高中物理人教版 (新课标)选修32 原子的核式结构模型教课内容课件ppt

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一、α粒子散射实验与核式结构模型
1.α粒子散射实验与汤姆孙的原子模型的冲突分析.(1)分析否定的原因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.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.(2)原子的核式结构与原子的枣糕模型的根本区别
2.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.
卢瑟福根据α粒子散射实验估算出了原子核半径的数量级为10-15 m.
【典例1】(2011·孝感高二检测)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A、B、C、D四个位置时,观察到的现象,下述说法中正确的是( )
A.放在A位置时,相同时间内观察到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,屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少 【解题指导】审题时应重点关注以下几点(1)注意关键词语“次数最多”、“稍少”、“极少”等.(2)明确实验装置中各部分的组成及作用.
【标准解答】选A、D.在卢瑟福α粒子散射实验中,α粒子穿过金箔后,绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进,故A正确,少数α粒子发生较大偏转,极少数α粒子偏转角度超过90°,极个别α粒子被反射回来,故B、C错,D对.
【规律方法】对α粒子散射实验的题的解法(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.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、电量均比它本身大得多的物体的作用.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.原子的质量、电量都集中在体积很小的核上.
【变式训练】关于α粒子散射实验，下述说法不正确的是( )A.α粒子发生大角度散射的主要原因是原子中有正电荷B.α粒子发生大角度散射的主要原因是原子中原子核的作用C.只有少数α粒子发生大角度散射的原因是原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上D.相同条件下，换用原子序数越小的物质做实验，沿同一偏转角散射的α粒子越少
【解析】选A.原子显电中性，而电子带负电，所以原子中一定存在带正电的物质，但是汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的散射现象，所以α粒子大角度散射的主要原因不能直接说是原子中正电荷的作用，而是正电荷集中在原子核上的原因，所以A选项错误，B选项正确；只有少数α粒子发生大角度散射的结果证明原子中存在一个集中所有正电荷和几乎所有质量的很小的原子核，C选项正确；使α粒子发生大角度散射的原因是受到原子核的库仑斥力，所以为使散射实验现象更明显，应采用原子序数大的金箔，若改用原子序数小的物质做实验，α粒子受到原子核的库仑斥力小，发生大角度散射的α粒子少，所以选项D正确.
【变式备选】卢瑟福和他的助手做α粒子轰击金箔实验,获得了重要发现，关于α粒子散射实验的结果,下列说法正确的是( )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】选C.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,所以C对,A、B错.玻尔发现了电子轨道量子化,D错.
二、α粒子散射实验中的能量转化问题
1.α粒子的受力特点：α粒子与原子核间的作用力是库仑斥力大小： (1)式中Q为原子核的电荷量.q为α粒子所带电量，r为α粒子与原子核间的距离.(2)α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：α粒子的受力沿原子核与α粒子的连线，由原子核指向α粒子.
2.库仑力对α粒子的做功情况：(1)当α粒子靠近原子核时，库仑斥力做负功，电势能增加.(2)当α粒子远离原子核时，库仑斥力做正功，电势能减小.3.α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.
(1)α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α粒子等微观粒子时一般不计重力.
【典例2】根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型.图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹.在α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中，下列说法中正确的是( )A.动能先增大，后减小B.电势能先减小，后增大C.电场力先做负功，后做正功，总功等于零D.加速度先变小，后变大
【解题指导】解答该题应注意以下关键点(1)根据力和速度的夹角关系判断功的正负(2)根据力的大小判断加速度的大小(3)根据功能关系判断动能的变化、电势能的变化【标准解答】选C.α粒子受到原子核的库仑力为斥力，当由a到b时，库仑力变大,做负功，再由b到c时，库仑力减小，做正功.故加速度先增大再减小，动能先减小后增大，电势能先增大再减小，又因a、c在同一等势面上，故总功为零，故C对，A、B、D均错.
【规律方法】 α粒子散射实验中常用的规律(1)库仑定律: 用来分析α粒子和原子核间的相互作用力.(2)牛顿第二定律:该实验中α粒子只受库仑力，可根据库仑力的变化分析加速度的变化.(3)功能关系:根据库仑力做功，可分析动能的变化，也能分析电势能的变化.(4)原子核带正电，其周围的电场相当于正点电荷的电场，注意应用其电场线和等势面的特点.
【变式训练】α粒子散射实验中，当α粒子最接近原子核时，关于描述α粒子的有关物理量正确的是( )A.动能最小B.势能最小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【解析】选A、D.α粒子和原子核都带正电，库仑力表现为斥力，两者距离减小时，库仑力做负功，故α粒子动能减小，电势能增加，系统的能量守恒；由库仑定律可知随着距离的减小，库仑力逐渐增大，故A、D正确.
【典例】在α粒子散射实验中，根据α粒子与原子核发生对心碰撞时能达到的最小距离可以估算原子核的大小.现有一个α粒子以2.0×107 m/s的速度去轰击金箔，若金原子的核电荷数为79.求α粒子与金原子核间的最近距离(已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为 r为距点电荷的距离.α粒子质量为6.64×10-27 kg).
【解题指导】解答本题应把握以下三点：(1)明确α粒子的运动为沿粒子与原子核连线的直线运动.(2)当动能减为零时，电势能最大，离原子核最近.(3)原子核的大小应该比最近距离小一些.
