2022學年高中物理 第3章 原子核 原子結(jié)構(gòu)學案 教科版選修3-5

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1、2022學年高中物理 第3章 原子核 原子結(jié)構(gòu)學案 教科版選修3-5 【學習目標】 1．知道電子是怎樣發(fā)現(xiàn)的； 2．知道電子的發(fā)現(xiàn)對人類探索原子結(jié)構(gòu)的重大意義； 3．了解湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的研究方法． 4．知道粒子散射實驗； 5．明確原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容； 6．理解原子核式結(jié)構(gòu)提出的主要思想． 【要點梳理】要點詮釋： 要點一、原子結(jié)構(gòu) 1．陰極射線 （1）氣體的導電特點： 通常情況下，氣體是不導電的，但在強電場中，氣體能夠被電離而導電． 平時我們在空氣中看到的放電火花，就是氣體電離導電的結(jié)果．在研究氣體放電時一般都用玻璃管中的稀薄

2、氣體，導電時可以看到輝光放電現(xiàn)象． （2）1858年德國物理學家普里克發(fā)現(xiàn)了陰極射線． ①產(chǎn)生：在研究氣體導電的玻璃管內(nèi)有陰、陽兩極．當兩極間加一定電壓時，陰極便發(fā)出一種射線，這種射線為陰極射線． ②陰極射線的特點：碰到熒光物質(zhì)能使其發(fā)光． 2．湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子 （1）從1890年起英國物理學家湯姆孫開始了對陰極射線的一系列實驗研究． （2）湯姆孫利用電場和磁場能使帶電的運動粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理檢測了陰極射線的帶電性質(zhì)，并定量地測定了陰極射線粒子的比荷（帶電粒子的電荷量與其質(zhì)量之比，即）． （3）1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子（陰極射線是高速電子流

3、）． 電子的電量 ， 電子的質(zhì)量 ， 電子的比荷 ． 電子的質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的． 3．湯姆孫對陰極射線的研究 （1）陰極射線電性的發(fā)現(xiàn)． 為了研究陰極射線的帶電性質(zhì)，他設計了如圖所示裝置．從陰極發(fā)出的陰極射線，經(jīng)過與陽極相連的小孔，射到管壁上，產(chǎn)生熒光斑點；用磁鐵使射線偏轉(zhuǎn)，進入集電圓筒；用靜電計檢測的結(jié)果表明，收集到的是負電荷． （2）測定陰極射線粒子的比荷． 4．密立根實驗 美國物理學家密立根在1910年通過著名的“油滴實驗”簡練精確地測定了電子的電量 密立根實驗更重要的發(fā)現(xiàn)是：電荷是量子化的

4、，即任何電荷只能是元電荷的整數(shù)倍． 5．電子發(fā)現(xiàn)的意義 以前人們認為物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子是不可再分的最小微粒．現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)了各種物質(zhì)里都有電子，而且電子的質(zhì)量比最輕的氫原子質(zhì)量小得多，這說明電子是原子的組成部分．電子是帶負電，而原子是電中性的，可見原子內(nèi)還有帶正電的物質(zhì)，這些帶正電的物質(zhì)和帶負電的電子如何構(gòu)成原子呢？電子的發(fā)現(xiàn)大大激發(fā)了人們研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱情，拉開了人們研究原子結(jié)構(gòu)的序幕． 6．19世紀末物理學的三大發(fā)現(xiàn) 對陰極射線的研究，引發(fā)了19世紀末物理學的三大發(fā)現(xiàn)：（1）1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了射線；（2）1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射性；（3

5、）1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子． 要點二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型 1．湯姆孫的原子模型 “棗糕模型”． “葡萄干布丁模型”（如圖所示）． “葡萄干面包模型”． 湯姆孫的原子模型是在發(fā)現(xiàn)電子的基礎上建立起來的，湯姆孫認為，原子是一個球體，正電荷均勻分布在球內(nèi)，電子像棗糕里的棗子一樣，鑲嵌在原子里面，所以湯姆孫的原子模型也叫棗糕式原子結(jié)構(gòu)模型． 【注意】湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型雖然能解釋一些實驗事實，但這一模型很快就被新的實驗事實——僅粒子散射實驗所否定． 2．粒子散射實驗 1909～1911年盧瑟福和他的助手做粒子轟擊金箔

6、的實驗，獲得了重要的發(fā)現(xiàn)． （1）實驗裝置（如圖所示）由放射源、金箔、熒光屏等組成． 特別提示：①整個實驗過程在真空中進行． ②金箔很薄，粒子（核）很容易穿過． （2）實驗現(xiàn)象與結(jié)果． 絕大多數(shù)粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進，但是有少數(shù)粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)角超過，有的幾乎達到，沿原路返回．僅粒子散射實驗令盧瑟福萬分驚奇．按照湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型：帶正電的物質(zhì)均勻分布，帶負電的電子質(zhì)量比粒子的質(zhì)量小得多．粒子碰到電子就像子彈碰到一粒塵埃一樣，其運動方向不會發(fā)生什么改變．但實驗結(jié)果出現(xiàn)了像一枚炮彈碰到

