2024-2025學(xué)年新教材高中物理第4章原子結(jié)構(gòu)第2節(jié)原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)案魯科版選擇性必修3

PAGE7-第2節(jié)原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]知道α粒子散射試驗(yàn)的現(xiàn)象、方法和結(jié)果．2.[科學(xué)思維]知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型．3.[物理觀念]知道原子和原子核大小的數(shù)量級(jí)．一、α粒子散射試驗(yàn)1．試驗(yàn)?zāi)康摩亮Ｗ油ㄟ^(guò)金箔時(shí)，用這些已知的粒子與金屬內(nèi)的原子相互作用，依據(jù)粒子的偏轉(zhuǎn)狀況來(lái)獲得原子內(nèi)部的信息．2．試驗(yàn)方法用由放射源放射的α粒子束轟擊金箔，利用熒光屏接收，探測(cè)通過(guò)金箔后的α粒子偏轉(zhuǎn)狀況．3．試驗(yàn)結(jié)果絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但是有少數(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(guò)了90°，有的甚至被原路彈回，α粒子被反射回來(lái)的概率竟然有eq\f(1,8000)．二、盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型1．核式結(jié)構(gòu)模型(1)原子的內(nèi)部有一個(gè)很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，帶負(fù)電的電子在核外繞核運(yùn)動(dòng)．(2)原子的核式結(jié)構(gòu)模型又被稱為行星模型．2．原子的大小(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．1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)金箔的厚薄對(duì)試驗(yàn)無(wú)影響． (×)(2)α粒子大角度的偏轉(zhuǎn)是電子造成的． (×)(3)原子內(nèi)部正電荷是勻稱分布的． (×)(4)原子的質(zhì)量是勻稱分布的． (×)(5)原子的質(zhì)量幾乎全部都集中在原子核內(nèi)． (√)2．(多選)如圖所示是英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福用α粒子轟擊金箔的試驗(yàn)裝置．下列關(guān)于該試驗(yàn)的描述正確的是()A．α粒子轟擊金箔的試驗(yàn)需在真空條件下完成B．該試驗(yàn)揭示了原子有困難的核式結(jié)構(gòu)C．試驗(yàn)結(jié)果表明絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)D．該試驗(yàn)證明了湯姆孫原子模型的正確性AB[α粒子轟擊金箔的試驗(yàn)需在真空條件下完成，故A正確；α粒子的散射試驗(yàn)揭示了原子具有困難的核式結(jié)構(gòu)，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)否定了湯姆孫原子模型，故B正確，D錯(cuò)誤；試驗(yàn)結(jié)果表明絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原方向前進(jìn)，故C錯(cuò)誤．]3．盧瑟福通過(guò)對(duì)α粒子散射試驗(yàn)結(jié)果的分析，提出了原子內(nèi)部存在()A．電子 B．中子C．質(zhì)子 D．原子核D[α粒子散射試驗(yàn)現(xiàn)象：絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并有極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角度超過(guò)90°，有的甚至被反彈回來(lái)．盧瑟福依據(jù)該試驗(yàn)現(xiàn)象提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型：原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞核旋轉(zhuǎn)．故A、B、C錯(cuò)誤，D正確．]α粒子散射試驗(yàn)分析(1)如圖所示為α粒子散射的試驗(yàn)裝置．試驗(yàn)過(guò)程中，α粒子為什么會(huì)發(fā)生大角度散射？(2)由α粒子散射試驗(yàn)的結(jié)果為何可以說(shuō)明原子核尺度很小，但幾乎占有全部質(zhì)量？提示：(1)α粒子受到原子核的庫(kù)侖力．(2)絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)方向前進(jìn)，說(shuō)明帶正電荷部分很小，少數(shù)α粒子被“撞了回來(lái)”說(shuō)明遇到了質(zhì)量很大的部分．1．