观图景．1．卢瑟福利用α粒子轰击金箔的试验探讨原子结构，正确反映试验结果的示意图是()ABCDD[原子的中心是体积很小的原子核，原子的绝大部分质量和全部正电荷都集中在原子核上，当α粒子接近原子核的时候，就会发生大角度散射，甚至被弹回．所以D选项正确．]原子的核式结构模型及与经典理论的冲突1．原子的核式结构与原子的枣糕模型的区分核式结构枣糕模型分布状况原子内部是特别空旷的，正电荷集中在一个很小的核里，电子绕核高速旋转原子是充溢了正电荷的球体，电子匀称嵌在原子球体内受力状况少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小α粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零偏转状况绝大多数α粒子运动方向不变，少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，有的甚至被弹回不会发生大角度偏转，更不会被弹回分析状况符合α粒子散射现象不符合α粒子散射现象[特殊提示]卢瑟福把原子的结构跟太阳系比较，他认为带正电的原子核像太阳，带负电的电子像围着太阳运转的行星．在这个“太阳系”中，支配它们之间的作用力是电磁相互作用力．因而这个模型又被称为“行星模型”．这是科学家利用类比方法的又一佐证．2．原子核的电荷与尺度[特殊提示]原子很小，原子核更小，假如将原子比作足球场，那么原子核仅相当于一只蚂蚁大小．【例2】在α粒子散射试验中，依据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．现在一个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＝keq\f(q1q2,r)，r为距点电荷的距离．α粒子质量为6.64×10－27kg)．[思路点拨](1)α粒子的运动方向沿α粒子和金原子核的连线．(2)当α粒子的动能减为零时，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eq\f(1,2)mv2＝keq\f(q1q2,d)，则d＝eq\f(2kq1q2,mv2)＝eq\f(2×9.0×109×2×79×1.6×10－192,6.64×10－27×2.0×1072)m＝2．7×10－14m.[答案]2.7×10－14m分析α粒子散射试验中的力电问题常用的规律(1)库仑定律：F＝keq\f(q1q2,r2)，用来分析α粒子和原子核间的相互作用力．(2)牛顿其次定律：该试验中α粒子只受库仑力，可依据库仑力的变更分析加速度的变更．(3)功能关系：依据库仑力做功，可分析动能的变更，也能分析电势能的变更．(4)原子核带正电，其四周的电场相当于正点电荷的电场，留意应用其电场线和等势面的特点．2．如图所示，依据α粒子散射试验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型．图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C[依据卢瑟福提出的核式结构模型，原子核集中了原子的全部正电荷，即原子核外的电场分布与正点电荷电场类似．α粒子从a运动到b，电场力做负功，动能减小，电势能增大；从b运动到c，电场力做正功，动能增大，电势能减小；a、c在同一条等势线上，则电场力做的总功等于零，C正确，A、B错误；a、b、c三点的场强大小关系Ea＝Ec＜Eb，故α粒子的加速度先变大，后变小，D错误．]课堂小结知识网络1.汤姆孙原子结构模型.2.α粒子散射试验及试验现象分析.3.原子核式结构模型及与经典电磁理论的冲突.1．(多选)关于原子核式结构理论说法正确的是()A．是通过发觉电子现象得出来的B．是通过α粒子散射现象得出来的C．原子的中心有个核，叫作原子核D．原子的正电荷匀称分布在整个原子中BC[原子的核式结构模型是在α粒子的散射试验结果的基础上提出的，A错误，B正确．原子中绝大部分是空的，带正电的部分集中在原子中心一个很小的范围，称为原子核，C正确，D错误．]2．X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它们入射时的动能相同，其偏转轨道可能是下图中的()D[α粒子离金核越远其所受斥力越小，轨道弯曲程度就越小，故选项D正确．]3．(多选)以下论断中正确的是()A．按经典电磁理论，核外电子受原子核库仑引力，不能静止，只能绕核运转，电子绕核加速运转，不断地向外辐射电磁波B．按经典理论，绕核运转的电子不断向外辐射能量，电子将渐渐接近原子核，最终落入原子核内C．依据卢瑟福的核式结构理论，原子核外电子绕核旋转，原子是不稳定的，说明该理论不正确D．经典电磁理论可以很好地应用于宏观物体，也能用于说明原子世界的现象AB[卢瑟福的核式结构没有问题，主要问题出在经典电磁理论不能用来说明原子世界的现象，故A、B正确，C、D错误．]4．1911年卢瑟福依据α粒子散射试验中α粒子发生了____