2017高中物理选修3-5 18.2 原子的核式结构模型 课件.ppt

2原子的核式结构模型课前预习导学目标导航学习目标重点难点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:卢瑟福原子核式结构。难点:对α粒子散射实验结果的分析。预习导引一、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。该模型能解释一些实验现象,但后来被α粒子散射实验否定了。预习交流1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?原子是由质子、中子、电子组成的答案:(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。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。预习交流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?答案:α粒子与原子核之间有相互作用的库仑斥力,偏转角大,意味着库仑力大,因而也就越靠近原子核。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”。课堂合作探究问题导学一、α粒子散射实验活动与探究11.1909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。如下图为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?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。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。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M,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Mv=Mv1+mv2①由能量守恒得12Mv2=12𝑀𝑣12+12𝑚𝑣22②由①②得碰后α粒子的速度v1=𝑀-𝑚𝑀+𝑚v,因为M≫m,所以v1≈v,α粒子与电子碰撞后速度几乎不变。迁移与应用1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答案:ABC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。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。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。二、原子的核式结构模型活动与探究219世纪末以前,原子一直被认为是不可分割的最小物质单元。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。枣糕模型答案: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。迁移与应用2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解析:由库仑定律可知,α粒子受的斥力与距离的平方成反比,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。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。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子核内,原子中绝大部分是空的。(2)受力情况:①少数α粒子靠近原子核时,受到的库仑斥力很大;②大多数α粒子离原子核较远,受到的库仑斥力较小。(3)偏转情况:①少数α粒子发生大角度偏转,甚至被弹回;②绝大多数α粒子运动方向不会明显变化(因为电子的质量相对于α粒子很小);③如果α粒子几乎正对着原子核射来,偏转角就几乎达到180°,这种机会极少。(4)分析结论:核式结构模型符合α粒子散射的实际情况。当堂检测1.在α粒子的散射实验中,使少数α粒子发生大角度偏转的作用力是原子核对α粒子的()A.万有引力B.库仑力C.磁场力D.核力答案:B解析:在α粒子散射实验中,粒子间的主要作用力是库仑力。2.在卢瑟福的α粒子散射实验中,有少数α粒子发生大角度偏转,其原因是()A.原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上B.正电荷在原子中是均匀分布的C.原子中存在着带负电的电子D.金箔中的金原子间存在很大的空隙,只有极少数碰到金原子答案:A解析:卢瑟福的α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大角度的偏转,说明只有少数α粒子受到很强的斥力,大多数α粒子受到的斥力很小,这反映出在原子内部正电荷分布在很小的空间内,且质量很大,A正确;实验中所用金箔尽管很薄,但也有上万层原子,由此可知,有少数α粒子偏转显然不是由于碰到金原子,由此知B、C、D错误。3.下列对原子结构的认识中,正确的是()A.原子中绝大部分是空的,原子核很小B.电子在核外运动,库仑力提供向心力C.原子的全部正电荷都集中在原子核里D.原子核的直径大约是10-10m答案:ABC解析:原子由位于原子中心带正电的原子核和核外带负电的电子构成,电子在核外绕核高速运动,库仑力提供向心力,由此可判定B、C项正确;根据α粒子散射实验可知原子核直径的数量级为10-15m,而原子直径的数量级为10-10m,故A项对,D项错。4.如图为α粒子散射实验装置的示意图,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,关于观察到的现象,下列说法不正确的是()A.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多B.相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多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,但次数极少答案:C解析:根据α粒子散射实验的现象,绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上沿原方向前进,因此在A位置观察到闪光次数最多,故A正确;少数α粒子发生大角度偏转,因此从A到D观察到的闪光会逐渐减少,因此B、D正确,C错。