高中物理第十八章原子结构第二节原子的核式结构模型学案新人教版选修3.pdf

小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学第二节原子的核式结构模型学 习 目 标掌握 粒子的散射实验及其实验结果了解原子的核式结构模型及原子核的电荷与尺度理解原子核式结构提出的主要思想知 识 导 图知识点 1 汤姆孙的枣糕式模型汤姆孙在发现电子后，便投入了对原子内部结构的探索，他运用丰富的想象，提出了原子_枣糕 _模型(如图所示)。在这个模型里，汤姆孙把原子看作一个球体，正电荷 _均匀 _地分布在整个球内，电子象枣糕上的枣子一样嵌在球中，被_正电荷 _吸引着。原子内正、负电荷 _相等 _，因此原子的整体呈_中_性。知识点 2 粒子散射实验19091911 年卢瑟福和他的助手做了用 粒子轰击金箔的实验，获得了重要的发现。1实验装置(如图所示)说明：(1)整个实验过程在真空中进行。(2)金箔很薄，粒子(42He核)很容易穿过。2实验结果小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿_原来的方向前进_，但是有少数 粒子发生了_较大 _的偏转，极少数粒子被_反向弹回 _。3实验意义卢瑟福通过 粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了_核式结构 _模型。知识点 3 卢瑟福的核式结构模型卢瑟福依据 粒子散射实验的结果，提出了原子核的核式结构：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 _都集中在核里，带负电的_电子 _在核外空间绕核旋转。(如图所示)知识点 4 原子核的电荷与尺度原子核的电荷数等于核外_电子 _数，接近于原子序数，原子核大小的数量级为_1015_m，原子大小数量级为_1010_m，两者相差十万倍之多，可见原子内部十分“空旷”。若原子相当于一个立体的足球场的话，则原子核就象足球场中的一粒米。预习反馈判一判(1)汤姆孙的枣糕式模型认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内。()(2)粒子散射实验中绝大多数 粒子都发生了较大偏转。()(3)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面运动。()(4)原子核的电荷数等于核中的中子数。()(5)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷。()选一选英国物理学家卢瑟福用 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 粒子的运动轨迹，能正确反映实验结果的图是(D)小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学解析：粒子散射实验的原因是 粒子与金原子核间存在库仑斥力，因此，仅有D图正确。想一想有人认为 粒子发生散射的主要原因是 粒子撞击到了金箔原子上，好像两个玻璃球的碰撞一样发生的反弹，这种观点正确吗？答案：不正确解析：粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，在微观领域库仑斥力非常强大，二者无法碰在一起。探究一 粒子散射实验S思考讨论i kao tao lun 1 如图所示为 粒子散射的实验装置。实验过程中，粒子为什么会发生大角度散射？提示：粒子受到原子核的库仑力G归纳总结ui na zong jie 1 粒子的散射实验否定了汤姆孙的原子模型(1)粒子在穿过原子之间时，所受周围的正、负电荷作用的库仑力是平衡的，粒子不会发生偏转。(2)粒子正对着电子射来，质量远小于 粒子的电子不可能使 粒子发生明显偏转，更不可能使它反弹。2原子的核式结构模型对 粒子散射实验结果的解释(1)当 粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，粒子就象穿过“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 粒子不发生偏转。(2)只有当 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 粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180，这种机会极少。特别提醒：(1)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)粒子并没有与金原子核直接发生碰撞，偏转的原因是库仑斥力影响的结果。小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学D典例剖析ian li pou xi 典例 1(多选)关于 粒子散射实验，下列说法正确的是(AC)A在实验中，观察到的现象是：绝大多数 粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，极少数发生了较大角度的偏转B使 粒子发生明显偏转的力来自带正电的核和核外电子，当 粒子接近核时，是核的斥力使 粒子发生明显偏转；当 粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转C实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分D实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量解题指导：正确理解实验现象，并对实验现象正确科学分析与解释是解题的关键。解析：在 粒子散射实验中，绝大多数 粒子沿原方向运动，说明 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的，故A、C正确；极少数发生大角度偏转，说明受到金原子核明显力作用的空间在原子内很小，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 粒子的质量和电荷量，电子的质量远小于 粒子，粒子打在电子上，粒子不会有明显偏转，故B错误，D错误。,对点训练1如图所示为 粒子散射实验装置，粒子打到荧光屏上都会引起闪烁，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烁次数符合事实的是(A)A1305、25、7、1 B 202、405、625、825 C1202、1010、723、203 D 1202、1305、723、203 解析：根据 粒子散射实验的统计结果，大多数粒子能按原来方向前进，少数粒子方向发生了偏转，极少数粒子偏转超过90，甚至有的被反向弹回。所以在相等时间内A处闪烁次数最多，其次是B、C、D三处，并且数据相差比较大，所以只有选项A符合事实。