高中物理 第十八章 原子结构 2 原子的核式结构模型教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用）

高中物理 第十八章 原子结构 2 原子的核式结构模型教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用）

‎2 原子的核式结构模型 ‎ 疱丁巧解牛 知识·巧学 一、汤姆孙原子模型 当时，无法直接通过实验探测原子内部的奥秘，汤姆孙运用经典力学的理论，根据电荷之间的作用力与距离的平方成反比进行了大量计算，以求证电子稳定分布应处的状态，他认为，既然电子那么小，又那么轻，原子带正电的部分应充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置(图‎18-2-1‎).电子图带的负电被原子内带的正电抵消，因此原子呈电中性.如果原子失去电子或得到电子，就会变成离子，电子一方面要受正电荷的吸引，另一方面又要互相排斥，因此必然有一个处于平衡的状态，电子在它们的平衡位置附近做简谐运动，可以发射或吸收特定频率的电磁波.‎ 汤姆孙原子结构模型图 ‎18-2-1‎ 模型可以帮助我们理解一些无法直接观察的事物.一个好的原子模型应该能够解释所有的关于原子和物体的信息.当获得越来越多的信息时，模型也会慢慢改变.‎ 联想发散 汤姆孙的原子结构模型虽然能解释一些实验事实，但这一模型很快就被新的实验事实所否定.不过它的意义却极其深远，电子的发现使我们认识到原子是有结构的，并用汤姆孙的原子模型可以粗略解释原子发光问题，为我们揭开了原子结构的研究的帷幕.‎ 二、α粒子的散射实验 ‎1909—1911年卢瑟福和他的助手做了用α粒子轰击金箔的实验，获得了重要的发现.‎ ‎1.实验装置 整个实验在真空中进行，高速的α粒子流垂直射到很薄的金箔上，由于受到金原子中带电微粒的库仑力的作用，一些α粒子通过金箔后必然会改变原来的运动方向，产生偏转.当α粒子穿过金箔后，打在荧光屏上闪光，然后通过显微镜观察，如图‎18-2-2‎所示.‎ 图‎18-2-2‎ 联想发散 整个实验过程在真空中进行.α粒子后来被证明是氦原子核，带正电，由两个中子和两个质子组成，其质量约为电子的7 300倍.金箔很薄，α粒子很容易穿过.‎ ‎2.实验现象与结果 α粒子通过金箔时，绝大多数不发生偏转，仍沿原来的方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°，有的甚至被弹回，偏转几乎达到180°.α粒子散射实验令卢瑟福万分惊奇，按照汤姆孙的原子结构模型：带正电的物质均匀分布，带负电的电子质量比α粒子的质量小得多，α粒子碰到电子就像子弹碰到一粒尘埃一样，其运动方向不会发生什么改变.但实验结果出现了像一枚炮弹碰到一层薄薄的纸被反弹回来这一不可思议的现象，卢瑟福通过分析，否定了汤姆孙的原子结构模型，提出了核式结构模型.‎ 学法一得 原子的结构就像一个“黑箱”里面的信息是无法直接获取的.研究黑箱问题的一般方法是有目的地向黑箱输入一些信息，观测黑箱反馈回来的输出信息，进而推断出黑箱内的结构和运行机制.‎ 三、原子的核式结构的提出 ‎1.推理过程 卢瑟福依据α粒子散射实验的结果，提出了原子的核式结构：在原子中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转.‎ 按照卢瑟福的核式结构学说，可以很容易地解释α粒子的散射实验现象，如图‎18-2-3‎所示.‎ 图18-2-3‎ 按照这个模型，由于原子核很小，大部分α粒子穿过金箔时都离核很远，受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响；只有极少数α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.‎ ‎2.核式结构模型 在原子的中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子全部质量，而电子则在核外空间绕核旋转.