物理選修3-5魯科版全套一體資料講義第二章原子結(jié)構(gòu)2-2

第2節(jié)原子的核式結(jié)構(gòu)模型[目標(biāo)定位]1.了解α粒子散射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.2.理解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型．一、α粒子散射實(shí)驗(yàn)1．實(shí)驗(yàn)裝置(如圖1)：圖12．實(shí)驗(yàn)方法用由放射源發(fā)射的α粒子束轟擊金箔，利用熒光屏接收，探測通過金箔后的α粒子分布情況．3．實(shí)驗(yàn)結(jié)果絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，有極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90°，有的甚至被原路彈回，α粒子被反射回來的概率竟然有eq\f(1,8000).二、盧瑟福原子模型1．核式結(jié)構(gòu)模型原子內(nèi)部有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷以及幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，帶負(fù)電的電子繞核運(yùn)動(dòng)．原子的核式結(jié)構(gòu)模型又被稱為行星模型．2．原子的大?。?1)原子直徑數(shù)量級(jí)：10－10m.(2)原子核直徑數(shù)量級(jí)：10－15m.一、對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的理解1．裝置：放射源、金箔、熒光屏等，如圖2所示．圖22．現(xiàn)象：(1)絕大多數(shù)的α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)．(2)少數(shù)α粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)．(3)極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過90°，有的幾乎達(dá)到180°.3．注意事項(xiàng)：(1)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在真空中進(jìn)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．4．湯姆孫的原子模型不能解釋?duì)亮Ｗ拥拇蠼嵌壬⑸洌纠?】(多選)如圖3為盧瑟福所做的α粒子散射實(shí)驗(yàn)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(gè)位置時(shí)，下述說法中正確的是()圖3A．相同時(shí)間內(nèi)在A時(shí)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多B．相同時(shí)間內(nèi)在B時(shí)觀察到屏上的閃光次數(shù)比放在A時(shí)稍少些C．放在D位置時(shí)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(shí)屏上觀察不到閃光答案AC解析在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)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(jìn)，故A正確；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(gè)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(cuò)，C對(duì)．借題發(fā)揮解決α粒子散射實(shí)驗(yàn)問題的技巧1．熟記實(shí)驗(yàn)裝置及原理．2．理解建立核式結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)．(1)核外電子不會(huì)使α粒子的速度發(fā)生明顯改變．(2)湯姆孫的原子模型不能解釋?duì)亮Ｗ拥拇蠼嵌壬⑸洌?3)少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至反彈回來，表明這些α粒子在原子中的某個(gè)地方受到了質(zhì)量、電荷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(shí)運(yùn)動(dòng)方向沒有明顯變化，說明原子中絕大部分是空的，原子的質(zhì)量、電荷量都集中在體積很小的核內(nèi)．針對(duì)訓(xùn)練1(多選)圖4用α粒子撞擊金原子核發(fā)生散射，圖4中關(guān)于α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡正確的是()A．a(chǎn) B．bC．c D．d答案CD解析α粒子受金原子核的排斥力，方向沿兩者的連線方向，運(yùn)動(dòng)軌跡彎向受力方向的一側(cè)，A、B均錯(cuò)誤；離原子核越近，α粒子受到的斥力越大，偏轉(zhuǎn)越大，C、D正確．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(gè)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(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)．2．對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋(1)當(dāng)α粒子穿過原子時(shí)，如果離核較遠(yuǎn)，受到原子核的斥力很小，運(yùn)動(dòng)方向改變很小，因?yàn)樵雍撕苄?，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(shí)，才受到很大的庫侖力作用，偏轉(zhuǎn)角才很大，而這種機(jī)會(huì)很少．(3)如果α粒子正對(duì)著原子核射來，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°，這種機(jī)會(huì)極小，如圖5所示．圖53．?dāng)?shù)量級(jí)：原子的半徑數(shù)量級(jí)為10－10m，原子核半徑的數(shù)量級(jí)為10－15m【例2】下列對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)中，錯(cuò)誤的是()A．