第2章 2原子的核式结构模型知识点讲解汇总附练习 高中物理选修35 Word版含答案.docx
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第2章 2原子的核式结构模型知识点讲解汇总附练习 高中物理选修35 Word版含答案.docx
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第2章2原子的核式结构模型知识点讲解汇总附练习高中物理选修35Word版含答案
2.原子的核式结构模型
学习目标
知识脉络
1.了解α粒子散射实验器材、实验原理和实验现象.(重点)
2.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容.(重点、难点)
3.了解卢瑟福的实验和科学方法,培养抽象思维能力.(重点)
4.知道经典理论无法解释原子的稳定性和电磁波频谱的分立特征.
α粒子散射实验
1.汤姆孙原子模型
1904年,J.J.汤姆孙提出了影响较大的“枣糕模型”,假想正电荷构成一个密度均匀的球体,电子“浸浮”其中,并分布在一些特定的同心圆环或球壳上.
2.α粒子散射实验
(1)实验装置:
α粒子源、金箔、可移动探测器.
(2)实验现象
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粒子发生了大角度的偏转.
③极少数α粒子的偏转角大于90°,甚至有极个别α粒子被反弹回来.
(3)实验意义:
卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型.
1.卢瑟福为了证实汤姆孙原子模型的正确性进行了α粒子散射实验.(√)
2.α粒子散射实验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹.(×)
3.卢瑟福否定了汤姆孙模型,建立了原子核式结构模型.(√)
1.α粒子发生大角度散射的原因是什么?
【提示】 α粒子带正电,α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射.
2.汤姆孙的原子结构模型为什么被卢瑟福否定掉?
【提示】 按照汤姆孙的“枣糕”原子模型,α粒子如果从原子之间或原子的中心轴线穿过时,它受到周围的正负电荷作用的库仑力是平衡的,α粒子不产生偏转;如果α粒子偏离原子的中心轴线穿过,两侧电荷作用的库仑力相当于一部分被抵消,α粒子偏转很小;如果α粒子正对着电子射来,质量远小于α粒子的电子不可能使α粒子发生明显偏转,更不可能使它反弹.所以α粒子的散射实验结果否定了汤姆孙的原子模型.
1.装置
放射源、金箔、可移动探测器等,如图221所示.
图221
2.现象及解释
(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进.大多数α粒子离金原子核较远.
(2)少数α粒子发生较大的偏转.发生较大偏转的α粒子是由于离金原子核较近,库仑斥力较大.
(3)极少数α粒子偏转角度超过90°,有的几乎达到180°.正对或基本正对着金原子核入射的α粒子在库仑斥力作用下先减速至较小速度然后加速远离金原子核.
3.实验的注意事项
(1)整个实验过程在真空中进行.
(2)金箔需要做得很薄,α粒子才能穿过.
(3)使用金箔的原因是金的延展性好,可以做得很薄.另外一点就是金的原子序数大,α粒子与金核间的库仑斥力大,偏转明显.
1.(多选)如图222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( )
【导学号:
22482087】
图222
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B位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数要比A位置少很多
D.放在C、D位置时,屏上观察不到闪光
【解析】 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、D错误,C正确.
【答案】 AC
2.(多选)由α粒子的散射实验可以得出的正确结论有( )
【导学号:
22482020】
A.原子中绝大部分是空的
B.原子中全部正电荷都集中在原子核上
C.原子内有中子
D.原子的质量几乎全部都集中在原子核上
【解析】 卢瑟福由α粒子散射实验得到的结论有:
在原子中心有一个很小的核叫原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,带负电的电子在核外的空间运动.
【答案】 ABD
3.卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构,正确反映实验结果的示意图是( )
【导学号:
22482107】
A B C D
【解析】 原子的中心是体积很小的原子核,原子的绝大部分质量和全部正电荷都集中在原子核上,当α粒子接近原子核的时候,就会发生大角度散射,甚至被弹回.所以D选项正确.
【答案】 D
1分析α粒子散射实验中的现象时,应注意是“绝大多数”“少数”还是“极少数”粒子的行为.“大角度偏转”只是少数粒子的行为.
2α粒子散射实验是得出原子核式结构模型的实验基础,对实验现象的分析是建立卢瑟福核式结构模型的关键.通过对α粒子散射实验这一宏观探测,间接地构建出原子结构的微观图景.