原子内部是十分“空旷”的.原子直径的数量级为10‎-10m，原子核直径的数量级为10‎-15m，两者相差十万倍，而体积的差别就更大了，若原子相当于一个立体的足球场的话，则原子核就像足球场中的一粒米.‎ 深化升华 原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数，所以整个原子是中性的.电子绕着原子核旋转所需向心力就是核对它的库仑引力.‎ ‎3.大多数α粒子都是“侵入”金原子核和电子之间的空间里，它们受到的库仑力很小，运动方向的改变也就很小.只有极少数的α粒子会非常接近金原子核，这时它们之间强烈的斥力就迫使α粒子发生较大的偏转，甚至被弹回.‎ 误区提示 不要认为α粒子与金原子核直接发生碰撞，偏转的原因是库仑斥力影响的结果.‎ ‎4.从α粒子散射实验的数据估算出原子核大小的数量级为10-15—10‎-14m，原子大小的数量级为10‎-10m.‎ 学法一得 学习时注意把实验结果与核式结构模型的内容之间建立联系，避免机械记忆.‎ 四、原子核的电荷与尺度 原子核的电荷数等于核外电子数，接近于原子序数，原子核大小的数量级为10‎-15m，原子大小数量级为10‎-10m，两者相差十万倍之多，可见原子内部十分“空旷”.‎ 典题·热题 知识点一 卢瑟福α粒子散射实验 例1 卢瑟福α粒子散射实验的结果( )‎ A.证明了质子的存在 B.证明了原子核是由质子和中子组成的 C.证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里 D.说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动 解析：该题要考查的是α粒子散射实验对人类认识原子结构的贡献.只要考生了解α粒子散射实验的结果及核式结构的建立过程，不难得出正确答案.‎ α粒子散射实验发现了原子内存在一个集中了全部正电荷和几乎全部质量的核，数年后卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子.‎ 答案：C 方法归纳 α粒子散射实验是物理学发展史上的一个重要的实验，它的实验结果使人们关于物质结构的观念发生了根本性变化，从而否定了汤姆孙原子结构的葡萄干面包模型，导致了卢瑟福核式结构模型的确立，教材中关于α粒子散射实验装置和实验方法的描述十分详尽，对实验结果的说明层次非常清楚：绝大多数α粒子穿过，基本上不发生偏转；少数发生偏转；极少数发生大角度偏转.关于这种重要的实验要记住.‎ 例2 α粒子散射实验中，使α粒子散射的原因是( )‎ A.α粒子与原子核外电子碰撞 B.α粒子与原子核发生接触碰撞 C.α粒子发生明显衍射 D.α粒子与原子核的库仑斥力作用 解析：本题考查α粒子散射实验，α粒子与原子核外电子的作用是很微弱的，A项错误.由于原子核的质量和电荷量很大，α粒子与原子核很近时，库仑斥力很强，足可以使α粒子发生大角度偏转甚至反向弹回，使α粒子散射的原因是库仑斥力，B项错误，D项正确.‎ 答案：D 方法归纳 卢瑟福提出的原子核式结构正是建立在α粒子散射实验的基础上的.绝大多数α粒子不发生偏转，这说明原子的内部非常空旷.少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°，有的甚至被弹回，偏转几乎达到180°，这是α粒子与原子核带正电的库仑斥力的作用，这说明原子中正电荷都集中在一个很小的区域内，α粒子穿过单个原子时，才有可能发生大角度的散射.‎ 知识点二 α粒子散射实验与电场、电势能等知识的综合 例3 如图‎18-2-4‎所示，在α粒子散射实验中，α粒子穿过某一金属原子核附近的示意图，A、B、C分别位于两个等势面上，则以下说法中正确的是( )‎ 图‎18-2-4‎ A.α粒子在A处的速度比B处的速度小 B.α粒子在B处的动能最大，电势能最小 C.α粒子在A、C两处的速度大小相等 D.α粒子在B处的速度比在C处的速度要小 解析：α粒子由A经B运动到C，则由于受到库仑斥力的作用，α粒子先减速后加速，所以A项错误，D项正确.