高中物理 第十八章 原子结构 2 原子的核式结构模型学案 新人教版选修3-5

2原子的核式结构模型1汤姆孙的枣糕模型(1)问题的提出：汤姆孙发现电子后，电中性的原子中正、负电荷如何分布。(2)汤姆孙的原子模型：原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子镶嵌其中。(3)成功之处：能较好地解释原子的发光现象电子在小范围内振动，产生电磁波。(4)遇到的困难：电子很容易穿过原子；不能解释粒子的散射现象。【例1】 关于原子结构，汤姆孙提出枣糕模型、卢瑟福提出核式模型，都采用了类比推理的方法。下列事实中，主要采用类比推理的是()A人们为便于研究物体的运动而建立的质点模型B伽利略从教堂吊灯的摆动中发现摆的等时性规律C库仑根据牛顿的万有引力定律提出库仑定律D托马斯杨通过双缝干涉实验证明光是一种波解析：质点理想模型研究物体的运动；单摆等时性自然现象的测定；库仑定律库仑类比万有引力定律；光的波动性通过光的干涉、衍射实验证明。答案：C2粒子散射实验(1)实验原理原子的结构非常紧密，用一般的方法是无法探测它的内部结构的，要认识原子的结构，需要用高速粒子对它进行轰击。而粒子具有足够的能量，可以接近原子中心。它还可以使荧光屏物质发光。如果粒子与其他粒子发生相互作用，改变了运动方向，荧光屏就能够显示出它的方向变化。研究高速的粒子穿过原子的散射情况，是研究原子结构的有效手段。(2)实验装置如图所示荧光屏可以沿着图中虚线转动，用来统计向不同方向散射的粒子数目。(3)实验结果：绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数粒子偏转角度超过了90，有的几乎达到了180，沿原路返回。【例2】 如图所示为卢瑟福和他的同事做粒子散射实验的装置图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置，下列对观察到的现象的描述，正确的是()A在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比在A位置时稍少些C在C、D位置时，屏上观察不到闪光D在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少解析：因为绝大多数粒子穿过金箔后仍然沿原来方向前进，在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多，A选项正确；因为少数粒子穿过金箔后发生了较大偏转，在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数比在A位置时要少得多，B选项错误；粒子散射实验中有极少数粒子转角超过90，甚至接近180，所以C选项错误，D选项正确。答案：AD说明：分析粒子散射实验中的现象时，应注意是“绝大多数”“少数”还是“极少数”粒子的行为。“大角度偏转”只是少数粒子的行为。3原子的核式结构模型(1)汤姆孙原子模型与粒子散射实验结果的矛盾。按照“枣糕”模型，碰撞前后，质量大的粒子速度几乎不变。只可能使电子的速度发生大的改变，因此不可能出现散射的现象，即使是非对心碰撞，也不会有大角度散射。对于粒子在原子附近时由于原子呈中性，与粒子之间没有或很小的库仑力的作用，正电荷在原子内部均匀地分布，粒子穿过原子时，由于原子两侧正电荷将对它的斥力有相当大一部分互相抵消，使粒子偏转的力不会很大，所以粒子的大角度散射说明原子“枣糕”模型不符合原子结构的实际情况。(2)实验结果的分析、推理实验中发现极少数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，可见原子中的正电荷、质量应都集中在一个中心上。绝大多数粒子不偏移原子内部绝大部分是“空”的。少数粒子发生较大偏转原子内部有“核”存在。极少数粒子被弹回表明：作用力很大；质量很大；电荷量集中。(3)原子的核式结构在原子中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在这个核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。【例3】 英国物理学家卢瑟福用粒子轰击金箔，为了解释实验结果，他提出了原子的核式结构学说。如下图所示，O表示金原子核的位置，曲线ab和cd分别表示经过金原子核附近的粒子的运动轨迹，其中能正确反映实验结果的是()解析：答案：BD4原子核的电荷与尺度(1)原子核的电荷量：原子核的电荷数等于核外电子数，等于原子序数。(2)原子核的大小原子半径在1010 m左右；原子核半径在10151014 m左右。核半径相当原子半径的万分之一，体积相当于原子体积的万亿分之一。(3)对比展示：半径大小(数量级)类比原子1010 m立体的足球场原子核10151014m一粒米【例4】 下列对原子结构的认识中，正确的是()A原子中绝大部分是空的，原子核很小B电子在核外旋转，库仑力提供向心力C原子的全部正电荷都集中在原子核里D原子核的直径大约是1010 m解析：原子由位于原子中的带正电的原子核和核外带负电的电子构成，电子在核外绕核高速旋转，库仑力提供向心力，由此可判定B、C正确。根据粒子散射实验知，原子核半径数量级为1015 m，而原子半径的数量级为1010 m，故A正确，D错误。答案：ABC5对粒子散射实验的理解按照卢瑟福的核式结构学说，可以很容易地解释粒子散射的实验现象，如图所示。按照这个模型，由于原子核很小，大部分粒子穿过金箔时都离核很远，受到的斥力很小，所以它们的运动几乎不受影响；只有少数粒子从原子核附近飞过，明显地受到原子核的库仑斥力而发生大角度的偏转。【例5】 在粒子散射实验中，当粒子穿过金箔时，下列理解正确的是()A与金原子核相距较远的粒子，可能发生大角度偏转B与金原子核相距较近的粒子，可能发生大角度偏转C粒子与金原子核距离最近时，系统的能量最小D粒子与金原子核距离最近时，系统的电势能最大解析：对粒子散射实验，卢瑟福的核式结构学说作出了圆满的解释，并推算出了原子核的线度在1014 m以下，只相当于原子半径的万分之一。粒子穿过金箔时，只有少数粒子可能离核较近，金原子核对粒子的库仑力较大，使粒子发生大角度偏转。故A错，B对。粒子与金原子核之间是库仑斥力，在粒子向金原子核靠近时，要克服库仑力做功，粒子的动能减少，电势能增加；在粒子远离金原子核时，库仑力对粒子做正功，粒子的动能增加，电势能减少。粒子与金原子核组成的系统总能量不变。它们距离最近时，系统的电势能最大。故C错，D对。答案：BD6粒子散射实验中的能量转化问题的求解方法(1)粒子的受力特点粒子与原子核间的作用力是库仑斥力，大小：F。式中Q为原子核的电荷量。q为粒子所带电量，r为粒子与原子核间的距离。粒子离原子核越近，库仑力越大；运动加速度越大，反之，则越小。方向：粒子的受力沿原子核与粒子的连线，由原子核指向粒子。(2)库仑力对粒子的做功情况当粒子靠近原子核时，库仑斥力做负功，电势能增加。当粒子远离原子核时，库仑斥力做正功，电势能减小。(3)粒子的能量转化仅有库仑斥力做功，只是电势能和动能之间相互转化，而总能量保持不变。【例6】 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、动能、周期和形成的等效电流。解析：由卢瑟福的原子模型可知：电子绕核做圆周运动，所需的向心力由核内电子的库仑引力来提供。根据k，得ve1.61019 m/s2.19106 m/s；其动能Ekmv29.11031(2.19106)2 J2.181018 J；运动周期T s1.521016 s；电子绕核运动形成的等效电流I A1.05103 A。答案：2.19106 m/s2.181018 J1.521016 s1.05103 A说明：(1)粒子与原子核之间的万有引力远小于两者之间的库仑斥力，因而可以忽略不计。(2)在处理粒子等微观粒子时一般不计重力。4