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1、第2节原子的核式结构模型 学 习 目 标知 识 脉 络1.知道粒子散射实验的现象、方法和结果(重点)2知道原子的核式结构模型(重点、难点)3知道原子和原子核大小的数量级. 粒 子 散 射 实 验1实验目的粒子通过金箔时，用这些已知的粒子与金属内的原子相互作用，根据粒子的偏转情况来获得原子内部的信息2实验方法用由放射源发射的粒子束轰击金箔，利用荧光屏接收，探测通过金箔后的粒子偏转情况3实验结果绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数粒子发生了较大的偏转，有极少数粒子偏转角超过了90，有的甚至被原路弹回，粒子被反射回来的概率竟然有1/8 000.1粒子散射实验主要实验器材有：放射源、金
2、箔、荧光屏、显微镜()2金箔的厚薄对实验无影响()3粒子大角度的偏转是电子造成的()卢瑟福为何选用粒子去轰击金箔？【提示】因为当时已经发现了射线和射线，并且，组成射线的粒子是具有很大动能的带电粒子，适合做轰击金属的“炮弹”另外，金具有较大的密度和很好的延展性，能够做成很薄的箔片1实验背景：粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型2否定汤姆孙的原子结构模型(1)质量远小于原子的电子，对粒子的运动影响完全可以忽略，不应该发生大角度偏转(2)粒子在穿过原子时，受
3、到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对粒子运动方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转(3)粒子的大角度偏转，否定汤姆孙的原子结构模型3大角度偏转的实验现象分析(1)由于电子质量远小于粒子质量，所以电子不可能使粒子发生大角度偏转(2)使粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分按照汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分抵消，因而也不可能使粒子发生大角度偏转，更不能使粒子反向弹回，这与粒子散射实验相矛盾(3)实验现象表明原子绝大部分是空的，原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则，粒子大角度散射是不可能的1(多选)关于
4、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荧光屏上的闪光是散射的粒子打在荧光屏上形成的C荧光屏只有正对粒子源发出的射线方向上才有闪光D不用荧光屏也可用显微镜直接观察粒子散射情况【解析】本题考查粒子散射实验装置及其作用，只有在正确理解粒子散射实验的基础上，才能选出正确选项对于C项，考虑到有少数的粒子因为靠近金原子核，受到斥力而改变了运动方向，C错误，A、B正确；粒子必须借助于荧光屏观察，D错误【答案】AB2(多选)如图221为卢瑟福所做的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221A相同时间内在A时观察到屏上
5、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】在卢瑟福粒子散射实验中，粒子穿过金箔后，绝大多数粒子仍沿原来的方向前进，故A正确少数粒子发生大角度偏转，极少数粒子偏转角度大于90，极个别粒子反弹回来，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错误，C、D正确【答案】ACD解决粒子散射实验问题的技巧(1)熟记实验装置及原理(2)核外电子不会使粒子的速度发生明显改变(3)汤姆孙的原子模型不能解释粒子的大角度散射(4)少数
6、粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些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(5)绝大多数粒子在穿过厚厚的金原子层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模型及原子大小1核式结构模型(1)原子的内部有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，带负电的电子绕核运动(2)原子的核式结构模型又被称为行星模型2原子的大小(1)原子直径数量级：1010 m.(2)原子核直径数量级：1015 m.1原子内部正电荷是均匀分布的()2原子的质量是均匀分布的()3原子的几乎全部质量都集