7、一層薄薄的衛(wèi)生紙被反彈回來這一不可思議的現(xiàn)象．盧瑟福通過分析，否定了湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型，提出了核式結(jié)構(gòu)模型． 3．原子的核式結(jié)構(gòu) 盧瑟福依據(jù)粒子散射實驗的結(jié)果，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)：在原子中心有一個很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)． 4．原子核的電荷與尺度 由不同原子對粒子散射的實驗數(shù)據(jù)可以確定各種元素原子核的電荷．又由于原子是電中性的，可以推算出原子內(nèi)含有的電子數(shù)．結(jié)果發(fā)現(xiàn)各種元素的原子核的電荷數(shù)，即原子內(nèi)的電子數(shù)非常接近于它們的原子序數(shù)，這說明元素周期表中的各種元素是按原子中的電子數(shù)來排列的． 原子核

8、的半徑無法直接測量，一般通過其他粒子與核的相互作用來確定，粒子散射是估算核半徑最簡單的方法．對于一般的原子核半徑數(shù)量級為，整個原子半徑的數(shù)量級是，兩者相差十萬倍之多，可見原子內(nèi)部是十分“空曠”的． 5．解題依據(jù)和方法 （1）解答與本節(jié)知識有關的試題，必須以兩個實驗現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)的實際為基礎，應明確以下幾點： ①湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，說明原子是可分的，電子是原子的組成部分． ②盧瑟?！傲Ｗ由⑸鋵嶒灐爆F(xiàn)象說明：原子中絕大部分是空的，原子的絕大部分質(zhì)量和全部正電荷都集中在一個很小的核上． （2）根據(jù)原子的核式結(jié)構(gòu)，結(jié)合前面所掌握的動能、電勢能、庫侖定律及能量

9、守恒定律等知識，是綜合分析解決d粒子靠近原子核過程中，有關功、能的變化，加速度，速度的變化所必備的知識基礎和應掌握的方法． 6．對粒子散射實驗的理解 如果按照湯姆孫的“棗糕”原子模型，粒子如果從原子之間或原子的中心軸線穿過時，它受到周圍的正負電荷作用的庫侖力是平衡的，粒子不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)；如果粒子偏離原子的中心軸線穿過，兩側(cè)電荷作用的庫侖力相當大一部分被抵消，粒子偏轉(zhuǎn)很??；如果粒子正對著電子射來，質(zhì)量遠小于粒子的電子不可能使粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，更不可能使它反彈．所以粒子的散射實驗結(jié)果否定了湯姆孫的原子模型． 按盧瑟福的原子模型（核式結(jié)構(gòu)），當粒子穿過原子時，如果離核較遠，受到原子

10、核的斥力很小，僅粒子就像穿過“一片空地”一樣，無遮無擋，運動方向改變極少，由于原子核很小，這種機會就很多，所以絕大多數(shù)粒子不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)；只有當粒子十分接近原子核穿過時，才受到很大的庫侖斥力，偏轉(zhuǎn)角才很大，而這種機會很少；如果粒子幾乎正對著原子核射來，偏轉(zhuǎn)角就幾乎達到，這種機會極少．如圖所示． 盧瑟福根據(jù)粒子散射實驗，不儀建立了原子的核式結(jié)構(gòu)，還估算出了原子核的大?。? （為散射角）． 原子核的商徑數(shù)量級在．原子直徑數(shù)量級大約是，所以原子核半徑只相當于原子半徑的十萬分之一． 原子的核式結(jié)構(gòu)初步建立了原子結(jié)構(gòu)的正確圖景，但跟經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾．

11、（見玻爾的原子模型） 7．原子結(jié)構(gòu)的探索歷史 （1）發(fā)現(xiàn)原子核式結(jié)構(gòu)的過程． 實驗和發(fā)現(xiàn) 說明了什么 電子的發(fā)現(xiàn) 說明原子有復雜結(jié)構(gòu) 粒子散射實驗 說明湯姆孫（棗糕式）原子模型不符合實際，盧瑟福重新建立原子的核式結(jié)構(gòu)模型 （2）原子的核式結(jié)構(gòu)與原子的棗糕式結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別． 核式結(jié)構(gòu) 棗糕式結(jié)構(gòu) 原子內(nèi)部是非常空曠的，正電荷集中在一個很小的核里 原子是充滿了正電荷的球體 電子繞核高速旋轉(zhuǎn) 電子均勻嵌在原子球體內(nèi) 【典型例題】 類型一、原子結(jié)構(gòu) 例1．關于陰極射線的本質(zhì)，下列說法正確的是（ ）． A．陰極射線本質(zhì)是氫原子