試驗(yàn)背景：α粒子散射試驗(yàn)是盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生做的一個(gè)聞名的物理試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的是想驗(yàn)證湯姆孫原子模型的正確性，試驗(yàn)結(jié)果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)．在此基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型．2．否定湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型(1)質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子的電子，對(duì)α粒子的運(yùn)動(dòng)影響完全可以忽視，不應(yīng)當(dāng)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)．(2)α粒子在穿過(guò)原子時(shí)，受到各方向正電荷的斥力基本上會(huì)相互平衡，對(duì)α粒子運(yùn)動(dòng)方向的影響不會(huì)很大，也不應(yīng)當(dāng)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)．(3)α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)，否定湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型．3．大角度偏轉(zhuǎn)的試驗(yàn)現(xiàn)象分析(1)由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于α粒子質(zhì)量，所以電子不行能使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部分．依據(jù)湯姆孫原子模型，正電荷在原子內(nèi)是勻稱分布的，α粒子穿過(guò)原子時(shí)，它受到的兩側(cè)斥力大部分抵消，因而也不行能使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，更不能使α粒子反向彈回，這與α粒子散射試驗(yàn)相沖突．(3)試驗(yàn)現(xiàn)象表明原子絕大部分是空的，原子的幾乎全部質(zhì)量和全部正電荷都集中在原子中心的一個(gè)很小的核上，否則，α粒子大角度散射是不行能的．【例1】如圖所示為盧瑟福α粒子散射試驗(yàn)裝置的示意圖，圖中的顯微鏡可在圓周軌道上轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)顯微鏡前相連的熒光屏可視察α粒子在各個(gè)角度的散射狀況．下列說(shuō)法中正確的是()A．在圖中的A、B兩位置分別進(jìn)行視察，相同時(shí)間內(nèi)視察到屏上的閃光次數(shù)一樣多B．在圖中的B位置進(jìn)行視察，屏上視察不到任何閃光C．盧瑟福選用不同金屬箔片作為α粒子散射的靶，視察到的試驗(yàn)結(jié)果基本相像D．α粒子發(fā)生散射的主要緣由是α粒子撞擊到金原子核后產(chǎn)生反彈C[α粒子散射試驗(yàn)現(xiàn)象：絕大多數(shù)α粒子沿原方向前進(jìn)，少數(shù)α粒子有大角度散射．所以A處視察到的α粒子多，B處視察到的α粒子少，所以選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；α粒子發(fā)生散射的主要緣由是受到金原子核庫(kù)侖斥力的作用，所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤，C正確．]解決α粒子散射試驗(yàn)問(wèn)題的技巧(1)熟記試驗(yàn)裝置及原理．(2)核外電子不會(huì)使α粒子的速度發(fā)生明顯變更．(3)湯姆孫的原子模型不能說(shuō)明α粒子的大角度散射．(4)少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至反彈回來(lái)，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．(5)絕大多數(shù)α粒子在穿過(guò)厚厚的金原子層時(shí)運(yùn)動(dòng)方向沒(méi)有明顯變更，說(shuō)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)．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．依據(jù)湯姆孫原子結(jié)構(gòu)模型預(yù)料α粒子散射試驗(yàn)結(jié)果是()A．絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后都有顯著偏轉(zhuǎn)B．絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后都有小角度偏轉(zhuǎn)C．極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角很大，有的甚至沿原路返回D．