探究二原子的核式结构模型与原子核的组成S思考讨论i kao tao lun 2 人们对原子结构的认识经历了几个不同的阶段，其中有：小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学人们对原子结构认识的先后顺序排列是怎样的？提示：BCAD 解析：人们对原子结构的认识先后经历了汤姆孙模型、卢瑟福模型、玻尔模型、电子云模型。G归纳总结ui na zong jie 1原子的核式结构与原子的枣糕模型的对比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原子内的电荷关系原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近原子序数。3原子核的组成原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子核的质子数。4原子核的大小原子的半径数量级为1010m，原子核半径的数量级为1015m，原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一，体积只相当于原子体积的1015。D典例剖析ian li pou xi 典例 2(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1010m 解题指导：正确理解卢瑟福原子核式结构模型是解题关键。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提供向心力，B正确；原子核直径的数量级是1015m，原子直径的数量级是 1010m，D错误。,对点训练2(多选)下列关于原子核式结构理论说法正确的是(BD)小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学A是通过发现电子现象得出来的B原子的中心有个核，叫作原子核C原子的正电荷均匀分布在整个原子中D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旋转解析：原子的核式结构模型是在 粒子的散射实验结果的基础上提出的，A 错误。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，B正确，C错误。原子核集中了原子全部正电荷和几乎全部质量，带负电的电子在核外旋转，D正确。粒子散射过程中的受力及能量转化情况1 粒子的受力情况 粒子与原子核间的作用力是库仑斥力FkQqr2。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：粒子的受力沿原子核与 粒子的连线，由原子核指向 粒子。2库仑力对 粒子的做功情况(1)当 粒子靠近原子核时，库仑力做负功，电势能增加。(2)当 粒子远离原子核时，库仑力做正功，电势能减小。3 粒子的能量转化情况仅有库仑力做功，能量只在电势能和动能之间相互转化，而总能量保持不变。案例在 粒子散射实验中，根据 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 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 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Epkq1q2r，粒子质量为6.6410 27kg)。答案：2.7 1014m 解析：当 粒子靠近原子核运动时，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。设 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12mv2kq1q2dd2kq1q2mv229.0 109279 1.6 1019 26.641027 2.0 107 2m 2.7 1014m。小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学1(山东省潍坊市2017 2018 学年高三模拟)图示是 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 粒子在各点处的加速度方向正确的是(C)AM点B N点CP点D Q点解析：粒子与重金属原子核之间的库仑力提供 粒子的加速度，方向沿 粒子与原子核的连线且指向 粒子，则四个选项中只有P点处的加速度方向符合实际，故C项正确。2(北京市海淀区2018 届高三下学期期末)下列说法正确的是(A)A爱因斯坦提出的光子假说，成功解释了光电效应现象B动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波也相等C卢瑟福通过 粒子的散射实验发现了质子并预言了中子的存在D汤姆孙发现了电子并提出了原子核式结构模型解析：1905 年，爱因斯坦提出的光子说很好地解释了光电效应现象，故A 正确；根据Ekp22m，知动能相等，质量大动量大，由hp得，电子的德布罗意波长较长，故B错误；汤姆逊通过阴极射线的研究发现了电子，卢瑟福通过对 粒子散射实验的研究提出了原子的核式结构模型，此实验不能说明原子核内存在质子，故C、D错误。3(河南省信阳市20162017 学年高二下学期期中)如图所示，根据 粒子散射实验，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 粒子的运动轨迹。在 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(C)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，后变大解析：根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，即原子核外小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学的电场分布与正点电荷电场类似。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，A、B 错误，C 正确；a、b、c三点的场强关系EaEcEb，故 粒子的加速度先变大，后变小，D错误。基础夯实一、选择题(1 3 题为单选题，4、5 题为多选题)1在卢瑟福的 粒子散射实验中，某一 粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图中实线所示。图中P、Q为轨迹上的点，虚线是过P、Q两点并与轨迹相切的直线，两虚线和轨迹将平面分为四个区域。不考虑其他原子核对该 粒子的作用，那么关于该原子核的位置，下列说法中正确的是(A)A可能在区域B 可能在区域C可能在区域D 可能在区域解析：粒子带正电，原子核也带正电，对靠近它的 粒子产生斥力，故原子核不会在区域；如原子核在、区域，粒子会向区域偏；如原子核在区域，可能会出现题图所示的轨迹。