核式结构模型及与经典理论的矛盾
1.核式结构模型
卢瑟福提出的新的原子结构模型,在原子中间有一个体积很小、带正电荷的核,而电子在核外绕核运动,这种结构称为原子的“核式结构模型”.
2.原子核的电荷与尺度
3.原子的核式结构模型与经典理论的矛盾
用经典电磁理论在解释原子结构的稳定性和电磁波谱的分立特征时遇到了困难.
1.原子的质量几乎全部集中在原子核上.(√)
2.原子中所有正电荷都集中在原子核内.(√)
3.核电荷数等于质子数,也等于中子数.(×)
1.汤姆孙发现电子后建立了“枣糕”模型,卢瑟福根据α粒散射实验推翻了“枣糕”模型,建立了核式结构模型.
卢瑟福的核式结构模型是最科学的吗?
【提示】 卢瑟福的核式结构模型是比汤姆孙的“枣糕”模型更科学的模型,但不是最科学的模型,随着人们认识水平的不断提高,原子结构模型也在不断更新.
2.根据经典的电磁理论,电磁波的频谱是怎样的?
而实际看到的电磁波的频谱是怎样的?
【提示】 根据经典理论,原子可以辐射各种频率的光,即电磁波的频谱应该总是连续的.
实际看到的电磁波的频谱是分立的线状谱.
1.原子的核式结构与原子的枣糕模型的区别
核式结构
枣糕模型
分布情况
原子内部是非常空旷的,正电荷集中在一个很小的核里,电子绕核高速旋转
原子是充满了正电荷的球体,电子均匀嵌在原子球体内
受力情况
少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大,而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小
α粒子在原子内部时,受到的库仑斥力相互抵消,几乎为零
偏转情况
绝大多数α粒子运动方向不变,少数α粒子发生大角度偏转,极少数α粒子偏转角度超过90°,有的甚至被弹回
不会发生大角度偏转,更不会被弹回
分析情况
符合α粒子散射现象
不符合α粒子散射现象
2.原子内的电荷关系:
对于中性原子所有电子带的负电荷之和等于原子核所带的正电荷.
4.(多选)关于原子核式结构理论说法正确的是( )
A.是通过发现电子现象得出来的
B.是通过α粒子散射现象得出来的
C.原子的中心有个核,叫作原子核
D.原子的正电荷均匀分布在整个原子中
【解析】 原子的核式结构模型是在α粒子的散射实验结果的基础上提出的,A错误,B正确.原子中绝大部分是空的,带正电的部分集中在原子中心一个很小的范围,称为原子核,C正确,D错误.
【答案】 BC
5.如图223所示,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( )
图223
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
【解析】 根据卢瑟福提出的核式结构模型,原子核集中了原子的全部正电荷,即原子核外的电场分布与正点电荷电场类似.α粒子从a运动到b,电场力做负功,动能减小,电势能增大;从b运动到c,电场力做正功,动能增大,电势能减小;a、c在同一条等势线上,则电场力做的总功等于零,C正确,A、B错误;a、b、c三点的场强大小关系Ea=Ec<Eb,故α粒子的加速度先变大,后变小,D错误.
【答案】 C
6.(多选)以下论断中正确的是( )
【导学号:
22482021】
A.按经典电磁理论,核外电子受原子核库仑引力,不能静止只能绕核运转,电子绕核加速运转,不断地向外辐射电磁波
B.按经典理论,绕核运转的电子不断向外辐射能量,电子将逐渐接近原子核,最后落入原子核内
C.按照卢瑟福的核式结构理论,原子核外电子绕核旋转,原子是不稳定的,说明该理论不正确
D.经典电磁理论可以很好地应用于宏观物体,也能用于解释原子世界的现象
【解析】 卢瑟福的核式结构没有问题,主要问题出在经典电磁理论不能用来解释原子世界的现象,故A、B正确,C、D错误.
【答案】 AB
7.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2.0×107m/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Ep=k
,r为距点电荷的距离.α粒子质量为6.64×10-27kg).
【解析】 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,设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
mv2=k
.
d=
=
m
=2.7×10-14m.
【答案】 2.7×10-14m
分析α粒子散射实验中的力电问题常用的规律
(1)库仑定律:
F=k
,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.
3.光的波粒二象性
学习目标
知识脉络
1.知道什么是康普顿效应及康普顿散射实验原理.(重点)
2.理解光的波粒二象性,了解光是一种概率波.