12、 B．陰極射線本質(zhì)是電磁波 C．陰極射線本質(zhì)是電子 D．陰極射線本質(zhì)是X射線 【思路點撥】陰極射線基本性質(zhì)． 【答案】C 【解析】陰極射線是原子受激發(fā)射出的電子，關于陰極射線是電磁波、X射線都是在研究陰極射線過程中的一些假設，是錯誤的． 【總結(jié)升華】對陰極射線基本性質(zhì)的了解是解題的依據(jù)． 舉一反三: 【變式】如圖所示，在陰極射線管正上方平行放一通有強電流的長直導線，則陰極射線將（ ）． A．向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn) B．向紙外偏轉(zhuǎn) C．向下偏轉(zhuǎn) D．向上偏轉(zhuǎn) 【答案】D 【解析】本題綜合考查電

13、流產(chǎn)生的磁場、左手定則和陰極射線的產(chǎn)生和性質(zhì)． 由題目條件不難判斷陰極射線所在處磁場垂直紙面向外，電子從負極射出，由左手定則可判定陰極射線（電子）向上偏轉(zhuǎn)． 【總結(jié)升華】注意陰極射線（電子）從電源的負極射出，用左手定則判斷其受力方向時四指的指向和射線的運動方向相反． 例2．湯姆孫用來測定電子的比荷（電子的電荷量與質(zhì)量之比）的實驗裝置如圖所示．真空管內(nèi)的陰極發(fā)出的電子（不計初速、重力和電子間的相互作用）經(jīng)加速電壓加速后，穿過中心的小孔沿中心軸的方向進入到兩塊水平正對放置的平行極板和間的區(qū)域．當極板間不加偏轉(zhuǎn)電壓時，電子束打在熒光屏的中心點處，形成了一個亮點；加上偏轉(zhuǎn)電

14、壓后，亮點偏離到點（點與點的豎直間距為，水平間距可忽略不計）．此時，在和間的區(qū)域，再加上一個方向垂直于紙面向里的勻強磁場．調(diào)節(jié)磁場的強弱，當磁感應強度的大小為時，亮點重新回到點．已知極板水平方向的長度為，極板間距為，極板右端到熒光屏的距離為（如圖所示）． （1）求打在熒光屏點的電子速度的大小． （2）推導出電子的比荷的表達式． 【答案】（1） （2） 【解析】（1）當電子受到的電場力與洛倫茲力平衡時，電子做勻速直線運動，亮點重新回到中心點，設電子的速度為，則 ， 得 ， 即 ． （2）當極板間僅有偏轉(zhuǎn)電場時，電

15、子以速度進入后，豎直方向做勻加速運動，加速度為 ． 電子在水平方向做勻速運動，在電場內(nèi)的運動時間 。 這樣，電子在電場中，豎直向上偏轉(zhuǎn)的距離為 ． 離開電場時豎直向上的分速度為 ． 電子離開電場后做勻速直線運動，經(jīng)時間到達熒光屏 ． 時間內(nèi)向上運動的距離為 ． 這樣，電子向上的總偏轉(zhuǎn)距離為 ， 可解得 ． 【總結(jié)升華】 要分析清楚帶電粒子在電場和磁場中的運動情況． 類型二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型 例3．粒子散射實驗結(jié)果表明（ ）． A．原子中絕大部分是空的 B．原子中全部正電荷都

16、集中在原子核上 C．原子內(nèi)有中子 D．原子的質(zhì)量幾乎全部都集中在原子核上 【思路點撥】理解粒子散射實驗中，絕大多數(shù)僅粒子穿過金箔時其運動方向基本不變，只有少數(shù)粒子發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)。 【答案】A、B、D 【解析】在理解粒子散射實驗中，絕大多數(shù)僅粒子穿過金箔時其運動方向基本不變，只有少數(shù)粒子發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)，這說明原子的全部正電荷和幾乎所有的質(zhì)量都集中在一個很小的核上，這個核就叫原子核．原子核很小，只有少數(shù)粒子在穿過金箔時接近原子核，受到較大庫侖力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)；而絕大多數(shù)粒子在穿過金箔時，離原子核很遠，所受庫侖斥力很小，故它們的運動方向基本不變．所以本題

