2018學(xué)年高中物理 第3章 原子核 原子結(jié)構(gòu)學(xué)案 教科版選修3-5.doc

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原子結(jié)構(gòu) 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1．知道電子是怎樣發(fā)現(xiàn)的； 2．知道電子的發(fā)現(xiàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)； 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(diǎn)梳理】要點(diǎn)詮釋： 要點(diǎn)一、原子結(jié)構(gòu) 1．陰極射線 （1）氣體的導(dǎo)電特點(diǎn)： 通常情況下，氣體是不導(dǎo)電的，但在強(qiáng)電場中，氣體能夠被電離而導(dǎo)電． 平時(shí)我們在空氣中看到的放電火花，就是氣體電離導(dǎo)電的結(jié)果．在研究氣體放電時(shí)一般都用玻璃管中的稀薄氣體，導(dǎo)電時(shí)可以看到輝光放電現(xiàn)象． （2）1858年德國物理學(xué)家普里克發(fā)現(xiàn)了陰極射線． ①產(chǎn)生：在研究氣體導(dǎo)電的玻璃管內(nèi)有陰、陽兩極．當(dāng)兩極間加一定電壓時(shí)，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(diǎn)：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(xué)家湯姆孫開始了對(duì)陰極射線的一系列實(shí)驗(yàn)研究． （2）湯姆孫利用電場和磁場能使帶電的運(yùn)動(dòng)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）． 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(duì)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(shè)計(jì)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(diǎn)；用磁鐵使射線偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入集電圓筒；用靜電計(jì)檢測的結(jié)果表明，收集到的是負(fù)電荷． （2）測定陰極射線粒子的比荷． 4．密立根實(shí)驗(yàn) 美國物理學(xué)家密立根在1910年通過著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”簡練精確地測定了電子的電量 密立根實(shí)驗(yàn)更重要的發(fā)現(xiàn)是：電荷是量子化的，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(rèn)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(fù)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(fù)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(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn) 對(duì)陰極射線的研究，引發(fā)了19世紀(jì)末物理學(xué)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）1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子． 要點(diǎn)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(chǔ)上建立起來的，湯姆孫認(rèn)為，原子是一個(gè)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(shí)驗(yàn)事實(shí)，但這一模型很快就被新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)——僅粒子散射實(shí)驗(yàn)所否定． 2．粒子散射實(shí)驗(yàn) 1909～1911年盧瑟福和他的助手做粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)，獲得了重要的發(fā)現(xiàn)． （1）實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)過程在真空中進(jìn)行． ②金箔很薄，粒子（核）很容易穿過． （2）實(shí)驗(yàn)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(jìn)，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(dá)到，沿原路返回．僅粒子散射實(shí)驗(yàn)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(fù)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(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生什么改變．但實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了像一枚炮彈碰到一層薄薄的衛(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(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)：在原子中心有一個(gè)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(fù)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(duì)粒子散射的實(shí)驗(yàn)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(duì)于一般的原子核半徑數(shù)量級(jí)為，整個(gè)原子半徑的數(shù)量級(jí)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(shí)有關(guān)的試題，必須以兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)的實(shí)際為基礎(chǔ)，應(yīng)明確以下幾點(diǎn)： 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?shí)驗(yàn)”現(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(gè)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(dòng)能、電勢能、庫侖定律及能量守恒定律等知識(shí)，是綜合分析解決d粒子靠近原子核過程中，有關(guān)功、能的變化，加速度，速度的變化所必備的知識(shí)基礎(chǔ)和應(yīng)掌握的方法． 6．對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)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(shí)，它受到周圍的正負(fù)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(dāng)大一部分被抵消，粒子偏轉(zhuǎn)很小；如果粒子正對(duì)著電子射來，質(zhì)量遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)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(dāng)粒子穿過原子時(shí)，如果離核較遠(yuǎn)，受到原子核的斥力很小，僅粒子就像穿過“一片空地”一樣，無遮無擋，運(yùn)動(dòng)方向改變極少，由于原子核很小，這種機(jī)會(huì)就很多，所以絕大多數(shù)粒子不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)；只有當(dāng)粒子十分接近原子核穿過時(shí)，才受到很大的庫侖斥力，偏轉(zhuǎn)角才很大，而這種機(jī)會(huì)很少；如果粒子幾乎正對(duì)著原子核射來，偏轉(zhuǎn)角就幾乎達(dá)到，這種機(jī)會(huì)極少．如圖所示． 盧瑟福根據(jù)粒子散射實(shí)驗(yàn)，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(jí)在．原子直徑數(shù)量級(jí)大約是，所以原子核半徑只相當(dāng)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．（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(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn) 說明了什么 電子的發(fā)現(xiàn) 說明原子有復(fù)雜結(jié)構(gòu) 粒子散射實(shí)驗(yàn) 說明湯姆孫（棗糕式）原子模型不符合實(shí)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?？