原子中絕大部分是空的，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．原子核直徑的數(shù)量級(jí)大約為10－10m答案D解析盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果否定了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的湯姆孫模型，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(jí)為10－15m，而原子直徑的數(shù)量級(jí)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”的，核外帶負(fù)電的電子由于受到帶正電的原子核的庫侖引力而繞核旋轉(zhuǎn)，所以本題應(yīng)選D.針對(duì)訓(xùn)練2在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)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(gè)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(fù)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解析原子的核式結(jié)構(gòu)正是建立在α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上的，C、D的說法沒有錯(cuò)，但與題意不符．α粒子散射實(shí)驗(yàn)的理解1．在α粒子的散射實(shí)驗(yàn)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(duì)α粒子的()A．萬有引力 B．庫侖力C．磁場力 D．核力答案B2．英國物理學(xué)家盧瑟福用α粒子轟擊金箔，為了解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，如圖所示，O表示金原子核的位置，曲線ab和cd表示經(jīng)過金原子核附近的α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，能正確反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖是()答案D解析α粒子散射實(shí)驗(yàn)的原因是α粒子與金原子核間存在庫侖斥力，因此僅有D圖正確．原子的核式結(jié)構(gòu)模型3．(多選)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(gè)核，叫原子核B．原子的正電荷均勻分布在整個(gè)原子中C．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)D．帶負(fù)電的電子在核外繞著核旋轉(zhuǎn)答案ACD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(gè)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(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)，由此可見，B選項(xiàng)錯(cuò)誤，A、C、D選項(xiàng)正確．4．(多選)盧瑟福對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的解釋是()A．使α粒子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的主要是原子中電子對(duì)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粒子接近它的機(jī)會(huì)很小，所以絕大多數(shù)的α粒子仍沿原來的方向前進(jìn)D．能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子是穿過原子時(shí)離原子核近的α粒子答案BCD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(shí)受庫侖力而偏轉(zhuǎn)，電子對(duì)它的影響可忽略，故A錯(cuò)，B對(duì)；由于原子核非常小，絕大多數(shù)粒子經(jīng)過時(shí)離核較遠(yuǎn)因而運(yùn)動(dòng)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、D對(duì).(時(shí)間：60分鐘)題組一對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的理解1．關(guān)于α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的描述，下列說法中正確的是()A．實(shí)驗(yàn)器材有放射源、金箔、帶有熒光屏的放大鏡B．金箔的厚度對(duì)實(shí)驗(yàn)無影響C．如果不用金箔改為鋁箔，就不會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象D．實(shí)驗(yàn)裝置放置在空氣中和真空中都可以答案A解析實(shí)驗(yàn)用的器材有放射源、金箔、帶有熒光屏的放大鏡，放大鏡可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)不同的方向，對(duì)散射的α粒子進(jìn)行觀察，A對(duì)；實(shí)驗(yàn)用的金箔的厚度極小，如果厚度增大，α粒子穿過金箔時(shí)必然受到較大的阻礙作用而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，B錯(cuò)；如果改用鋁箔，鋁的原子核的電量仍然大α粒子很多，當(dāng)α粒子靠近鋁原子核時(shí)，庫侖斥力仍然很大，散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象仍能夠發(fā)生，C錯(cuò)；空氣的流動(dòng)和塵埃對(duì)α粒子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響，且α粒子在空氣中由于電離作用，只能前進(jìn)很短距離，使實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行，故實(shí)驗(yàn)裝置是放在真空中進(jìn)行的，D錯(cuò)．