康普顿效应
1.光的散射:
光在介质中与物体微粒的相互作用,使光的传播方向发生偏转,这种现象叫光的散射.
蔚蓝的天空、殷红的晚霞是大气层对阳光散射形成的,夜晚探照灯或激光的光柱,是空气中微粒对光散射形成的.
2.康普顿效应
康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除原波长外,还发现了波长随散射角的增大而增大的谱线.X射线经物质散射后波长变长的现象,称为康普顿效应.
3.康普顿的理论
当光子与电子相互作用时,既遵守能量守恒定律,又遵守动量守恒定律.在碰撞中光子将能量hν的一部分传递给了电子,光子能量减少,波长变长.
4.康普顿效应的意义
康普顿效应表明光子除了具有能量之外,还具有动量,深入揭示了光的粒子性的一面,为光子说提供了又一例证.
1.康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也具有动量.(√)
2.康普顿效应进一步说明光具有粒子性.(√)
3.光子发生散射时,其动量大小发生变化,但光子的频率不发生变化.(×)
4.光子发生散射后,其波长变大.(√)
1.太阳光从小孔射入室内时,我们从侧面可以看到这束光;白天的天空各处都是亮的;宇航员在太空中尽管太阳光耀眼刺目,其他方向的天空却是黑的.为什么?
【提示】 地球上存在着大气,太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向;而在太空中的真空环境下,光不再散射,只向前传播.
2.光电效应与康普顿效应研究问题的角度有何不同?
【提示】 光电效应应用于电子吸收光子的问题,而康普顿效应应用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题.
1.对康普顿效应的理解
(1)实验现象
X射线管发出波长为λ0的X射线,通过小孔投射到散射物石墨上.X射线在石墨上被散射,部分散射光的波长变长,波长改变的多少与散射角有关.
(2)康普顿效应与经典物理理论的矛盾
按照经典物理理论,入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动,振动着的带电粒子从入射光吸收能量,并向四周辐射,这就是散射光.散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率).因此散射光的波长与入射光的波长应该相同,不应该出现波长变长的散射光.另外,经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系.
(3)光子说对康普顿效应的解释
假定X射线光子与电子发生弹性碰撞.
①光子和电子相碰撞时,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长.
②因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关,所以波长的改变与散射角有关.
2.康普顿的散射理论进一步证实了爱因斯坦的光量子理论,也有力证明了光具有波粒二象性.
1.(多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应.关于康普顿效应,以下说法正确的是( )
A.康普顿效应说明光子具动量
B.康普顿效应现象说明光具有波动性
C.康普顿效应现象说明光具有粒子性
D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加
【解析】 康普顿效应说明光具有粒子性,B项错误,A、C项正确;光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒,故二者碰撞后,光子要把部分能量转移给电子,光子的能量会减少,D项错误.
【答案】 AC
2.康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量.如图431给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向,则碰后光子可能沿__________方向运动,并且波长________(选填“不变”“变短”或“变长”).
图431
【解析】 因光子与电子在碰撞过程中动量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致,可见碰后光子运动的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分能量转移给电子,能量减少,由ε=hν知,频率变小,再根据c=λν知,波长变长.
【答案】 1 变长
1动量守恒定律不但适用于宏观物体,也适用于微观粒子间的作用;
2康普顿效应进一步揭示了光的粒子性,也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性.
光的波粒二象性光是一种概率波
1.光的波粒二象性
(1)光既具有波动性又具有粒子性,既光具有波粒二象性.
光的波动性是指光的运动形态具有各种波动的共同特征,如干涉、衍射和色散等都有波动的表现.
光的粒子性是指光与其他物质相互作用时所交换的能量和动量具有不连续性,如光电效应、康普顿效应等.
(2)光子的能量和动量
①能量:
ε=hν.
②动量:
p=
.
(3)意义
能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量;波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量.因此ε=hν和p=
揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系.
2.光是一种概率波
光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小,所以光是一种概率波.
1.光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性.(√)
2.光子数量越大,其粒子性越明显.(×)
3.光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子.(√)
4.光子通过狭缝后落在屏上明纹处的概率大些.(√)
1.由公式E=hν和λ=
,能看出波动性和粒子性的联系吗?
