2020高中物理第十八章原子结构第2节原子的核式结构模型课时训练含解析 人教版选修3-5

2020高中物理第十八章原子结构第2节原子的核式结构模型课时训练含解析 人教版选修3-5

第2节　原子的核式结构模型 ‎1．知道汤姆孙的原子结构模型。‎ ‎2．了解α粒子散射实验的原理、现象和结论，领会卢瑟福原子核式结构实验的科学方法，培养抽象思维能力和想象能力。‎ ‎3．知道卢瑟福的原子核式结构内容和意义。‎ ‎4．知道原子和原子核大小的数量级以及原子核的电荷数和核外电子数的关系。‎ ‎5．利用动力学观点与方法分析α粒子运动情形与轨迹，利用能量观点分析库仑力对α粒子做功情况。‎ 一、汤姆孙的原子模型 汤姆孙于1898年提出了一种原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌在球中，该模型被称为“西瓜模型”或“枣糕模型”，能够解释一些实验现象，但后来被α粒子散射实验否定了。‎ 二、α粒子散射实验 ‎1．α粒子是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，带两个单位正电荷，质量为氢原子质量的4倍。‎ ‎2．实验结果 ‎(1)绝大多数α粒子穿过金箔后，基本沿原方向前进。‎ ‎(2)少数α粒子发生大角度偏转，偏转角度甚至大于90°。‎ ‎3．卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了原子的核式结构模型。‎ ‎4．核式结构模型：1911年由卢瑟福提出，在原子中心有一个很小的核，叫原子核，它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动。‎ 三、原子核的电荷与尺度 ‎1．原子内的电荷关系：各种元素的原子核的电荷数与含有的电子数相等，非常接近于它们的原子序数。‎ ‎2．原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就等于原子核中的质子数。‎ ‎3．原子核的大小：实验确定的原子核半径R的数量级为10－15_m 11‎ ‎，而原子的半径的数量级是10－10_m，因而原子内部十分“空旷”。‎ 判一判 ‎(1)汤姆孙的原子模型不能解释α粒子散射实验中少数α粒子发生大角度偏转甚至反向弹回的现象。(　　)‎ ‎(2)原子中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和全部质量都集中在这个核里。(　　)‎ ‎(3)α粒子散射实验是估算原子核半径的最简单的方法。(　　)‎ 提示：(1)√　(2)×　(3)√‎ 想一想 ‎(1)在做α粒子散射实验时，α粒子射入金箔后为什么不考虑α粒子与电子的碰撞对α粒子速度的影响？‎ 提示：电子质量远小于α粒子质量，对α粒子的速度几乎没有影响。‎ ‎(2)在α粒子散射实验中，偏转角大的α粒子与偏转角小的α粒子相比，谁离原子核更近一些？‎ 提示：偏转角越大，说明α粒子受力越大，离原子核越近。‎ 课堂任务　α粒子散射实验 ‎1．实验过程：α粒子从铅盒射出，形成细射线打在金箔上，被散射的α粒子打在荧光屏上产生闪光，用可转动的显微镜从不同角度进行观察。‎ ‎2．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粒子发生较大的偏转；‎ ‎(3)极少数α粒子偏转角度超过90°，有的几乎被“撞了回来”。如图所示。‎ ‎3．α粒子散射实验与汤姆孙的原子模型的冲突分析 ‎(1)由于电子质量远小于α粒子质量，所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转。‎ 11‎ ‎(2)使α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，α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α粒子发生大角度偏转，更不可能使α粒子反向弹回，这与α粒子的散射实验相矛盾。‎ ‎(3)实验现象表明原子绝大部分是空的，除非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，α粒子大角度散射是不可能的。‎ ‎4．实验意义：否定了汤姆孙的原子结构模型，提出了原子核式结构模型，明确了原子核大小的数量级。‎ 例1　如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况。下列说法中正确的是(　　)‎ A．在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多 B．在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光 C．卢瑟福选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似 D．α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹 ‎(1)α粒子散射的实验现象是什么？‎ 提示：绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，有的几乎被“撞了回来”。‎ ‎(2)α粒子在穿过原子过程中受什么力？