2014-2015学年高中物理 18.2原子的核式结构模型课件 新人教版选修3-5

2原子的核式结构模型课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导学习目标1.能说出α粒子散射实验的原理和实验结果。2.能记住卢瑟福原子核式结构的主要内容。3.能说出原子和原子核大小的数量级。重点难点重点:卢瑟福原子核式结构。难点:对α粒子散射实验结果的分析。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导一、汤姆孙的原子模型汤姆孙于1898年提出了原子模型,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。汤姆孙的原子模型,小圆点代表正电荷,大圆点代表电子汤姆孙的原子模型被称为西瓜模型或枣糕模型。该模型能解释一些诸如原子的稳定性等实验现象,但后来被α粒子散射实验否定了。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导预习交流1原子是由质子、中子、电子组成的汤姆孙发现电子之后,人们立刻进行建立各种原子模型的尝试,你都知道有哪些典型的模型呢?课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导答案:(1)勒纳德的动力子模型:原子内部的电子与相应的正电荷组成一个中性的“刚性配偶体”,他取名为动力子,无数动力子漂浮于原子太空内。(2)长冈半太郎的土星型模型:1904年,他根据麦克斯韦的土星环理论推测原子的结构,提出了一个土星模型,它实际上已经包含了核模型的基本思想,只是对核的大小的数量级及稳定性等问题没有给出足够的重视。(3)汤姆孙的“枣糕模型”。(4)卢瑟福的核式结构模型。(5)玻尔模型。后面的三种模型教材中已经做了阐述。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导二、α粒子散射实验1.α粒子从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子,实质是失去两个电子的氦原子核,带两个单位正电荷,质量为氢原子质量的4倍。2.实验结果绝大多数α粒子穿过金箔后,基本沿原方向前进。少数α粒子发生大角度偏转,偏转角甚至大于90°。3.卢瑟福的核式结构模型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。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导预习交流2如何用原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果进行解释?答案:(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,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。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导三、原子核的电荷与尺度1.原子内的电荷关系各种原子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10-15m,而原子的半径的数量级是10-10m。因而原子内部十分“空旷”。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测一、α粒子散射实验活动与探究1.1909年到1911年,卢瑟福用α粒子轰击金箔,进行著名的α粒子散射实验。如图为α粒子散射实验的示意图。荧光屏可以沿着图中虚线转动,用来统计向不同方向散射的粒子的数目。实验设备装在真空中。在α粒子散射实验中为什么选用金箔?课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测答案:(1)金的延展性好,容易做成很薄很薄的箔,实验用的金箔厚度大约是10-7m;(2)金原子带的正电荷多,与α粒子间的库仑力大;(3)金原子质量大约是α粒子质量的50倍,因而惯性大,α粒子的运动状态容易改变,金原子的运动状态不容易改变。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测2.你认为α粒子散射实验的意义是什么?答案:揭示了汤姆孙原子模型的局限性,为核式结构提供了实验基础。3.试分析α粒子与原子核发生对心碰撞达到最小距离前的动能、电势能及加速度的变化情况。答案:α粒子与金原子核间存在着相互作用的库仑斥力,在靠近的过程中,库仑力做负功,所以动能逐渐减少,电势能逐渐增加,加速度逐渐增大。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测4.α粒子射入金箔时难免与电子碰撞,试估计这种碰撞对α粒子速度影响的大小。答案:设α粒子初速度为v,质量为m0,与电子碰后的速度为v1,电子质量为m,与α粒子碰后的速度为v2。由动量守恒定律得m0v=m0v1+mv2①由能量守恒得12m0v2=12m0v12+12mv22②由①②得碰后α粒子的速度v1=m0-mm0+mv,因为m0≫m,所以v1≈v,α粒子与电子碰撞后速度几乎不变。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移与应用例1(多选)关于α粒子散射实验,下列说法正确的是()A.该实验在真空环境中进行B.带有荧光屏的显微镜可以在水平面内的不同方向上移动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粒子源发出的射线方向上才有闪光解析:由α粒子散射实验装置及其作用,可选A、B、C;对于选项D,考虑到有少数的α粒子因为靠近金原子核,受到斥力而改变了运动方向,故选项D错误。