2．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(shí)驗(yàn)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)沿原方向穿過，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(shí)驗(yàn)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(jìn)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤．α粒子被散射時(shí)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)角幾乎達(dá)到180°，故選項(xiàng)B正確，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤．3．在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，使α粒子散射的原因是()A．α粒子與原子核外電子碰撞B．α粒子與原子核發(fā)生接觸碰撞C．α粒子發(fā)生明顯衍射D．α粒子與原子核的庫侖斥力作用答案D解析α粒子與原子核外電子的作用是很微弱的，由于原子核的質(zhì)量和電荷量很大，α粒子與原子核很近時(shí)，庫侖斥力很強(qiáng)，足可以使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)甚至反向彈回，使α粒子散射的原因是庫侖斥力，D對(duì)．4．如圖所示，X表示金原子核，α粒子射向金箔被散射，若它們的入射時(shí)的動(dòng)能相同，其偏轉(zhuǎn)軌跡可能是圖中的()答案D解析α粒子離金核越遠(yuǎn)，其所受斥力越小，軌跡彎曲的就越小，故D對(duì)．5．在α粒子穿過金箔發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的過程中，下列說法正確的是()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(cuò)誤，B正確；α粒子在靠近金原子核時(shí)斥力做負(fù)功，速度減小，遠(yuǎn)離時(shí)斥力做正功，速度增大，故D錯(cuò)誤．6．(多選)根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型．圖1中虛線表示原子核所形成的電場等勢面，實(shí)線表示一個(gè)α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡．在α粒子從a運(yùn)動(dòng)到b、再運(yùn)動(dòng)到c的過程中，下列說法中正確的是()圖1A．電場力在a→b過程中做負(fù)功，b→c過程中做正功，但總功等于零B．加速度先變大，后變小C．a(chǎn)、c兩點(diǎn)的動(dòng)能不相等D．其動(dòng)能與電勢能的和不變答案ABD解析α粒子與原子核之間的力為庫侖斥力，從a→b庫侖力做負(fù)功，動(dòng)能減少，電勢能增加，從b→c庫侖力做正功，動(dòng)能增加，且a→b與b→c庫侖力所做的總功為0，則a、c兩點(diǎn)的動(dòng)能相等，因此A正確，C錯(cuò)；因?yàn)橹挥须妶隽ψ龉?，故?dòng)能與電勢能之和不變，故D正確；α粒子與原子核相距越近，庫侖力越大，加速度越大，故從a→c加速度先增大后減小，B正確．題組二盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型7．盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示了下列哪些情況()A．原子內(nèi)存在電子B．原子的大小為10－10mC．原子的正電荷均勻分布在它的全部體積上D．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)答案D解析根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后沿原來方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角超過90°，可知C錯(cuò)，A與題意不符；而實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能判定原子的大小為10－10m，B錯(cuò)，故選D.8．(多選)α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)α粒子最接近金原子核時(shí)，α粒子符合下列哪種情況()A．動(dòng)能最小B．勢能最小C．α粒子與金原子核組成的系統(tǒng)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過程中，要克服庫侖斥力做功，動(dòng)能減少，電勢能增加，兩者相距最近時(shí)，動(dòng)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(shí)，斥力最大．9．速度為107m/s的α粒子從很遠(yuǎn)的地方飛來，與鋁原子核發(fā)生對(duì)心碰撞，若α粒子的質(zhì)量為4m0，鋁核的質(zhì)量為27m0，它們相距最近時(shí)，鋁核獲得的動(dòng)能是原α粒子動(dòng)能的多少？答案eq\f(108,961)解析在α粒子和鋁原子核發(fā)生對(duì)心碰撞后，當(dāng)二者速度相同時(shí)相距最近，在α粒子靠近過程中，由動(dòng)量守恒得mαv0＝(mα＋m鋁)v共，所以v共＝eq\f(mαv0,mα＋m鋁)eq\f(Ek鋁,Ekα)＝eq\f(\f(1,2)m鋁v\o\al(2,共),\f(1,2)mαv\o\al(2,0))＝eq\f(m鋁·\f(mαv0,mα＋m鋁)2,mαv\o\al(2,0))＝eq\f(m鋁mα,mα＋m鋁2)＝eq\f(27m0·4m0,4m0＋27m02)＝eq\f(108,961)×10－31×10－19×10－10m，求電子繞核運(yùn)動(dòng)的線速度大小、動(dòng)能、周期和形成的等效電流．答案×106×10－18×10－16×10－3A解析由盧瑟福的原子模型可知：電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力由核對(duì)電子的庫侖引力來提供．根