不行能有α粒子偏轉(zhuǎn)角很大，更不行能沿原路返回D[電子的質(zhì)量很小，比α粒子的質(zhì)量小得多，α粒子遇到金箔原子內(nèi)的電子，運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯變更，湯姆孫原子結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為正電荷在原子內(nèi)是勻稱分布的，因此，當(dāng)α粒子穿過(guò)原子時(shí)，它受到兩側(cè)正電荷的斥力基本上相互平衡，α粒子基本不偏轉(zhuǎn)．]盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型湯姆孫發(fā)覺(jué)電子后建立了“葡萄干面包”模型，盧瑟福依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)推翻了“葡萄干面包”模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型．(1)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型是最科學(xué)的嗎？(2)如何理解原子內(nèi)絕大部分是空的？提示：(1)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型是比湯姆孫的“葡萄干面包”模型更科學(xué)的模型，但不是最科學(xué)的模型，隨著人們相識(shí)水平的不斷提高，原子結(jié)構(gòu)模型也在不斷更新．(2)原子核的半徑數(shù)量級(jí)為10－15m，原子的半徑數(shù)量級(jí)為10－10m，原子核的體積只相當(dāng)于原子體積的10－5，故原子內(nèi)部絕大部分是空的．1．兩種原子模型湯姆孫原子模型盧瑟福原子模型盧瑟福的原子模型有些像太陽(yáng)系，電子繞核運(yùn)動(dòng)就像太陽(yáng)系的行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)一樣，因此，盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型又被稱為行星模型．2．兩種原子模型的對(duì)比湯姆孫的葡萄干面包模型盧瑟福的原子核式模型分布狀況正電荷和質(zhì)量勻稱分布，負(fù)電荷鑲嵌在其中正電荷以及幾乎全部質(zhì)量集中在原子中心的一個(gè)微小核內(nèi)，電子質(zhì)量很小，分布在很大空間內(nèi)受力狀況α粒子在原子內(nèi)部時(shí)，受到的庫(kù)侖斥力相互抵消，幾乎為零少數(shù)靠近原子核的α粒子受到的庫(kù)侖力大，而大多數(shù)離核較遠(yuǎn)的α粒子受到的庫(kù)侖力較小偏轉(zhuǎn)狀況不會(huì)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，更不會(huì)彈回絕大多數(shù)α粒子運(yùn)動(dòng)方向不變，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)角度超過(guò)90°，有的甚至被彈回分析結(jié)論不符合α粒子散射現(xiàn)象符合α粒子散射現(xiàn)象3．原子核式結(jié)構(gòu)的理解(1)原子內(nèi)的電荷關(guān)系：原子核的電荷數(shù)與核外的電子數(shù)相等，特別接近它們的原子序數(shù)．(2)原子核的組成：原子核由質(zhì)子和中子組成，原子核的電荷數(shù)等于原子核的質(zhì)子數(shù)．(3)原子半徑的數(shù)量級(jí)是10－10m，原子核半徑的數(shù)量級(jí)是10－15m，兩者相差十萬(wàn)倍之多．【例2】(多選)依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型．如圖所示為原子核式結(jié)構(gòu)模型的α粒子散射圖景，圖中實(shí)線表示α粒子運(yùn)動(dòng)軌跡．其中一個(gè)α粒子在從a運(yùn)動(dòng)到b，再運(yùn)動(dòng)到c的過(guò)程中，α粒子在b點(diǎn)時(shí)距原子核最近．下列說(shuō)法正確的是()A．盧瑟福在α粒子散射試驗(yàn)中發(fā)覺(jué)了電子B．α粒子出現(xiàn)較大角度偏轉(zhuǎn)的緣由是α粒子運(yùn)動(dòng)到b時(shí)受到的庫(kù)侖斥力較大C．α粒子從a到c的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電勢(shì)能先減小后變大D．α粒子從a到c的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度先變大后變小BD[湯姆孫對(duì)陰極射線的探究使他發(fā)覺(jué)了電子，A錯(cuò)；α粒子出現(xiàn)較大角度偏轉(zhuǎn)的緣由是靠近原子核時(shí)受到較大的庫(kù)侖斥力作用，B對(duì)；α粒子從a到c受到的庫(kù)侖力先增大后減小，加速度先變大后變小，電勢(shì)能先增大后減小，C錯(cuò)，D對(duì)．]分析α粒子散射試驗(yàn)中的力電問(wèn)題常用的規(guī)律(1)庫(kù)侖定律：F＝keq\f(q1q2,r2)，用來(lái)分析α粒子和原子核間的相互作用力．