答案:ABC课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移训练1(多选)在α粒子散射实验中,我们并没有考虑α粒子跟电子碰撞,这是因为()A.电子体积非常小,以至于α粒子碰不到它B.α粒子跟电子碰撞时,损失的能量很小,可以忽略C.α粒子跟各个电子碰撞的效果相互抵消D.电子在核外均匀分布,所以α粒子受电子作用的合外力为零答案:BD解析:α粒子与电子相碰就如同飞行的子弹与灰尘相碰,α粒子几乎不损失能量,且电子在核外均匀分布,对α粒子的库仑引力的合力几乎为零,不会改变α粒子的运动轨迹。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测对α粒子散射实验的理解1.装置:放射源、金箔、荧光屏等,如图所示。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测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°,有的几乎达到180°。3.实验的注意事项:(1)整个实验过程在真空中进行。(2)α粒子是氦原子核,体积很小,金箔需要做得很薄,α粒子才能穿过。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测二、原子的核式结构模型活动与探究枣糕模型19世纪末以前,原子一直被认为是不可分割的最小物质单元。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测1897年,英国物理学家汤姆孙(J.J.Thomson,1856—1940)通过气体导电实验发现了电子。他提出:既然原子内部存在带负电的电子,而原子又呈电中性,就还应有带正电的不明粒子。汤姆孙还提出了类似西瓜的原子结构模型(枣糕模型):带正电的粒子均匀分布并充满于原子内部,带负电的电子镶嵌其中。但后来的α粒子散射实验却完全否定了汤姆孙的模型。试分析α粒子散射实验结果与汤姆孙模型的矛盾在哪里。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测答案:α粒子散射实验发现,绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子(约占八千分之一)发生了大角度偏转,偏转的角度甚至大于90°,也就是说它们几乎被“撞了回来”。这样的事实令人惊奇。大角度的偏转不可能是电子造成的,因为它的质量只有α粒子的17300,它对α粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对枪弹的影响,完全可以忽略。因此,造成α粒子偏转的主要原因是它受到了原子中除电子以外的其他物质的作用,而这部分物质的质量很大,并且是带正电的。而按照汤姆孙模型,正电荷是均匀地分布在原子内的,α粒子穿过原子时受到的各个方向正电荷的斥力基本上会相互平衡,因此对α粒子运动的影响不会很大。所以,汤姆孙模型无法解释大角度散射的实验结果。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移与应用例21909年,物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔获得惊人的发现。试由此实验根据下列所给公式或数据估算金原子核的大小。已知点电荷的电势U=kQR,k=9.0×109N·m2/C2。金的原子序数为79,α粒子的质量mα=6.64×10-27kg,质子质量mp=1.67×10-27kg,α粒子的速度vα=1.60×107m/s,电子电荷量e=1.6×10-19C。[思路点拨]α粒子与原子核间的作用力主要是库仑力,故由动能定理可知,当速度为零时,α粒子距核最近。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测解析:α粒子接近金原子核,克服库仑斥力做功,动能减小,电势能增加。当α粒子的动能完全转化为电势能时,离金原子核最近,距离为R,R可被认为是金原子核半径。由动能定理有12mαv𝛼2=qαU,又因U=kQR,Q为金原子核电荷量,则R=2q𝛼kQm𝛼v𝛼2,其中qα=2e,Q=79e,代入数据可得R=4.28×10-14m。答案:4.28×10-14m课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移训练2(多选)在α粒子散射实验中,如果两个具有相同能量的α粒子,从不同大小的角度散射出来,则散射角度大的这个α粒子()A.更接近原子核B.更远离原子核C.受到一个以上的原子核作用D.受到原子核较大的冲量作用答案:AD课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测解析:由库仑定律可知,α粒子受的斥力与距离的二次方成反比,α粒子距原子核越近,受斥力越大,运动状态改变得越大,即散射角度越大,A对,B错;由于原子的体积远远大于原子核的体积,当α粒子穿越某一个原子的空间时,其他原子核距α粒子相对较远,而且其他原子核对α粒子的作用力也可以近似相互抵消,所以散射角度大的这个α粒子并非是由于受到多个原子核作用造成的,C错;当α粒子受到原子核较大的冲量作用时,动量的变化量就大,即速度的变化量就大,则散射角度大,D对。正确选项为A、D。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测1.对原子核式结构模型的理解原子的核式结构模型是在卢瑟福的α粒子散射实验的基础上提出的,成功地解释了α粒子散射实验。还需要说明的就是这仍是一个经典模型,电子绕原子核的高速旋转是库仑力充当向心力的结果。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测2.卢瑟福的核式结构模型对α粒子散射分析(1)分布情况:正电荷和几乎全部质量集中在原