2023-2023學(xué)年高中創(chuàng)新設(shè)計物理粵教版選修3-5學(xué)案：3-2 原子的結(jié)構(gòu)

第頁第二節(jié)原子的結(jié)構(gòu)[目標(biāo)定位]1.了解原子結(jié)構(gòu)模型的建立.2.知道粒子散射實驗的實驗方法和實驗現(xiàn)象.3.知道原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容.4.能說出原子和原子核大小的數(shù)量級．一、“葡萄干布丁〞模型1．湯姆生的“葡萄干布丁〞模型：原子是一個球體，帶正電的局部均勻分布在整個球內(nèi)．電子像布丁里的葡萄干一樣鑲嵌在原子里．(如圖1所示)圖12．湯姆生的模型能解釋一些實驗事實，如利用電子的簡諧振動定性解釋某些光輻射．二、α粒子散射實驗1．實驗裝置(1)放射源：①釙放在帶小孔的鉛盒中，能放射α粒子．②α粒子：帶正電，q＝＋2e，質(zhì)量約為氫原子的4倍．(2)金箔：厚度極小，(雖然很薄但仍有幾千層原子)．(3)顯微鏡：能夠在圍繞金箔的水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動觀察．2．實驗結(jié)論(1)絕大多數(shù)的α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進；(2)少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)；(3)極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角θ超過90°，有的甚至幾乎到達180°.3．實驗意義(1)否認了湯姆生的原子結(jié)構(gòu)模型．(2)提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型，明確了原子核大小的數(shù)量級．三、原子的核式結(jié)構(gòu)的提出1．核式結(jié)構(gòu)模型：原子的中心有一個帶正電的原子核，它幾乎集中了原子的全部質(zhì)量，而電子那么在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)．2．原子半徑大約為10－10m3．原子核的半徑大約為10－15～10－14m．相當(dāng)于原子半徑的預(yù)習(xí)完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中問題1問題2問題3一、對α粒子散射實驗的理解1．實驗裝置示意圖(如圖2)圖22．考前須知(1)整個實驗過程在真空中進行．(2)α粒子是氦原子核，體積很小，金箔需要做得很薄，α粒子才能穿過．3．α粒子散射實驗與湯姆生的原子模型的沖突分析分析否認的原因(1)由于電子質(zhì)量遠小于α粒子質(zhì)量，所以電子不可能使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)．(2)使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的只能是原子中帶正電的局部，按照湯姆生原子模型，正電荷在原子內(nèi)是均勻分布的，α粒子穿過原子時，它受到的兩側(cè)斥力大局部抵消，因而也不可能使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，更不可能使α粒子反向彈回，這與α粒子的散射實驗相矛盾．(3)實驗現(xiàn)象說明原子絕大局部是空的，除非原子的幾乎全部質(zhì)量和所有正電荷都集中在原子中心的一個很小的核上，否那么，α粒子大角度散射是不可能的．【例1】如圖3為盧瑟福所做的α粒子散射實驗裝置的示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個位置時，下述說法中正確的選項是()圖3A．相同時間內(nèi)在A時觀察到屏上的閃光次數(shù)最少B．相同時間內(nèi)在B時觀察到屏上的閃光次數(shù)比放在A時稍少些C．放在D位置時屏上仍能觀察到一些閃光，但次數(shù)極少D．放在C、D位置時屏上觀察不到閃光答案C解析在盧瑟福α粒子散射實驗中，α粒子穿過金箔后，絕大多數(shù)α粒子仍沿原來的方向前進，故A錯誤；少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度大于90°，極個別α粒子反彈回來，所以在B位置只能觀察到少數(shù)的閃光，在C、D兩位置能觀察到的閃光次數(shù)極少，故B、D錯誤，C正確．借題發(fā)揮解決α粒子散射實驗問題的技巧(1)熟記實驗裝置及原理．(2)理解建立核式結(jié)構(gòu)模型的要點．①核外電子不會使α粒子的速度發(fā)生明顯改變．②湯姆生的原子模型不能解釋α粒子的大角度散射．③少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至反彈回來，說明這些α粒子在原子中的某個地方受到了質(zhì)量、電量均比它本身大得多的物體的作用．④絕大多數(shù)α粒子在穿過厚厚的金原子層時運動方向沒有明顯變化，說明原子中絕大局部是空的，原子的質(zhì)量、電量都集中在體積很小的核內(nèi)．針對訓(xùn)練1在盧瑟福α粒子散射實驗中，金箔中的原子核可以看作靜止不動，以下各圖畫出的是其中兩個α粒子經(jīng)歷金箔散射過程的徑跡，其中正確的選項是()答案C解析α粒子與原子核相互排斥，A、D錯；運動軌跡與原子核越近，力越大，運動方向變化越明顯，B錯，C對．二、盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型1．內(nèi)容在原子中心有一個很小的核，叫原子核．