高中物理 第3章 原子世界探秘 3_2 原子模型的提出教师用书 沪科版选修3-5

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3.2　原子模型的提出 学 习 目 标 知 识 脉 络 1.了解汤姆生的原子枣糕模型的建立依据以及具体内容. 2.知道α粒子散射实验方法以及实验结果.(重点) 3.知道原子的核式结构模型以及对α散射实验现象的解释.(重点、难点) 汤姆生模型和α粒子散射 实验 [先填空] 1.汤姆生的原子模型 汤姆生于1904年提出原子的枣糕模型：原子是一个球体，正电荷均匀地分布在整个球内，电子像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，原子整体呈中性. 2.α粒子散射实验 (1)实验装置：α粒子源、金箔、放大镜和荧光屏. (2)实验现象： ①绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进. ②少数α粒子发生了大角度的偏转. ③极少数α粒子的偏转角大于90，甚至有极个别α粒子被反弹回来. (3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆生的原子模型，建立了核式结构模型. [再判断] 1.卢瑟福为了证实汤姆生原子模型的正确性进行了α粒子散射实验.(√) 2.α粒子散射实验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹.() 3.卢瑟福否定了汤姆生模型，建立了原子核式结构模型.(√) [后思考] 1.α粒子发生大角度散射的原因是什么？ 【提示】　α粒子带正电，α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射. 2.汤姆生的原子结构模型为什么被卢瑟福否定掉？ 【提示】　按照汤姆生的“枣糕”原子模型，α粒子如果从原子之间或原子的中心轴线穿过时，它受到周围的正负电荷作用的库仑力是平衡的，α粒子不产生偏转；如果α粒子偏离原子的中心轴线穿过，两侧电荷作用的库仑力相当于一部分被抵消，α粒子偏转很小；如果α粒子正对着电子射来，质量远小于α粒子的电子不可能使α粒子发生明显偏转，更不可能使它反弹.所以α粒子的散射实验结果否定了汤姆生的原子模型. [核心点击] 1.装置 放射源、金箔、荧光屏等，如图321所示. 图321 2.现象及解释 (1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进.大多数α粒子离金原子核较远. (2)少数α粒子发生较大的偏转.发生较大偏转的α粒子是由于离金原子核较近，库仑斥力较大. (3)极少数α粒子偏转角度超过90，有的几乎达到180.正对或基本正对着金原子核入射的α粒子在库仑斥力作用下先减速至较小速度然后加速远离金原子核. 3.实验的注意事项 (1)整个实验过程在真空中进行. (2)金箔需要做得很薄，α粒子才能穿过. (3)使用金箔的原因是金的延展性好，可以做得很薄.并且金的原子序数大，α粒子与金核间的库仑斥力大，偏转明显. 1.关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　) 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α粒子打在荧光屏上形成的 D.荧光屏只有正对α粒子源发出的射线方向上才有闪光 E.不用荧光屏也可用显微镜直接观察α粒子散射情况 【解析】　本题考查α粒子散射实验装置及其作用，只有在正确理解α粒子散射实验的基础上，才能选出正确选项.对于D项，考虑到有少数的α粒子因为靠近金原子核，受到斥力而改变了运动方向，D错误，A、B、C正确；α粒子必须借助于荧光屏观察，E错误. 【答案】　ABC 2.如图323为卢瑟福所做的α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，下列说法中正确的是(　　) 图323 A.相同时间内在A时观察到屏上的闪光次数最多 B.相同时间内在B时观察到屏上的闪光次数比放在A时稍少些 C.放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光 D.放在C、D位置时屏上观察不到闪光 E.放在C、D位置时屏上仍能观察到一些闪光，只是在D处观察到的闪光次数比在C处还要少 【解析】　在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故A正确.少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度大于90，极个别α粒子反弹回来，所以在B位置只能观察到少数的闪光，在C、D两位置能观察到的闪光次数极少，故B、D错误，C、E正确. 