諘绲?，正電荷集中在一個(gè)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(guān)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 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(diǎn)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(guān)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(shè)，是錯(cuò)誤的． 【總結(jié)升華】對(duì)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(qiáng)電流的長直導(dǎo)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(fù)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(fù)極射出，用左手定則判斷其受力方向時(shí)四指的指向和射線的運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．真空管內(nèi)的陰極發(fā)出的電子（不計(jì)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(jìn)入到兩塊水平正對(duì)放置的平行極板和間的區(qū)域．當(dāng)極板間不加偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，電子束打在熒光屏的中心點(diǎn)處，形成了一個(gè)亮點(diǎn)；加上偏轉(zhuǎn)電壓后，亮點(diǎn)偏離到點(diǎn)（點(diǎn)與點(diǎn)的豎直間距為，水平間距可忽略不計(jì)）．此時(shí)，在和間的區(qū)域，再加上一個(gè)方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場．調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)弱，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為時(shí)，亮點(diǎn)重新回到點(diǎn)．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(diǎn)的電子速度的大小． （2）推導(dǎo)出電子的比荷的表達(dá)式． 【答案】（1） （2） 【解析】（1）當(dāng)電子受到的電場力與洛倫茲力平衡時(shí)，電子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，亮點(diǎn)重新回到中心點(diǎn)，設(shè)電子的速度為，則 ， 得 ， 即 ． （2）當(dāng)極板間僅有偏轉(zhuǎn)電場時(shí)，電子以速度進(jìn)入后，豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度為 ． 電子在水平方向做勻速運(yùn)動(dòng)，在電場內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)豎直向上的分速度為 ． 電子離開電場后做勻速直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)時(shí)間到達(dá)熒光屏 ． 時(shí)間內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)情況． 類型二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型 例3．粒子散射實(shí)驗(yàn)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(diǎn)撥】理解粒子散射實(shí)驗(yàn)中，絕大多數(shù)僅粒子穿過金箔時(shí)其運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，絕大多數(shù)僅粒子穿過金箔時(shí)其運(yùn)動(dòng)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(gè)很小的核上，這個(gè)核就叫原子核．原子核很小，只有少數(shù)粒子在穿過金箔時(shí)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(shí)，離原子核很遠(yuǎn)，所受庫侖斥力很小，故它們的運(yùn)動(dòng)方向基本不變．所以本題正確選項(xiàng)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(fù)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(shí)驗(yàn)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(shí)，損失的動(dòng)量很小，可忽略 B．電子體積實(shí)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?yàn)樗蛶д姷脑雍酥g強(qiáng)大的庫侖斥力作用，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(shí)驗(yàn)中，當(dāng)粒子最接近金原子核時(shí)，符合下列哪種情況？（ ）． A．動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，當(dāng)粒子接近金原子核時(shí)，金原子核對(duì)粒子的作用力是斥力，對(duì)粒子做負(fù)功，電勢能增加，動(dòng)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(duì)較小，與金原子核對(duì)粒子的庫侖力相比，可以忽略，因此只有庫侖力做功，所以機(jī)械能和電勢能整體上是守恒的，故系統(tǒng)的能量可以認(rèn)為不變．綜上所述，正確選項(xiàng)應(yīng)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(rèn)為，核外電子繞核運(yùn)動(dòng)．設(shè)想氫原子的核外電子繞核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，氫原子中電子離核最近的軌道半徑，用經(jīng)典物理學(xué)的知識(shí)，試計(jì)算在此軌道上電子繞核運(yùn)動(dòng)的加速度． 【答案】 【解析】因?yàn)殡娮釉谠雍送饫@核高速運(yùn)動(dòng)，此即帶負(fù)電的電子繞帶正電的原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，所需的向心力恰好由電子和原子核間的庫侖力來提供． 設(shè)電子繞核運(yùn)動(dòng)的加速度為， 已知：電子質(zhì)量 ， 電子電荷量 ， 因?yàn)? ， 所以 ， 所以 ． 【總結(jié)升華】模型的建立是解題問題的關(guān)鍵． 例5．1911年前后，物理學(xué)家盧瑟福用粒子轟擊金箔，獲得驚人的發(fā)現(xiàn)．試由此實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)撥】粒子接近金原子核，克服庫侖斥力做功，動(dòng)能減小，電勢能增加．當(dāng)粒子的動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為電勢能時(shí)，離金原子核最近，距離為，可被認(rèn)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(dòng)能減小，電勢能增加．當(dāng)粒子的動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為電勢能時(shí)，離金原子核最近，距離為，可被認(rèn)為是金原子核半徑．由動(dòng)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(dòng)能定理當(dāng)速度為零時(shí)，即為粒子距核最近處． 舉一反三: 【變式】盧瑟福在粒子散射實(shí)驗(yàn)中，測出當(dāng)粒子（）與金核（）發(fā)生對(duì)心碰撞時(shí)，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】本題要建立一個(gè)模型，粒子接近金核的最小距離認(rèn)為是金核的半徑．金核中有個(gè)核子，每個(gè)核子的質(zhì)量約為，把金核看做一個(gè)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(shè)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(dòng)量守恒定律得 ． ① 由能量關(guān)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)．