原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在核內(nèi)，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)．2．對α粒子散射實驗現(xiàn)象的解釋(1)當(dāng)α粒子穿過原子時，如果離核較遠，受到原子核的斥力很小，運動方向改變很小，因為原子核很小，所以絕大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)．(2)只有當(dāng)α粒子十分接近原子核穿過時，才受到很大的庫侖力作用，偏轉(zhuǎn)角才很大，而這種時機很少．(3)如果α粒子正對著原子核射來，偏轉(zhuǎn)角幾乎到達180°，這種時機極少，如圖4所示．圖43．?dāng)?shù)量級原子的半徑大約為10－10m，原子核的半徑大約為10－15～10－14【例2】以下對原子結(jié)構(gòu)的認識中，錯誤的選項是()A．原子中絕大局部是空的，原子核很小B．電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)，向心力為庫侖力C．原子的全部正電荷都集中在原子核里D．原子核的直徑大約為10－10答案D解析盧瑟福α粒子散射實驗的結(jié)果否認了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的湯姆生模型，盧瑟福提出了關(guān)于原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，并估算出原子核直徑的數(shù)量級為10－15m，而原子直徑的數(shù)量級為10－10m，是原子核直徑的十萬倍，所以原子內(nèi)部是十分“空曠針對訓(xùn)練2在盧瑟福α粒子散射實驗中，只有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是()A．原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在一個很小的核里B．正電荷在原子內(nèi)是均勻分布的C．原子中存在著帶負電的電子D．原子的質(zhì)量在原子核內(nèi)是均勻分布的答案A解析此題考查了學(xué)生對α粒子散射實驗結(jié)果與原子的核式結(jié)構(gòu)關(guān)系的理解．原子的核式結(jié)構(gòu)正是建立在α粒子散射實驗結(jié)果根底上的，C、D的說法沒有錯，但與題意不符.α粒子散射實驗的理解1．在α粒子散射實驗中，選用金箔的原因以下說法不正確的選項是()A．金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔B．金核不帶電C．金原子核質(zhì)量大，被α粒子轟擊后不易移動D．金核半徑大，易形成大角度散射答案B解析α粒子散射實驗中，選用金箔是因為金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔，α粒子很容易穿過，A正確；金原子核質(zhì)量大，被α粒子轟擊后不易移動，C正確；金核半徑大，易形成大角度散射，D正確．2．對α粒子散射實驗裝置的描述，你認為正確的有()A．實驗器材有放射源、金箔、帶有熒光屏的放大鏡B．金箔的厚度對實驗無影響C．如果不用金箔改用鋁箔，就不會發(fā)生散射現(xiàn)象D．實驗裝置放在空氣中和真空中都可以答案A解析實驗所用的金箔的厚度極小，如果金箔的厚度過大，α粒子穿過金箔時必然受到較大的阻礙作用而影響實驗效果，B項錯；如果改用鋁箔，由于鋁核的質(zhì)量仍遠大于α粒子的質(zhì)量，散射現(xiàn)象仍然發(fā)生，C項錯；空氣的流動及空氣中有許多漂浮的分子，會對α粒子的運動產(chǎn)生影響，實驗裝置是放在真空中進行的，D項錯．故正確選項為A.原子的核式結(jié)構(gòu)模型3．(多項選擇)盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)理論的主要內(nèi)容有()A．原子的中心有個核，叫原子核B．原子的正電荷均勻分布在整個原子中C．原子的全部電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)D．帶負電的電子在核外繞著核旋轉(zhuǎn)答案AD解析盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)理論的主要內(nèi)容是：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)，由此可見，B、C選項錯誤，A、D選項正確．4．(多項選擇)盧瑟福對α粒子散射實驗的解釋是()A．使α粒子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的主要原因是原子中電子對α粒子的作用力B．使α粒子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的力是庫侖力C．原子核很小，α粒子接近它的時機很小，所以絕大多數(shù)的α粒子仍沿原來的方向前進D．能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子是穿過原子時離原子核較遠的α粒子答案BC解析原子核帶正電，與α粒子間存在庫侖力，當(dāng)α粒子靠近原子核時受庫侖力而偏轉(zhuǎn)，電子對它的影響可忽略，故A錯、B對；由于原子核非常小，絕大多數(shù)粒子經(jīng)過時離核較遠因而運動方向幾乎不變，只有離核很近的α粒子受到的庫侖力較大，方向改變較多，故C對，D錯誤．(時間：60分鐘)題組一對α粒子散射實驗的理解1．α粒子散射實驗中，不考慮電子和α粒子的碰撞影響，是因為()A．