(2)牛頓其次定律：該試驗(yàn)中α粒子只受庫(kù)侖力，可依據(jù)庫(kù)侖力的變更分析加速度的變更．(3)功能關(guān)系：依據(jù)庫(kù)侖力做功，可分析動(dòng)能的變更，也能分析電勢(shì)能的變更．(4)原子核帶正電，其四周的電場(chǎng)相當(dāng)于正點(diǎn)電荷的電場(chǎng)，留意應(yīng)用其電場(chǎng)線和等勢(shì)面的特點(diǎn)．[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為，核外電子繞核運(yùn)動(dòng)．設(shè)想氫原子的核外電子繞核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，氫原子中電子離核最近的軌道半徑為r1，已知電子電荷量為e，靜電力恒量為k，用經(jīng)典物理學(xué)的學(xué)問(wèn)，(1)計(jì)算電子在半徑為r1的軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能．(2)設(shè)軌道2的半徑r2＝4r1，計(jì)算電子在軌道2運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能．(3)比較電子在軌道1與軌道2的動(dòng)能，Ek1________(選填“＞”“＜”或“＝”)Ek2，電勢(shì)能Ep1________(選填“＞”“＜”或“＝”)Ep2．[解析](1)依據(jù)庫(kù)侖力供應(yīng)向心力有keq\f(e2,r\o\al(2,1))＝meq\f(v2,r1)，故Ek＝eq\f(1,2)mv2＝keq\f(e2,2r1)．(2)由(1)知當(dāng)r2＝4r1時(shí)有Ek′＝keq\f(e2,2r2)＝keq\f(e2,8r1)．(3)由(2)知由軌道1運(yùn)動(dòng)至軌道2，電子動(dòng)能減小，故Ek1＞Ek2，由軌道1至軌道2過(guò)程中，電子克服庫(kù)侖力引力做功，電勢(shì)能增大，故Ep1＜Ep2．[答案](1)keq\f(e2,2r1)(2)keq\f(e2,8r1)(3)＞＜1．(多選)關(guān)于α粒子散射試驗(yàn)，下列說(shuō)法正確的是()A．該試驗(yàn)在真空環(huán)境中進(jìn)行B．熒光屏上的閃光是散射的α粒子打在熒光屏上形成的C．熒光屏只有正對(duì)α粒子源發(fā)出的射線方向上才有閃光D．不用熒光屏也可用顯微鏡干脆視察α粒子散射狀況AB[本題考查α粒子散射試驗(yàn)裝置及其作用，只有在正確理解α粒子散射試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，才能選出正確選項(xiàng)．對(duì)于C項(xiàng)，考慮到有少數(shù)的α粒子因?yàn)榭拷鹪雍耍艿匠饬Χ兏诉\(yùn)動(dòng)方向，C錯(cuò)誤，A、B正確；α粒子必需借助于熒光屏視察，D錯(cuò)誤．]2．在α粒子散射試驗(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(wàn)有引力 B．庫(kù)侖力C．磁場(chǎng)力 D．彈力B[原子核內(nèi)有質(zhì)子，質(zhì)子與α粒子都帶正電，庫(kù)侖斥力使少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，選項(xiàng)B正確．]3．在盧瑟福α粒子散射試驗(yàn)中，金箔中的原子核可以看作靜止不動(dòng)，下列各圖畫(huà)出的是其中兩個(gè)α粒子經(jīng)驗(yàn)金箔散射過(guò)程的徑跡，其中正確的是()ABCDC[α粒子與原子核均帶正電荷，所以α粒子受到原子核的作用力為斥力，據(jù)此可解除選項(xiàng)A、D；α粒子不行能先受到吸引力，再受到排斥力，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．]4．關(guān)于原子結(jié)構(gòu)，下列說(shuō)法正確的是()A．原子中原子核很小，核外很“空曠”B．原子核的直徑的數(shù)量級(jí)是10－10mC．原子的全部電荷都集中在原子核內(nèi)D．原子的全部的質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)A[大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明核外很“空曠”，A正確；原子核的直徑的數(shù)量級(jí)為10－15m，B錯(cuò)誤；由盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型知，C、D錯(cuò)誤．]5．如圖所示，在α粒子散射試驗(yàn)中，圖中實(shí)線表示α粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，假定金原子核位置固定，a、b、c為某條軌跡上的三個(gè)點(diǎn)，其中a、c兩點(diǎn)距金原子核的距離相等()A．盧瑟福依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)提出了能量量子化理論B．大多數(shù)α粒子擊中金箔后幾乎沿原方向返回C．從a經(jīng)過(guò)b運(yùn)