7、中在原子核内()卢瑟福的原子模型是如何解释粒子散射实验结果的？【提示】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，粒子十分接近的机会很小，所以绝大多数粒子基本上仍沿原方向前进，只有极少数发生大角度偏转1汤姆孙的原子结构模型与卢瑟福的原子核式结构对比汤姆孙的葡萄干面包模型卢瑟福的原子核式模型分布情况正电荷和质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中正电荷和几乎全部质量集中在原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内受力情况粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零少数靠近原子核的粒子受到的库
8、仑力大，而大多数离核较远的粒子受到的库仑力较小偏转情况不会发生大角度偏转，更不会被弹回绝大多数粒子运动方向不变，少数粒子发生大角度偏转，极少数粒子偏转角度超过90，有的甚至被弹回分析结论不符合粒子散射现象符合粒子散射现象2.原子的核式结构模型对粒子散射实验结果的解释：(1)当粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小因为原子核很小，所以绝大多数粒子不发生偏转图222(2)只有当粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，发生大角度偏转，而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转(3)如果粒子正对着原子核射来，偏转角几乎
9、达到180，这种机会极少，如图222所示，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90.3(多选)关于原子核式结构理论说法正确的是()A是通过发现电子现象得出来的B原子的中心有个核，叫作原子核C原子的正电荷均匀分布在整个原子中D原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外旋转【解析】原子的核式结构模型是在粒子的散射实验结果的基础上提出的，A错误原子中绝大部分是空的，带正电的部分集中在原子中心一个很小的范围，称为原子核，B正确，C错误原子核集中了原子全部正电荷和几乎全部质量，带负电的电子在核外旋转，D正确【答案】BD4.如图223所示，根据粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模
10、型图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个粒子的运动轨迹在粒子从a运动到b，再运动到c的过程中，下列说法中正确的是() 【导学号：64772026】图223A动能先增大，后减小B电势能先减小，后增大 C电场力先做负功，后做正功，总功等于零D加速度先变小，后变大【解析】根据卢瑟福提出的核式结构模型，原子核集中了原子的全部正电荷，即原子核外的电场分布与正点电荷电场类似粒子从a运动到b，电场力做负功，动能减小，电势能增大；从b运动到c，电场力做正功，动能增大，电势能减小；a、c在同一条等势线上，则电场力做的总功等于零，C正确，A、B错误；a、b、c三点的场强大小关系EaEcEb，故粒子的
11、加速度先变大，后变小，D错误【答案】C5在粒子散射实验中，根据粒子与原子核发生对心碰撞时能达到的最小距离可以估算原子核的大小现有一个粒子以2.0107 m/s的速度去轰击金箔，若金原子的核电荷数为79.求粒子与金原子核间的最近距离(已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为Epk，r为距点电荷的距离粒子质量为6.641027 kg)【解析】当粒子靠近原子核运动时，粒子的动能转化为电势能，达到最近距离时，动能全部转化为电势能，设粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为d，则mv2k.d m2.71014 m.【答案】2.71014 m分析粒子散射实验中的力电问题常用的规律(1)库仑定律：F
12、k，用来分析粒子和原子核间的相互作用力(2)牛顿第二定律：该实验中粒子只受库仑力，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(4)原子核带正电，其周围的电场相当于正点电荷的电场，注意应用其电场线和等势面的特点学业分层测评(五)(建议用时：45分钟)学业达标1(多选)关于物质结构的研究有下列叙述，其中正确的是()A电子的发现使人们认识到原子有复杂的结构B根据粒子散射实验提出了原子的核式结构模型C原子内部的正电荷全部集中在原子中心极小的原子核内D电子均匀分布在原子内部【解析】电子的发现使人们认识了原子有复杂的结构，选项A正确；根据粒子散