17、正確選項為A、B、D． 【總結(jié)升華】原子核的直徑約為原子直徑的十萬分之一，在原子中，原子核很小，原子的絕大部分空間是空的，帶負電的電子就在核外空間中繞核旋轉(zhuǎn)． 舉一反三: 【變式】在粒子的散射實驗中，并沒有考慮粒子跟電子碰撞所產(chǎn)生的效果，這是由于（ ）． A．僅粒子跟電子相碰時，損失的動量很小，可忽略 B．電子體積實在太小，粒子完全碰不到它 C．粒子跟各電子碰撞的效果互相抵消 D．由于電子是均勻分布的，理粒子受電子作用力的合力為零 【答案】A 【解析】少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的原因僅是因為它和帶正電的原子核之間強大的

18、庫侖斥力作用，而電子與粒子碰撞，微不足道． 【總結(jié)升華】頭腦中要有粒子碰到電子就像子彈碰到灰塵一樣的模型． 例4．在粒子散射實驗中，當粒子最接近金原子核時，符合下列哪種情況？（ ）． A．動能最小 B．電勢能最小 C．粒子和金原子核組成的系統(tǒng)的能量最小 D．加速度最小 【答案】A 【解析】在粒子散射實驗中，當粒子接近金原子核時，金原子核對粒子的作用力是斥力，對粒子做負功，電勢能增加，動能減?。捎诹Ｗ与x金原子核最近，所以它們之間的庫侖力很大，加速度很大，另外受到金原子核外電子的作用相對較小，與金原子核對

19、粒子的庫侖力相比，可以忽略，因此只有庫侖力做功，所以機械能和電勢能整體上是守恒的，故系統(tǒng)的能量可以認為不變．綜上所述，正確選項應為A． 【總結(jié)升華】本題注意抓住主要奈件（主要考慮粒子與金原子核的相互作用），忽略次要條件（粒子與金原子核外電子的作用）． 舉一反三: 【變式】盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型認為，核外電子繞核運動．設想氫原子的核外電子繞核做勻速圓周運動，氫原子中電子離核最近的軌道半徑，用經(jīng)典物理學的知識，試計算在此軌道上電子繞核運動的加速度． 【答案】 【解析】因為電子在原子核外繞核高速運動，此即帶負電的電子繞帶正電的原子核做圓周運動，所需的向心力恰好由電子和原子核間

20、的庫侖力來提供． 設電子繞核運動的加速度為， 已知：電子質(zhì)量 ， 電子電荷量 ， 因為 ， 所以 ， 所以 ． 【總結(jié)升華】模型的建立是解題問題的關鍵． 例5．1911年前后，物理學家盧瑟福用粒子轟擊金箔，獲得驚人的發(fā)現(xiàn)．試由此實驗根據(jù)下列所給公式或數(shù)據(jù)估算金原子核的大?。? 已知點電荷的電勢，． 金原子序數(shù)為， 粒子的質(zhì)量， 質(zhì)子質(zhì)量， 粒子的速度， 電子電荷量． 【思路點撥】粒子接近金原子核，克服庫侖斥力做功，動能減小，電勢能增加．當粒子的動能完全轉(zhuǎn)化為電勢能時，離金

21、原子核最近，距離為，可被認為是金原子核半徑． 【答案】 【解析】粒子接近金原子核，克服庫侖斥力做功，動能減小，電勢能增加．當粒子的動能完全轉(zhuǎn)化為電勢能時，離金原子核最近，距離為，可被認為是金原子核半徑．由動能定理有 ， 又因 ， 為金原子核電荷量，則 ， 代入數(shù)據(jù)，其中 ，， 可得 ． 【總結(jié)升華】粒子與原子核的作用主要是庫侖力，故由動能定理當速度為零時，即為粒子距核最近處． 舉一反三: 【變式】盧瑟福在粒子散射實驗中，測出當粒子（）與金核（）發(fā)生對心碰撞時，粒子接近金核的最小距離約為，試估算金核的密度．（結(jié)果保留一位有效數(shù)字） 【解析】本

22、題要建立一個模型，粒子接近金核的最小距離認為是金核的半徑．金核中有個核子，每個核子的質(zhì)量約為，把金核看做一個球體，其半徑約為，則金核的體積為： ， 金核的質(zhì)量為： ， 金核的密度為： ． 例6．如果粒子以速度與電子發(fā)生彈性正碰（假定電子原來是靜止的），求碰撞后粒子的速度變化了多少？并由此說明：為什么原子中的電子不能使僅粒子發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)？ 【解析】設粒子初速度為，質(zhì)量為，與電子碰后速度為，電子質(zhì)量為，與粒子碰后速度為， 由動量守恒定律得 ． ① 由能量關系得 ． ② 由①②得碰后粒子速度 ． ③ 粒子速度變化量 ． ④ 把代入④得 ． 可見粒子的速度變化只有萬分之三，說明原子中的電子不能使粒子發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)．