【提示】 从光子的能量和动量的表达式可以看出,是h架起了粒子性与波动性之间的桥梁.
2.在光的单缝衍射实验中,在光屏上放上照相底片,并设法控制光的强度,尽可能使光子一个一个地通过狭缝,曝光时间短时,可看到胶片上出现一些无规则分布的点;曝光时间足够长时,有大量光子通过狭缝,底片上出现一些平行条纹,中央条纹最亮最宽.请思考下列问题:
(1)曝光时间短时,说明什么问题?
【提示】 少量光子表现出光的粒子性,但其运动规律与宏观粒子不同,其位置是不确定的.
(2)曝光时间足够长时,说明什么问题?
【提示】 大量光子表现出光的波动性,光波强的地方是光子到达的机会多的地方.
(3)暗条纹处一定没有光子到达吗?
【提示】 暗条纹处也有光子到达,只是光子到达的几率特别小,很难呈现出亮度.
1.对光的认识的几种学说
学说名称
微粒说
波动说
电磁说
光子说
波粒二象性
代表人物
牛顿
惠更斯
麦克斯韦
爱因斯坦
公认
实验依据
光的直线传播、光的反射
光的干涉、衍射
能在真空中传播,是横波,光速等于电磁波速度
光电效应,康普顿效应
光既有波动现象,又有粒子特征
内容要点
光是一群弹性粒子
光是一种机械波
光是一种电磁波
光是由一份一份光子组成的
光是具有电磁本性的物质,既有波动性又有粒子性
理论领域
宏观世界
宏观世界
微观世界
微观世界
微观世界
2.对光的波粒二象性的理解
实验基础
表现
说明
光的波动性
干涉和衍射
(1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述
(2)足够能量的光(大量光子)在传播时,表现出波的性质
(3)波长长的光容易表现出波动性
(1)光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的
(2)光的波动性不同于宏观观念的波
光的粒子性
光电效应、康普顿效应
(1)当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质
(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性
(3)波长短的光,粒子性显著
(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的
(2)光子不同于宏观观念的粒子
3.光波是一种概率波
在双缝干涉实验中,光子通过双缝后,对某一个光子而言,不能肯定它落在哪一点,但屏上各处明暗条纹的不同亮度,说明光子落在各处的可能性即概率是不相同的.光子落在明条纹处的概率大,落在暗条纹处的概率小.
这就是说光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定,因此说光是一种概率波.
3.关于光的波粒二象性,下列说法中正确的是( )
【导学号:
22482062】
A.光的频率越高,衍射现象越容易看到
B.光的频率越高,粒子性越显著
C.大量光子产生的效果往往显示粒子性
D.光的波粒二象性否定了光的电磁说
【解析】 光具有波粒二象性,波粒二象性并不否定光的电磁说,只是说某些情况下粒子性明显,某些情况下波动性明显,故D错误.光的频率越高,波长越短,粒子性越明显,波动性越不明显,越不易看到其衍射现象,故B正确、A错误.大量光子的行为表现出波动性,个别光子的行为表现出粒子性,故C错误.
【答案】 B
4.(多选)在单缝衍射实验中,中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上.假设现在只让一个光子能通过单缝,那么该光子( )
A.一定落在中央亮纹处
B.一定落在亮纹处
C.可能落在亮纹处
D.可能落在暗纹处
【解析】 根据光的概率波的概念,对于一个光子通过单缝落在何处,是不可确定的,但概率最大的是落在中央亮纹处,可达95%以上.当然也可能落在其他亮纹处,还可能落在暗纹处,只不过落在暗处的概率很小而已,故只有C、D正确.
【答案】 CD
对光的波粒二象性的两点提醒
1.光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性,而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证.
2.波动性和粒子性都是光的本质属性,只是在不同条件下的表现不同.当光与其他物质发生作用时,表现出粒子的性质;少量或个别光子易显示出光的粒子性;频率高波长短的光,粒子性显著.大量光子在传播时表现为波动性;频率低波长长的光,波动性显著.
对光子落点的理解
1.光具有波动性,光的波动性是统计规律的结果,对某个光子我们无法判断它落到哪个位置,我们只能判断大量光子的落点区域.
2.在暗条纹处,也有光子达到,只是光子数很少.
3.对于通过单缝的大量光子而言,绝大多数光子落在中央亮纹处,只有少数光子落在其他亮纹处及暗纹处.
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