α粒子與電子根本無相互作用B．α粒子受電子作用的合力為零，是因為電子是均勻分布的C．α粒子和電子碰撞損失能量極少，可忽略不計D．電子很小，α粒子碰撞不到電子答案C解析α粒子與電子之間存在著相互作用力，這個作用力是庫侖引力，但由于電子質(zhì)量很小，只有α粒子質(zhì)量的七千分之一，碰撞時對α粒子的運動影響極小，幾乎不改變運動方向，就像一顆子彈撞上一顆塵埃一樣，故正確選項是C.2．在α粒子散射實驗中，使少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的作用力是原子核對α粒子的()A．萬有引力 B．庫侖力C．磁場力 D．核力答案B解析由于α粒子與原子核間萬有引力非常小，不可能使其發(fā)生大角度散射，而原子核可認為不動，不會產(chǎn)生磁場，而核力只發(fā)生在原子核內(nèi)相鄰的質(zhì)子、中子之間，不可能對α粒子產(chǎn)生作用，而α粒子與原子核間的庫侖力很強，它是產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)的原因．故B正確，A、C、D錯誤．3．盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)模型的依據(jù)是用α粒子轟擊金箔，實驗中發(fā)現(xiàn)α粒子()A．全部穿過或發(fā)生很小偏轉(zhuǎn)B．絕大多數(shù)穿過，只有少數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，有的甚至被彈回C．絕大多數(shù)發(fā)生很大偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回，只有少數(shù)穿過D．全部發(fā)生很大偏轉(zhuǎn)答案B解析盧瑟福的α粒子散射實驗結(jié)果是絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進，應(yīng)選項A錯誤；α粒子被散射時只有少數(shù)發(fā)生了較大角度偏轉(zhuǎn)，并且有極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90°，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎到達180°，應(yīng)選項B正確，選項C、D錯誤．4．如下圖，X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，假設(shè)它們?nèi)肷鋾r的動能相同，其偏轉(zhuǎn)軌道可能是圖中的()答案D解析α粒子離金核越遠，其所受斥力越小，軌道彎曲的就越小，故D對．5．當(dāng)α粒子穿過金箔發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的過程中，以下說法正確的選項是()A．α粒子先受到原子核的斥力作用，后受原子核的引力作用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粒子一直受到庫侖斥力，速度一直減小答案B解析α粒子與金原子核帶同種電荷，兩者相互排斥，故A、C錯誤，B正確；α粒子在靠近金原子核時斥力做負功，速度減小，遠離時斥力做正功，速度增大，故D錯誤．題組二盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型6．(多項選擇)關(guān)于盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的內(nèi)容，以下表達正確的選項是()A．原子是一個質(zhì)量分布均勻的球體B．原子的質(zhì)量幾乎全部集中在原子核內(nèi)C．原子的正電荷和負電荷全部集中在一個很小的核內(nèi)D．原子半徑的數(shù)量級是10－10m，原子核半徑的數(shù)量級是10－答案BD解析根據(jù)盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，可知選項B、D正確．7．(多項選擇)α粒子散射實驗中，當(dāng)α粒子最接近原子核時，α粒子符合以下哪種情況()A．動能最小B．勢能最小C．α粒子與金原子組成的系統(tǒng)的能量小D．所受原子核的斥力最大答案AD解析該題考查了原子的核式結(jié)構(gòu)、動能、電勢能、庫侖定律及能量守恒等知識點．α粒子在接近金原子核的過程中，要克服庫侖斥力做功，動能減少，電勢能增加，兩者相距最近時，動能最小，電勢能最大，總能量守恒．根據(jù)庫侖定律，距離最近時，斥力最大．8.在盧瑟福的α粒子散射實驗中，某一α粒子經(jīng)過某一原子核附近時的軌跡如圖1所示，圖中P、Q兩點為軌跡上的點，虛線是過P、Q兩點并與軌道相切的直線．兩虛線和軌跡將平面分成四個區(qū)域，不考慮其他原子核對α粒子的作用，那么關(guān)于該原子核的位置，以下說法正確的選項是()圖1A．可能在①區(qū)域 B．可能在②區(qū)域C．可能在③區(qū)域 D．可能在④區(qū)域答案A解析因為α粒子與此原子核之間存在著斥力，如果原子核在②、③或④區(qū)，α粒子均應(yīng)向①區(qū)偏折，所以不可能．9．電子質(zhì)量為9.1×10－31kg，帶電荷量為－1.6×10－19C，假設(shè)氫原子核外電子繞核旋轉(zhuǎn)時的軌道半徑為0.53×10－答案2.19×106m/s2.18×10－18J1.52×10－16s1.05×10解析由盧瑟福的原子模型可知：電子繞核做圓周運動所需的向心力由核對電子的庫侖引力來提供．根據(jù)eq\f(mv2,r)＝keq\f(e2,r2)，得v＝eeq\r(\f(k,rm))＝1.6×10－19