【标准解答】当α粒子靠近原子核运动时，α粒子的动能转化为电势能，达到最近距离时，动能全部转化为电势能，所以α粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为d，则答案：2.7×10-14 m
一、选择题1.（2011·天津高考）下列能揭示原子具有核式结构的实验是( )A.光电效应实验 B.伦琴射线的发现C.α粒子散射实验 D.氢原子光谱的发现【解析】选C．光电效应现象证明了光的粒子性本质，与原子结构无关，选项A错误；伦琴射线的发现以及氢原子光谱的发现都与原子的能级结构有关，都是原子能级跃迁的结论，选项B、D错误；卢瑟福的α粒子散射实验证实了原子的核式结构模型，选项C正确.
2.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
【解析】选C.α粒子与电子之间存在相互作用力.这个作用力是库仑力，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α粒子的运动方向，就像一颗子弹撞上一颗尘埃一样，正确答案是C.
3.(2011·沈阳高二检测)卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，提出( )A.原子的核式结构模型B.原子核内有中子存在C.电子在原子核外面运动D.原子核是由质子和中子组成的
【解析】选A、C.卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，发现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，但有少数发生大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，有的几乎达到180°.大多数不发生偏转，说明原子中存在很大的空间，少数发生大角度偏转，说明α粒子受到很强的库仑力的作用，由此可知，原子内部存在质量很大、体积很小的粒子，就是原子核，因此A、C选项正确.
4.(2011·泉州高二检测)如图所示为卢瑟福α粒子散射实验的原子核和两个α粒子的径迹，其中可能正确的是( )【解析】选A.α粒子在靠近金原子核时，离核越近，所受库仑斥力越大，偏转角度越大，根据这个特点可以判断出只有A正确.
5.关于α粒子散射实验，下列说法正确的是( )A.该实验可以在空气环境中进行B.不用显微镜也可以在不同方向上观察到散射的α粒子C.荧光屏上的闪光是散射的α粒子打在荧光屏上形成的D.荧光屏只有正对α粒子源发出射线的方向才有闪光
【解析】选C.由于α粒子有很强的电离作用.其穿透能力很弱，所以该实验要在真空中进行，故A错；为观察α粒子穿过金箔后在各个方向上的散射情况，必须用带有荧光屏的显微镜来观察，直接用肉眼无法观察到,故B错；荧光屏上的闪光是α粒子打在光屏上引起的，并且在各个方向上都能观察到闪光，故C正确，D错.
6.关于α粒子散射实验的装置,下列说法正确的是( )A.全部设备都放在真空中B.荧光屏和显微镜能围绕金箔在一个圆周上转动C.若将金箔改为银箔,就不能发生散射现象D.金箔的厚度不会影响实验结果【解析】选A、B.实验必须在真空中进行,故A对.荧光屏和显微镜应该能围绕金箔在一个圆周上转动,B正确,金箔改为银箔能发生散射现象,但不明显,C错误,α粒子穿透能力弱,金箔要很薄.故D错.
7.关于α粒子散射实验，下列说法正确的是( )A.α粒子穿过原子时，由于α粒子的质量比电子大得多，电子不可能使α粒子的运动方向发生明显的改变B.由于绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来方向前进，所以使α粒子发生大角度偏转的原因是在原子中极小的区域内集中着对α粒子产生库仑力的正电荷C.α粒子穿过原子时，只有少数粒子发生大角度偏转的原因是原子核很小，α粒子接近原子核的机会很小D.使α粒子发生大角度偏转的原因是α粒子穿过原子时，原子内部两侧的正电荷对α粒子的斥力不相等
【解析】选A、B、C.电子的质量很小，当和α粒子作用时，对α粒子运动的影响极其微小，A正确.α粒子发生大角度偏转，说明原子核的正电荷和几乎全部的质量集中在一个很小的区域内，所以B、C正确,D错误.
二、计算题8.根据α粒子散射实验及下列数据，估算原子核大小.金的原子序数79，α粒子质量m=6.64×10-27 kg，α粒子速度v=2.0 ×107 m/s，电子电荷量e=1.6×10-19 C，点电荷电势U=kQ/r，k=9.0×109 N·m2/C2.
【解析】α粒子正对金原子射去，速度为零时，动能全部转化为电势能，此时α粒子和金原子之间的距离近似为原子核半径.答案：2.7×10-14 m
9.α粒子与金核197Au发生正碰时，如果α粒子能接近金核的最小距离为2×10-14 m，试估算金核的密度为多少？【解析】粗略地，可把金核看做一个球体，把α粒子接近它的最小距离作为它的半径r，则金核的体积表示为而金核的质量M=197×1.67×10-27 kg≈3.29×10-25 kg，故其密度为≈9.8×1015 kg/m3.答案：9.8×1015 kg/m3
【方法技巧】 物理估算题的求解方法物理估算题，对学生的思维能力、计算能力有较高的要求，不仅是直觉思维能力的集中表现，而且对培养学生综合分析能力和灵活运用物理知识解决实际问题的能力，也具有不可低估的作用.做好估算题，要注意以下几点：1.根据物理规律，建立合理的模型.
2.熟悉常用的近似计算公式和物理常数.3.突出主要矛盾，忽略次要因素，建立估算关系；估算结果数量级必须正确，有效数字取1～2位即可.只要确定准确模型，挖掘隐含条件，在推敲题意的基础上，充分发挥想象力，根据基本概念、基本规律，把条件与结论联系起来，进行层次分明的分析推理，确定估算方法，这类问题会迎刃而解.
10.已知电子质量为9.1×10-31kg、带电荷量为-1.6×10-19C，当氢原子核外电子绕核旋转时的轨道半径为0.53×10-10m时，求电子绕核运动的速度、频率、动能和等效的电流.
【解析】根据库仑力提供电子绕核旋转的向心力，可知而v=2πfr0，即
设电子运动周期为T，则电子绕核运动的等效电流：答案：2.18×106 m/s 6.55×1015 Hz 2.16×10-8 J1.07×10-3A