库仑斥力对α粒子先做负功后做正功，使动能先减小后增大，电势能先增大后减小，B项错误.AC处于同一个等势面上，从A到C库仑力不做功，速度大小不变，C项正确.‎ 答案：CD 巧妙变式 ‎ 若α粒子穿过某一带负电的点电荷附近，则运动情况又如何呢？(若α粒子穿过某一带负电的点电荷附近，由于受到库仑引力的作用，则α粒子一直向负点电荷靠近，最后落在上面，发生中和，则在此过程中库仑引力做正功，动能增大，电势能减小.)‎ 例4 已知电子质量为9.1×10‎-31 kg，带电量为-1.6×10‎-19 C，当氢原子核外电子绕核旋转时的轨道半径为 0.53×10‎-10 m时，求电子绕核运动的速度、频率、动能和等效的电流强度.‎ 解析：电子绕原子核做匀速圆周运动，电子与核之间的库仑力充当电子绕核旋转的向心力.由向心力公式可求出速度和周期，继而再求出频率、动能、等效电流强度.‎ 根据库仑力提供电子绕核旋转的向心力.可知：‎ k=m v=e=1.6×10-19×m/s=2.18×‎106 m/s 而v=2πfr0‎ 即f==Hz=6.55×1015 Hz Ek=mv2=·=×J=2.16×10-8 J 设电子运动周期为T，则 T== s=1.5×10-16 s 电子绕核的等效电流强度：‎ I===A=1.7×10‎-3 A.‎ 方法归纳 本题通过构建理想的物理模型，综合考查匀速圆周运动、电场力和电流强度等知识.‎ 知识点三 α粒子与动量守恒定律、能量恒定律综合 例5 1909—1911年英国物理学家卢瑟福与其合作者做了用α粒子轰击金箔的实验.发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进；少数α粒子却发生了较大角度的偏转；极少数α粒子偏转角度超过了90°；有的甚至被弹回，偏转角几乎达到了180°.这就是α粒子散射实验.为了解释这个结果，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构学说：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转.请你利用α粒子散射实验结果估算原子核的大小(保留一位有效数字).(下列公式或数据为已知：点电荷的电势U=kQ/r,k=9.0×109 Nm2/C2，金原子序数79，α粒子质量mα=6.64×10‎-27 kg，α粒子速度v=1.6×‎107 m/s，电子电量e=1.6×10‎-19 C.‎ 解析：由于是估算，我们可以取极少数被弹回的α粒子为研究对象.当α粒子的速度减为0时，α粒子与金原子核间的距离最小约等于金原子核的半径.利用能量转化与守恒定律进行计算.‎ 对于极少数被弹回的α粒子，受到很强的排斥力，可以认为它几乎接近原子核；它先做减速运动，当速度减为0后，反向加速.‎ 当α粒子的速度减为0时，α粒子与金原子核间的距离最小，约等于金原子核的半径；此过程中α粒子的动能转化为电势能.‎ mαv2=,解得：r=‎ 代入数据解得：r=4×10‎-14 m.‎ 巧解提示 将α粒子靠近金原子核类比为B物体连接一弹簧静止在光滑水平面上，并与一墙相靠，A以v0的速度冲向B.A先做减速，当速度减为0时，反向加速.当A的速度减为0时，A、B间距离最小，A的动能转化为弹性势能.‎ 两个带电粒子只在电场力作用下的相对运动，与碰撞中的弹簧模型相似，只有电场力做功系统动能与电势能的总和保持不变.处理这类问题常用动量守恒定律、能的转化与守恒，有时还需结合牛顿运动定律.‎ 图‎18-2-5‎ 问题·探究 思想方法探究问题原子物理学研究的是微观现象，比较抽象.通过原子核结构的探索过程，总结研究微观世界的方法？‎ 探究过程：‎ 微观世界的原子和原子核的结构无法直接通过实验直接观察到，只能依据实验现象，通过科学的思维和研究方法进行间接研究原子核的微观结构.即由实验结果→分析猜测→提出模型→实验验证→建立新理论→构建正确的模型是探索微观结构的基本方法.‎ 探究结论:由实验结果→分析猜测→提出模型→实验验证→建立新理论→构建正确的模型是探索微观结构的基本方法.‎