‎ 提示：主要受原子核的库仑斥力。‎ ‎[规范解答]　α粒子散射实验现象：绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子有大角度散射。所以A处观察到的粒子多，B处观察到的粒子少，所以A、B错误。α粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，所以D错误，C正确。‎ ‎[完美答案]　C α粒子散射实验题的解法要点 ‎(1)熟记装置及原理 α粒子散射实验是一个非常重要的实验，因此对实验器材、现象、现象分析、结论都必须弄明白，才能顺利解答有关问题。‎ ‎(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。‎ 11‎ ‎②汤姆孙模型不能解释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，质量很大、带正电的物质的作用。‎ ‎④绝大多数α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。原子的绝大部分质量、带正电的那部分物质集中在原子中体积很小的空间范围。‎ 　α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子的碰撞影响，是因为(　　)‎ A．α粒子与电子根本无相互作用 B．α粒子受电子作用的合力为零，是因为电子是均匀分布的 C．α粒子和电子碰撞损失能量极少，可忽略不计 D．电子很小，α粒子碰撞不到电子 答案　C 解析　α粒子与电子之间存在着相互作用力，这个作用力是库仑引力，但由于电子质量很小，只有α粒子质量的，碰撞时对α粒子的运动影响极小，几乎不改变运动方向，故正确答案为C。‎ 课堂任务　原子的核式结构模型 ‎1．发现原子核式结构模型的过程 实验和发现 说明了什么 电子的发现 说明原子有复杂结构 α粒子散射实验 说明汤姆孙(枣糕式)原子模型不符合实际，卢瑟福重新建立原子的核式结构模型 ‎2．原子的核式结构与原子的枣糕式结构的根本区别 核式结构 枣糕式结构 原子内部是非常空旷的，全部正电荷及几乎全部质量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 ‎3．原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释 ‎(1)当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α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α粒子不发生偏转。‎ ‎(2)只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，偏转角才很大，而这种机会很少。‎ ‎(3)如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图所示。‎ 11‎ ‎4．原子核式结构模型 ‎(1)在原子中心有一个很小的核，叫原子核。‎ ‎(2)原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在这个核里。‎ ‎(3)带负电的电子在核外空间绕核旋转。‎ 例2　对卢瑟福的α粒子散射实验的结果，下列认识正确的是(　　)‎ A．实验证明了质子的存在 B．实验证明了原子核是由质子和中子组成的 C．实验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．实验说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动 ‎(1)卢瑟福通过对α粒子散射实验现象的分析总结出了什么结论？‎ 提示：通过对α粒子散射实验分析建立了原子核式结构模型。‎ ‎(2)原子是由哪几部分组成的？原子带电吗？‎ 提示：原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，是呈电中性的，对外不显电性。‎ ‎[规范解答]　根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型：原子内部有一个很小的核，叫原子核，原子核内集中了原子全部正电荷和几乎全部质量；电子在核外绕原子核运动，C正确。‎ ‎[完美答案]　C 原子结构模型构建需注意的问题 ‎(1)在α粒子散射实验中α粒子的受力特点：α粒子受到原子核的万有引力和原子核的库仑斥力作用，由于库仑斥力远大于万有引力，在计算中只考虑受到的库仑斥力作用。‎ ‎(2)原子核式结构模型中原子的几乎全部质量都集中在原子核里，因为核外电子也有质量。‎ 　(多选)在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时，关于α粒子的有关物理量，下列描述正确的是(　　)‎ A．α粒子的动能最小 B．α粒子的电势能最小 11‎ C．α粒子与金原子组成的系统能量最小 D．α粒子所受金原子核的斥力最大 答案　AD 解析　α粒子和金原子核都带正电，库仑力表现为斥力，当两者距离减小时，库仑力做负功，故α粒子的动能减小，电势能增加，系统的能量守恒，A正确，B、C错误；由库仑定律F＝可知，随着距离的减小，库仑力逐渐增大，故α粒子最接近原子核时，r最小，则F最大，D正确。