高中物理 第3章 原子世界探秘 3_2 原子模型的提出教師用書 滬科版選修3-5

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3.2　原子模型的提出 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.了解湯姆生的原子棗糕模型的建立依據(jù)以及具體內容. 2.知道α粒子散射實驗方法以及實驗結果.(重點) 3.知道原子的核式結構模型以及對α散射實驗現(xiàn)象的解釋.(重點、難點) 湯姆生模型和α粒子散射 實驗 [先填空] 1.湯姆生的原子模型 湯姆生于1904年提出原子的棗糕模型：原子是一個球體，正電荷均勻地分布在整個球內，電子像棗糕上的棗子一樣嵌在球中，被正電荷吸引著.原子內正、負電荷相等，原子整體呈中性. 2.α粒子散射實驗 (1)實驗裝置：α粒子源、金箔、放大鏡和熒光屏. (2)實驗現(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. ②少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度的偏轉. ③極少數(shù)α粒子的偏轉角大于90，甚至有極個別α粒子被反彈回來. (3)實驗意義：盧瑟福通過α粒子散射實驗，否定了湯姆生的原子模型，建立了核式結構模型. [再判斷] 1.盧瑟福為了證實湯姆生原子模型的正確性進行了α粒子散射實驗.(√) 2.α粒子散射實驗中大多數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉或反彈.() 3.盧瑟福否定了湯姆生模型，建立了原子核式結構模型.(√) [后思考] 1.α粒子發(fā)生大角度散射的原因是什么？ 【提示】　α粒子帶正電，α粒子受原子中帶正電的部分的排斥力發(fā)生了大角度散射. 2.湯姆生的原子結構模型為什么被盧瑟福否定掉？ 【提示】　按照湯姆生的“棗糕”原子模型，α粒子如果從原子之間或原子的中心軸線穿過時，它受到周圍的正負電荷作用的庫侖力是平衡的，α粒子不產(chǎn)生偏轉；如果α粒子偏離原子的中心軸線穿過，兩側電荷作用的庫侖力相當于一部分被抵消，α粒子偏轉很?。蝗绻亮Ｗ诱龑χ娮由鋪?，質量遠小于α粒子的電子不可能使α粒子發(fā)生明顯偏轉，更不可能使它反彈.所以α粒子的散射實驗結果否定了湯姆生的原子模型. [核心點擊] 1.裝置 放射源、金箔、熒光屏等，如圖321所示. 圖321 2.現(xiàn)象及解釋 (1)絕大多數(shù)的α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進.大多數(shù)α粒子離金原子核較遠. (2)少數(shù)α粒子發(fā)生較大的偏轉.發(fā)生較大偏轉的α粒子是由于離金原子核較近，庫侖斥力較大. (3)極少數(shù)α粒子偏轉角度超過90，有的幾乎達到180.正對或基本正對著金原子核入射的α粒子在庫侖斥力作用下先減速至較小速度然后加速遠離金原子核. 3.實驗的注意事項 (1)整個實驗過程在真空中進行. (2)金箔需要做得很薄，α粒子才能穿過. (3)使用金箔的原因是金的延展性好，可以做得很薄.并且金的原子序數(shù)大，α粒子與金核間的庫侖斥力大，偏轉明顯. 1.關于α粒子散射實驗，下列說法正確的是(　　) A.該實驗在真空環(huán)境中進行 B.帶有熒光屏的顯微鏡可以在水平面內的不同方向上移動 C.熒光屏上的閃光是散射的α粒子打在熒光屏上形成的 D.熒光屏只有正對α粒子源發(fā)出的射線方向上才有閃光 E.不用熒光屏也可用顯微鏡直接觀察α粒子散射情況 【解析】　本題考查α粒子散射實驗裝置及其作用，只有在正確理解α粒子散射實驗的基礎上，才能選出正確選項.對于D項，考慮到有少數(shù)的α粒子因為靠近金原子核，受到斥力而改變了運動方向，D錯誤，A、B、C正確；α粒子必須借助于熒光屏觀察，E錯誤. 【答案】　ABC 2.如圖323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，下列說法中正確的是(　　) 圖323 A.相同時間內在A時觀察到屏上的閃光次數(shù)最多 B.相同時間內在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 D.放在C、D位置時屏上觀察不到閃光 E.放在C、D位置時屏上仍能觀察到一些閃光，只是在D處觀察到的閃光次數(shù)比在C處還要少 【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正確.少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉，極少數(shù)α粒子偏轉角度大于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、E正確. 