13、射实验提出了原子的核式结构模型，选项B正确；原子内部的正电荷全部集中在极小的原子核内，选项C正确，电子在原子核外空间高速运转，并不是均匀分布，D错误【答案】ABC2(多选)关于粒子散射实验装置，下列说法正确的是()A实验装置应放在真空中B金箔的厚度对实验无影响C如果把金箔改为铝箔，更不容易观察到大角度散射现象D实验时，金箔、荧光屏和显微镜均能在圆周上运动【解析】根据粒子散射实验装置的要求，不在真空中实验可能会受到空气中尘埃等微粒的影响，A对当金箔偏厚时，粒子可能无法穿过，B错金箔改为铝箔，由于铝原子核质量较小，而不容易观察到大角度散射，C正确实验中金箔不动，显微镜沿圆周运动，D错【答案】AC3
14、从粒子散射实验结果出发推出的结论有：金原子内部大部分都是空的；金原子是一个球体；汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况；原子核的半径很小，其中正确的是()ABC D【解析】从粒子散射实验结果出发，可推出带电的原子核体积很小，集中了原子几乎所有的质量，带负电的电子质量很小，绕核运动；故选B.【答案】B4在卢瑟福粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看做静止不动；下列各图画出的是其中两个粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是()A BCD【解析】金箔中的原子核与粒子都带正电，粒子接近原子核过程中受到斥力而不是引力作用，A、D错误；由原子核对粒子的斥力作用，及物体做曲线运动的条件，知曲线轨迹的凹侧应
15、指向受力一方，选项B错、C对【答案】C5在卢瑟福粒子散射实验中，有少数粒子发生大角度偏转，其原因是() 【导学号：64772094】A原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上B正电荷在原子中是均匀分布的C原子中存在着带负电的电子D原子中的质量均匀分布在整个原子范围内【解析】原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上，才使在粒子散射实验中，只有少数离核很近的粒子，受到较大的库仑斥力，发生大角度的偏转，所以选项A正确【答案】A6如图224所示，实线表示金原子核电场的等势线，虚线表示粒子在金核电场中散射时的运动轨迹设粒子通过a、b、c三点时速度分别为va、vb、vc，电势能分别为Ea、Eb
16、、Ec，则va、vb、vc由小到大的顺序为_，Ea、Eb、Ec由小到大的顺序为_ 图224【解析】金原子核和粒子都带正电，粒子在接近金核过程中需不断克服库仑力做功，它的动能减小，速度减小，电势能增加；粒子在远离金核过程中库仑力不断对它做功，它的动能增大，速度增大，电势能减小因此这三个位置的速度大小关系和电势能大小关系为vbvavc，EcEaEb.【答案】vbvavcEcEaEb7已知电子质量为9.11031 kg，带电荷量为1.61019 C，若氢原子核外电子绕核旋转时的轨道半径为0.531010 m，求电子绕核运动的线速度【解析】库仑力提供电子做圆周运动的向心力，由，得ve1.61019 m
17、/s2.19106 m/s.【答案】2.19106 m/s能力提升8(多选)粒子散射实验中，当粒子最接近原子核时，粒子符合下列哪种情况()A动能最小B电势能最小C粒子与金原子组成的系统的能量最小D所受原子核的斥力最大【解析】粒子在接近金原子核的过程中，要克服库仑力做功，动能减少，电势能增加两者相距最近时，动能最小，电势能最大，总能量守恒根据库仑定律，距离最近时，斥力最大故A、D均正确【答案】AD9卢瑟福的原子核式结构模型认为，核外电子绕核运动设想氢原子的核外电子绕核做匀速圆周运动，氢原子中电子离核最近的轨道半径为r1，已知电子电荷量为e，静电力恒量为k，用经典物理学的知识，(1)计算电子在半径
18、为r1的轨道运动时的动能(2)设轨道2的半径r24r1，计算电子在轨道2运动时的动能(3)比较电子在轨道1与轨道2的动能，Ek1_Ek2(选填“”“”或“”)，电势能Ep1_Ep2(选填“”“”或“”)【解析】(1)根据库仑力充当向心力有km，故Ekmv2k.(2)由(1)知当r24r1时有Ekkk.(3)由(2)知由轨道1运动至轨道2，电子动能减小，故Ek1Ek2，由轨道1至轨道2过程中，电子克服库仑力引力做功，电势能增大，故Ep1Ep2.【答案】(1)k(2)k(3)10如图225所示，M、N为原子核外的两个等势面，已知UNM100 V一个粒子以2.5105 m/s从等势面M上的A点运动到等势面N上的B点，求粒子在B点时速度的大小(已知m6.641027 kg) 【导学号：64772028】图225【解析】粒子在由A到B的过程中，根据动能定理2eUNMmv2mv由此得v m/s2.3105 m/s.【答案】2.3105 m/s11粒子的质量大约是电子质量的7 300倍，如果粒子以速度v跟电子发生弹性正碰(假设电子原来是静止的)，则碰撞后粒子的速度变化了多少？【解析】设电子质量为m，碰后粒子速度为v1，电子速度为v2，由弹性碰撞中能量和动量守恒得7 300mv27 300mvmv7 300mv7 300mv1mv2联立式，解得v1vv因此碰撞后粒子速度减少了vv1v.【答案】v