‎ A组：合格性水平训练 ‎1．(α粒子散射实验)卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用α粒子轰击金箔，实验中发现α粒子(　　)‎ A．全部穿过或发生很小偏转 B．绝大多数穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回 C．绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过 D．全部发生很大偏转 答案　B 解析　卢瑟福的α粒子散射实验结果是绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，故A错误；α粒子被散射时只有少数发生了较大角度偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°，故B正确，C、D错误。‎ ‎2．(α粒子散射实验)(多选)关于α粒子散射实验的说法正确的是(　　)‎ A．少数α粒子发生大角度偏转，是因为它碰到了原子中的电子 B．α粒子在靠近原子核时，库仑斥力对它做负功，它的动能转化为电势能 C．α粒子距离原子核最近时，加速度一定等于零，此时系统总能量最大 D．卢瑟福根据α粒子散射实验现象，否定了汤姆孙的原子模型，提出原子核式结构模型 答案　BD 解析　由于电子质量远小于α粒子质量，因而大多数α粒子沿直线运动，A错误；α粒子距原子核最近时，加速度最大，电势能最大，总能量不变，C错误。‎ ‎3．(α粒子散射实验)关于α粒子的散射实验解释有下列几种说法，其中错误的是(　　)‎ A．从α粒子的散射实验数据，可以估计出原子核的大小 B．极少数α粒子发生大角度的散射的事实，表明原子中有一个质量很大而体积很小的带正电的核存在 C．统计散射到各个方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况 D．绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，表明原子中正电荷是均匀分布的 答案　D 解析　‎ 11‎ 明确α粒子散射实验现象的内容以及造成这种现象的原因，正确利用物体受力和运动的关系判断。从α粒子的散射实验数据，可以估计出原子核的大小，A正确。极少数α粒子发生大角度的散射的事实，表明原子中有一个质量很大而体积很小的带正电的核存在，B正确。统计散射到各个方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况，C正确。绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，表明原子中是比较空旷的，D错误。‎ ‎4．(α粒子散射实验)(多选)在α粒子散射实验中，当α粒子穿过金箔时，下列说法正确的是(　　)‎ A．与金原子核相距较远的α粒子，可能发生大角度偏转 B．与金原子核相距较近的α粒子，可能发生大角度偏转 C．α粒子与金原子核距离最近时，系统的能量最小 D．α粒子与金原子核距离最近时，系统的电势能最大 答案　BD 解析　对α粒子散射现象，卢瑟福的核式结构学说给出了圆满的解释，并推算出了原子核直径的数量级为10－15 m，只相当于原子直径的十万分之一。α粒子穿过金箔时，只有少数α粒子可能离核较近，金原子核对α粒子的库仑力较大，使α粒子发生大角度偏转，故A错误，B正确；α粒子与金原子核之间的作用力是库仑斥力，在α粒子向金原子核靠近时，要克服库仑力做功，α粒子的动能减少，电势能增加；在α粒子远离金原子核时，库仑力对α粒子做正功，α粒子的动能增加，电势能减少。α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错误，D正确。‎ ‎5．(卢瑟福的核式结构模型、原子核的尺度)(多选)关于卢瑟福的原子核式结构学说的内容，下列叙述正确的是(　　)‎ A．原子是一个质量分布均匀的球体 B．原子的质量几乎全部集中在原子核内 C．原子的正电荷和负电荷全部集中在一个很小的核内 D．原子半径的数量级是10－10 m，原子核半径的数量级是10－15 m 答案　BD 解析　根据卢瑟福的原子核式结构学说，可知B、D正确。‎ ‎6．(α粒子散射实验)(多选)在α粒子散射实验中，如果一个α粒子跟金箔中的电子相撞，则(　　)‎ A．α粒子的动能和动量几乎没有损失 B．α粒子将损失部分动能和动量 C．α粒子不会发生显著的偏转 D．α粒子将发生较大角度的偏转 答案　AC 解析　由于α粒子质量约是电子质量的7300倍，所以α粒子与电子相撞后对α粒子的影响微乎其微，所以A、C正确。‎ ‎7. (综合)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图为原子核式结构模型的α粒子散射图景。图中实线表示α粒子的运动轨迹。其中一个α粒子在从a运动到b、再运动到c的过程中(α粒子在b点时距原子核最近)，下列判断正确的是(　　)‎ 11‎ A．α粒子的动能先增大后减小 B．α粒子的电势能先增大后减小 C．α粒子的加速度先变小后变大 D．电场力对α粒子先做正功后做负功 答案　B 解析　α粒子从a经b到达c的过程中电场力先做负功，后做正功，D错误；α粒子的动能先减小后增大，A错误；α粒子的电势能先增大后减小，B正确；α粒子的加速度先变大后变小，C错误。