【答案】　ACE 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)理解建立核式結構模型的要點. 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，甚至反彈回來，表明這些α粒子在原子中的某個地方受到了質量、電荷量均比它本身大得多的物體的作用. ④絕大多數(shù)α粒子在穿過金箔時運動方向沒有明顯變化，說明原子中絕大部分是空的，原子的質量、電荷量都集中在體積很小的核內. 盧 瑟 福 的 原 子 核 式 結 構 模 型 [先填空] 1.核式結構模型 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量都集中在原子核上，帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉. 2.原子核的電荷和尺度 (1)根據(jù)核式結構模型推導出α粒子的散射公式可計算各種元素原子核的電荷量，其值非常接近于原子序數(shù). (2)由α粒子散射實驗的數(shù)據(jù)還可估計原子核的尺度.原子核半徑的數(shù)量級為10－15_m而原子半徑的數(shù)量級為10－10 m，原子內部非?！翱諘纭? [再判斷] 1.原子的質量幾乎全部集中在原子核上.(√) 2.原子中所有正電荷都集中在原子核內.(√) 3.核電荷數(shù)等于質子數(shù)，也等于中子數(shù).() [后思考] 1.原子中的原子核所帶的電荷量有何特點？ 【提示】　原子核帶正電，所帶電荷量與核外電子所帶的電荷量絕對值相等. 2.盧瑟福的原子模型是如何解釋α粒子散射實驗結果的？ 【提示】　α粒子穿過原子時，如果離核較遠，受到的庫侖斥力很小，運動方向也改變很小.只有當α粒子十分接近核時，才受到很大的庫侖斥力，發(fā)生大角度的偏轉.由于核很小，α粒子十分接近的機會很小，所以絕大多數(shù)α粒子基本上仍沿原方向前進，只有極少數(shù)發(fā)生大角度偏轉. [核心點擊] 1.原子的核式結構與原子的棗糕模型的根本區(qū)別. 核式結構 棗糕模型 原子內部是非常空曠的，正電荷集中在一個很小的核里 原子是充滿了正電荷的球體 電子繞核高速旋轉 電子均勻嵌在原子球體內 2.原子內的電荷關系：原子核的電荷數(shù)與核外的電子數(shù)相等，非常接近它們的原子序數(shù). 3.原子核的組成：原子核由質子和中子組成，原子核的電荷數(shù)等于原子核的質子數(shù). 4.原子半徑的數(shù)量級是10－10m，原子核半徑的數(shù)量級是10－15m，兩者相差10萬倍之多. 3.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)生偏轉的力是庫侖力 C.原子核很小，α粒子接近它的機會很小，所以絕大多數(shù)的α粒子仍沿原來的方向前進 D.能產(chǎn)生大角度偏轉的α粒子是穿過原子時離原子核近的α粒子 E.因正、負電荷在原子中是均勻分布的，所以絕大多數(shù)的α粒子仍沿原來的方向前進 【解析】　原子核帶正電，與α粒子之間存在庫侖力，當α粒子靠近原子核時受庫侖力而偏轉，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、D對. 【答案】　BCD 4.在α粒子散射實驗中，如果兩個具有相同能量的α粒子，從不同大小的角度散射出來，則散射角度大的α粒子(　　) A.更接近原子核 B.更遠離原子核 C.受到一個以上的原子核作用 D.受到原子核較大的沖量作用 E.動量的變化量較大 【解析】　由于原子的體積遠遠大于原子核的體積，當α粒子穿越某一個原子的空間時，其他原子核距α粒子相對較遠，而且其他原子核對α粒子的作用力也可以近似相互抵消，所以散射角度大的這個α粒子并非由于受到多個原子核作用，C錯；由庫侖定律可知，α粒子受到的斥力與距離的平方成反比，α粒子距原子核越近，斥力越大，運動狀態(tài)改變越大，即散射角度越大，A對，B錯；當α粒子受到原子核較大的沖量作用時，動量的變化量就大，即速度的變化量就大，則散射角度就大，D、E對. 【答案】　ADE 5.在α粒子散射實驗中，當在α粒子最接近原子核時，關于描述α粒子的有關物理量情況正確的是(　　) A.動能最小 B.勢能最小 C.勢能最大 D.α粒子與金原子核組成的系統(tǒng)能量最小 E.α粒子所受金原子核的斥力最大 【解析】　α粒子和金原子核都帶正電，庫侖力表現(xiàn)為斥力，兩者距離減小時，庫侖力做負功，故α粒子動能減小，電勢能增加；系統(tǒng)的能量守恒，由庫侖定律可知隨著距離的減小，庫侖斥力逐漸增大. 【答案】　ACE α粒子散射實驗中的力電問題分析 (1)庫侖定律：F＝k，用來分析α粒子和原子核間的相互作用力. (2)牛頓第二定律：該實驗中α粒子只受庫侖力，可根據(jù)庫侖力的變化分析加速度的變化. (3)功能關系：根據(jù)庫侖力做功，可分析動能的變化，也能分析電勢能的變化.