2在卢瑟福进行的 粒子散射实验中，少数 粒子发生大角度偏转的原因是(B)A正电荷在原子中是均匀分布的B原子的正电荷以及绝大部分质量都集中在一个很小的核上C原子中存在带负电的电子D原子核中有中子存在解析：粒子散射实验证明了原子的核式结构模型，卢瑟福认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现 粒子的大角度散射，选项 B正确。3关于原子结构，汤姆孙提出枣糕模型、卢瑟福提出行星模型如图所示，都采用了类比推理的方法，下列事实中，主要采用类比推理的是(C)小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学A人们为便于研究物体的运动而建立的质点模型B伽利略从教堂吊灯的摆动中发现摆的等时性规律C库仑根据牛顿的万有引力定律提出库仑定律D托马斯杨通过双缝干涉实验证实光是一种波解析：质点的模型是一种理想化的物理模型，是为研究物体的运动而建立的；伽利略的摆的等时性是通过自然现象发现的；库仑根据牛顿的万有引力定律提出库仑定律是用类比推理；托马斯杨是通过实验证明光是一种波，是建立在事实的基础上的。4 粒子散射实验中，当 粒子最靠近原子核时，粒子符合下列哪种情况(AD)A动能最小B势能最小C 粒子与金原子组成的系统的能量最小D所受原子核的斥力最大解析：该题考查了原子的核式结构、动能、电势能、库仑定律及能量守恒等知识点。粒子在接近金原子核的过程中，要克服库仑力做功，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。5关于 粒子散射实验，下列说法正确的是(ABC)A该实验在真空环境中进行B带有荧光屏的显微镜可以在水平面内的不同方向上移动C荧光屏上的闪光是散射的 粒子打在荧光屏上形成的D荧光屏只有正对 粒子源发出的射线方向上才有闪光解析：本题考查 粒子散射实验装置及其作用，只有在正确理解 粒子散射实验基础上，才能找出错误选项。二、非选择题6 如图所示，M、N为原子核外的两个等势面，已知UNM100V。一个 粒子以 2.5 105m/s的速率从等势面M上的A点运动到等势面N上的B点，求 粒子在B点时速度的大小。(已知m6.641027kg)小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学解析：粒子从A点运动到B点，库仑力做的功WABqUMNqUNM，由动能定理WAB12mv2B12mv2A，故vBv2A2qUNMm2.521010221.6 10 191006.641027m/s 2.3 105m/s 答案：2.3 105m/s 能力提升一、选择题(1 3 题为单选题，4 题为多选题)1 如图为 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，关于观察到的现象，下述说法不正确的是(C)A相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多B相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多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，但次数极少解析：根据 粒子散射实验的现象，绝大多数 粒子穿过金箔后，基本上沿原方向前进，因此在A位置观察到闪光次数最多，故A正确，少数 粒子发生大角度偏转，因此从A到D观察到的闪光会逐渐减少，因此B、D正确，C错误。2(河北冀州中学2015 2016 学年高二下学期期中)在 粒子穿过金箔发生大角度散射的过程中，下列说法正确的是(A)A 粒子一直受到金原子核的斥力作用B 粒子的动能不断减小C 粒子的电势能不断增大D 粒子发生散射，是与电子碰撞的结果小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学解析：在 粒子穿过金箔的过程中，一直受到金原子核的库仑斥力作用，粒子的动能先减小后增大，电势能先增大后减小。综上所述本题选A。3卢瑟福 粒子散射实验的结果(C)A证明了质子的存在B证明了原子核是由质子和中子组成的C证明了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D说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动解析：粒子散射实验发现了原子内存在一个集中了全部正电荷和几乎全部质量的核，数年后卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子。4根据 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 粒子散射图景，图中实线表示 粒子运动轨迹。其中一个 粒子在从a运动到b、再运动到c的过程中，粒子在b点时距原子核最近。下列说法正确的是(BD)A卢瑟福在 粒子散射实验中发现了电子B 粒子出现较大角度偏转的原因是 粒子运动到b时受到的库仑斥力较大C 粒子从a到c的运动过程中电势能先减小后变大D 粒子从a到c的运动过程中加速度先变大后变小解析：汤姆孙对阴极射线的探究发现了电子，A错误；粒子出现大角度偏转的原因是靠近原子核时受到较大的库仑斥力作用 B正确；粒子从a到c受到的库仑力先增大后减小，加速度先变大后变小，电势能先增大后变小，C错误，D正确。二、非选择题5氢原子核外电子质量为m，绕核运动的半径为r，绕行方向如图所示，则电子在该轨道上运动的加速度大小为_ke2mr2_，假设核外电子绕核运动可等效为一环形电流，则这一等效电流的值为 _e22rkmr_，若在垂直电子轨道平面加上一匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，则电子绕核运动的轨道半径将_减小 _。(填“增大”或“减小”)小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学解析：根据库仑力提供电子绕核旋转的向心力。可知：ke2r2maake2mr2设电子运动周期为T，则ke2r2m42T2r电子绕核的等效电流：IQteTe22rkmr若在垂直电子轨道平面加上一匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，电子的向心力增大，将做向心运动，所以电子绕核运动的轨道半径将减小。6 假设 粒子以速率v0与静止的电子或金原子核发生弹性正碰，电子质量me17300m，金原子核质量mAu49m。求：(1)粒子与电子碰撞后的速度变化；(2)粒子与金原子核碰撞后的速度变化。答案：(1)2.7 104v0(2)1.96v0解析：粒子与静止的粒子发生弹性碰撞，动量和能量均守恒，由动量守恒mv0mv1mv2由能量守恒12mv2012mv1212mv22解得v1mmmmv0速度变化 vv1v02mmmv0(1)与电子碰撞，将me17300m代入得v1 2.7 104v0(2)与金原子核碰撞，将mAu49m代入得v2 1.96v0