‎ B组：等级性水平训练 ‎8. (α粒子散射实验)(多选)如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图，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，下面关于观察到的现象的说法中正确的是(　　)‎ A．放在A位置时，相同时间内观察到荧光屏上的闪光次数最多 B．放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些 C．放在C、D位置时，屏上观察不到闪光 D．放在D位置时，屏上仍能观察一些闪光，但次数极少 答案　ABD 解析　放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多，说明大多数射线基本不偏折，可以知道金箔原子内部很空旷，所以A正确；放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数比A位置时稍少些，说明较少射线发生偏折，可以知道原子内部带正电的那部分物质体积小、质量大，所以B正确；放在C、D 11‎ 位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少。说明极少数射线较大偏折，可以知道原子内部带正电的那部分物质体积小且质量大，故C错误，D正确。‎ ‎9．(α粒子散射实验)(多选)关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　)‎ A．在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过90°，有的甚至接近180°被弹回 B．使α粒子发生明显偏转的力是来自带负电的核外电子；当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转 C．实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分 D．实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷及全部质量 答案　AC 解析　题中选项A是对该实验现象的正确描述，故A正确；选项B，使α粒子发生偏转的力是原子核对它的静电排斥力，而不是电子对它的吸引力，故B错误；选项C是对实验结论之一的正确分析，故C正确；选项D，原子核集中了全部正电荷和几乎全部的质量，因为核外还有电子，故D错误。‎ ‎10．(α粒子散射实验)如图所示，X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它们入射时的动能相同，其偏转轨道可能是图中的(　　)‎ 答案　D 解析　α粒子离金核越远，其所受斥力越小，轨道弯曲就越小，故D正确。‎ ‎11．(综合)关于原子结构，汤姆孙提出枣糕模型、卢瑟福提出行星模型……如图甲和图乙所示，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实光是一种波 答案　C 解析　质点的模型是一种理想化的物理模型，是为研究物体的运动而建立的；伽利略的摆的等时性是通过观察现象发现的；托马斯·杨通过实验证明光是一种波，是建立在事实的基础上的。‎ 11‎ ‎12．(综合)已知电子质量为9.1×10－31 kg，电荷量为－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、动能和等效电流。‎ 答案　2.19×106 m/s　6.58×1015 Hz　2.17×10－18 J　1.07×10－3 A 解析　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 ‎≈2.19×106 m/s。‎ 而v＝2πfr，即f＝＝Hz≈6.58×1015 Hz，‎ Ek＝mv2＝· ‎＝× J≈2.17×10－18 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：‎ I＝＝＝ A≈1.07×10－3 A。‎ ‎13．(综合)速度为107 m/s的α粒子从很远的地方飞来，与铝原子核发生对心碰撞，若α粒子质量为4m0，铝核质量为27m0，它们距离最近时，铝核获得的动能是原α粒子动能的多少倍？‎ 答案　 解析　在α粒子和铝原子核发生对心碰撞时，当二者速度相同时，相距最近，在α粒子靠近过程中，由动量守恒定律得mαv0＝(mα＋m铝)v共，所以v共＝＝v0，＝＝。‎ ‎14．(综合)如果α粒子以速度v与电子发生弹性正碰(假定电子原来是静止的)，求碰撞后α粒子的速度变化了多少？并由此说明：为什么原子中的电子不能使α粒子发生明显的偏转？ 答案　见解析 解析　设α粒子质量为M，与电子碰后速度为v1，电子质量为m，与α粒子碰后速度为v2，‎ 11‎ 由动量守恒定律得Mv＝Mv1＋mv2①‎ 由能量守恒定律得Mv2＝Mv＋mv②‎ 由①②得碰后α粒子速度v1＝v③‎ α粒子速度变化量Δv1＝v1－v＝－④‎ 把M＝7300m代入④得Δv1＝v≈－0.0003v。‎ 可见α粒子的速度变化只有万分之三，说明原子中的电子不能使α粒子发生明显的偏转。‎ 11‎