【答案】　ACE 解决α粒子散射实验问题的技巧 (1)熟记实验装置及原理. (2)理解建立核式结构模型的要点. ①核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变. ②汤姆生的原子模型不能解释α粒子的大角度散射. ③少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用. ④绝大多数α粒子在穿过金箔时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的质量、电荷量都集中在体积很小的核内. 卢 瑟 福 的 原 子 核 式 结 构 模 型 [先填空] 1.核式结构模型 在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核上，带负电的电子在核外空间绕着核旋转. 2.原子核的电荷和尺度 (1)根据核式结构模型推导出α粒子的散射公式可计算各种元素原子核的电荷量，其值非常接近于原子序数. (2)由α粒子散射实验的数据还可估计原子核的尺度.原子核半径的数量级为10－15_m而原子半径的数量级为10－10 m，原子内部非常“空旷”. [再判断] 1.原子的质量几乎全部集中在原子核上.(√) 2.原子中所有正电荷都集中在原子核内.(√) 3.核电荷数等于质子数，也等于中子数.() [后思考] 1.原子中的原子核所带的电荷量有何特点？ 【提示】　原子核带正电，所带电荷量与核外电子所带的电荷量绝对值相等. 2.卢瑟福的原子模型是如何解释α粒子散射实验结果的？ 【提示】　α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向也改变很小.只有当α粒子十分接近核时，才受到很大的库仑斥力，发生大角度的偏转.由于核很小，α粒子十分接近的机会很小，所以绝大多数α粒子基本上仍沿原方向前进，只有极少数发生大角度偏转. [核心点击] 1.原子的核式结构与原子的枣糕模型的根本区别. 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，非常接近它们的原子序数. 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.原子半径的数量级是10－10m，原子核半径的数量级是10－15m，两者相差10万倍之多. 3.卢瑟福对α粒子散射实验的解释是(　　) A.使α粒子产生偏转的主要原因是原子中电子对α粒子的作用力 B.使α粒子产生偏转的力是库仑力 C.原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进 D.能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子 E.因正、负电荷在原子中是均匀分布的，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进 【解析】　原子核带正电，与α粒子之间存在库仑力，当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转，电子对它的影响可忽略，故A错，B对；由于原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远因而运动方向几乎不变，只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D对. 【答案】　BCD 4.在α粒子散射实验中，如果两个具有相同能量的α粒子，从不同大小的角度散射出来，则散射角度大的α粒子(　　) A.更接近原子核 B.更远离原子核 C.受到一个以上的原子核作用 D.受到原子核较大的冲量作用 E.动量的变化量较大 【解析】　由于原子的体积远远大于原子核的体积，当α粒子穿越某一个原子的空间时，其他原子核距α粒子相对较远，而且其他原子核对α粒子的作用力也可以近似相互抵消，所以散射角度大的这个α粒子并非由于受到多个原子核作用，C错；由库仑定律可知，α粒子受到的斥力与距离的平方成反比，α粒子距原子核越近，斥力越大，运动状态改变越大，即散射角度越大，A对，B错；当α粒子受到原子核较大的冲量作用时，动量的变化量就大，即速度的变化量就大，则散射角度就大，D、E对. 【答案】　ADE 5.在α粒子散射实验中，当在α粒子最接近原子核时，关于描述α粒子的有关物理量情况正确的是(　　) A.动能最小 B.势能最小 C.势能最大 D.α粒子与金原子核组成的系统能量最小 E.α粒子所受金原子核的斥力最大 【解析】　α粒子和金原子核都带正电，库仑力表现为斥力，两者距离减小时，库仑力做负功，故α粒子动能减小，电势能增加；系统的能量守恒，由库仑定律可知随着距离的减小，库仑斥力逐渐增大. 【答案】　ACE α粒子散射实验中的力电问题分析 (1)库仑定律：F＝k，用来分析α粒子和原子核间的相互作用力. (2)牛顿第二定律：该实验中α粒子只受库仑力，可根据库仑力的变化分析加速度的变化. (3)功能关系：根据库仑力做功，可分析动能的变化，也能分析电势能的变化.