第四篇 微观和宇观世界第十二章 物质的微观结构A、 原子的核式结构【知识点1】了解电子的发现1、英国物理学家汤姆逊对阴极射线进行了一系列的实验研究，1897年，他确认阴极射线是由质量小于氢原子质量千分之一的带负电的粒子组成的，汤姆逊把这种粒子叫电子。以后美国物理学家密立根精确地测定了电子的电量，电子的电量是e=1.610-19C；电子的质量是m=0.9110-30kg。2、汤姆逊发现电子，是物理学史上的重要事件。电子比已知的最小的原子还要小，它说明原子不是构成物质的最小微粒，原子本身也具有结构，原子还可以再分，这样“原子不可分”的观念就彻底被否定了。通常情况下，原子是电中性的，而电子是原子的组成部分，电子带负电且质量又很小，那么原子里一定还有带正电的且集中了原子几乎所有质量的部分。电子和原子中带正电的部分是怎样组成原子的呢？科学家们曾提出了几种原子模型，汤姆逊提出的原子模型是：原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球体内，电子则镶嵌在球内（“枣糕型”）。【知识点2】知道粒子散射实验1、实验目的：英国物理学家卢瑟福想证明汤姆逊原子模型的正确性，1911年起做了“粒子散射实验”。所谓“粒子散射实验”是用放射性元素钋放出的粒子束，轰击金箔的实验。实验结果却否定了汤姆逊原子模型。2、为什么用粒子轰击金箔？原子的结构非常紧密，要认识原子的组成，需要用高速粒子对它进行轰击，以便对产生的物理现象进行分析。由于粒子具有足够的能量，有可能接近原子的中心，并且粒子还可以使荧光物质发光，如果粒子因与其它粒子发生相互作用而改变了运动的方向，便可在荧光屏上显示出它的方向变化，因此卢瑟福用粒子散射的方法来研究原子的结构。图12-A-1粒子源闪烁屏闪烁屏金箔定向障碍板3、实验装置：主要由：放射源、金箔、荧光屏、显微镜和转动圆盘几部分组成，如图12-A-1所示。放射源钋放出粒子；为避免气体分子对粒子的运动产生影响，整个装置放在真空中；使用金箔的目的有二个：（1）金有极好的延展性，便于制成很薄的金箔，使粒子在穿过金箔的过程中只与某一个金原子发生相互作用，（2）金的原子序数很大，这样金原子跟粒子有足够大的库仑力，使产生的物理现象更为明显。实验过程中，荧光屏和显微镜能够围绕金箔在一个圆周上转动，可以观察到穿过金箔后偏转角度不同的粒子的径迹。4、实验结果以及对结果分析：实验的结果：粒子穿过金箔后“绝大多数”沿原来的方向前进； “少数”发生了较大的偏转； “极少数”发生了大角度偏转；“有的甚至”被反弹。对结果分析：由于电子带负电，其质量约为粒子的17300，不可能使动能较大的粒子产生大角度偏转。若按汤姆逊原子模型，原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，粒子穿过原子时由于粒子周围正电荷对它的斥力有相当一部分互相抵消，使粒子偏转的力也不会很大，因此粒子的大角度偏转说明汤姆逊模型与实验事实不符。实验现象中的“绝大多数”粒子穿过金箔后方向没有明显改变，表明粒子在穿过时基本上没有受到力的作用，说明原子中的绝大部分几乎是空的，实验现象中的“极少数”粒子发生了大角度偏转，“有的甚至”反弹回来，说明粒子在原子中的某些地方受到了质量、电量均比粒子本身大得多的原子核的作用。 【知识点3】知道卢瑟福原子核式结构模型卢瑟福原子核式结构学说是：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎所有的质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核高速旋转。原子半径大约是10-10m，核的大小约为10-1410-15m，假如把原子核比作一个乒乓球，那么整个原子就有一个足球场大；原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量，最小的原子核是氢原子核，其质量是核外电子质量的1840倍；电子绕核高速旋转，就如太阳系中行星绕着太阳运转一样。电子做圆周运动所需要的向心力是原子核对电子的库仑力。根据原子的核式结构学说，粒子穿过原子时，如果离核较远，受到的库仑斥力就很小，运动方向基本不变.只有当粒子与核十分接近时，才会受到很大的库仑斥力，发生大角度的偏转，产生散射.根据粒子散射实验的数据可估计出原子核直径的数量级为10-1410-15m，原子直径的数量级约为10-10m，可见整个原子是十分“空旷”的。【典型例题】图12-A-2(3)(1)(4)(2)例1：粒子散射实验中，图12-A-2所示的粒子的运动轨迹中不可能能存在的是（ ） （A）（l）； （B）（2）； （C）（3）； （D）（4）。分析与解 粒子是氦原子核，带正电，金核也带正电，因而它们间的库仑力是斥力。所以图12-A-2中的轨迹（2）和（3）是不可能的，故应选（B）、（C）。解题关键理解粒子散射的原因。 例2：下列叙述中，不属于卢瑟福原子核式结构学说内容的，或有错误的是（ ） （A）原子的全部正电荷集中在一个很小的核上。 （B）原子的全部质量集中在一个很小的核上。 （C）电子在核外绕核做圆周运动。 （D）电子运动的可能轨道对应一系列不连续的能量。分析与解 卢瑟福的原子核式结构学说解决了原子中正电荷的分布问题，（A）显然正确。负电荷的分布问题在核式结构学说中只提及电子在核外绕核运动，没有涉及可能轨道的问题，因而（D）是不属于卢瑟福原子核式结构学说内容的，（C）是正确的。又电子在核外，因而原子的质量只是几乎全部集中在核内，核外还有电子的质量，选项（B）是错误的，故应选（B）、（D）。解题关键 要全面、正确地理解卢瑟福的原子核式结构学说的内容。练习题1下列的说法正确的是（ ）（A）阴极射线管的阴极与电源的正极相连接；（B）阴极射线管的电源使用交流电；（C）阴极射线垂直电场方向进入电场后会发生偏转；（D）阴极射线是由带负电的电子组成的。2.卢瑟福提出原子的核式结构学说的根据是，在用粒子轰击金箔的实验中，发现粒子（ ）（A）全部穿过或发生很小的偏转；（B）绝大多数穿过，只有少数发生很大偏转，甚至极少数被弹回；（C）绝大多数发生很大的偏转，甚至被弹回，只有少数穿过；（D）全部发生很大的偏转。3. 根据卢瑟福的原子核式结构模型，下列说法正确的是（ ）（A）原子中的正电荷均匀分布在整个原子范围内。（B）原子中的质量均匀分布在整个原子范围内。（C）原子中的正电荷和质量都均匀分布在整个原子范围内。（D）原子中的正电荷和几乎全部质量都集中在很小的区域内。4卢瑟福对粒子散射实验的解释是（ ）（A）使粒子产生偏转的主要力是原子中电子对粒子的作用力；（B）使粒子产生偏转的力主要是库仑力；（C）原子核很小，粒子接近它的机会很少，所以绝大多数的粒子仍沿原来的方向前进；（D）能产生大角度偏转的粒子是穿过原子时离原子核近的粒子。5在粒子散射实验中，如果一个粒子跟金箔中的电子相撞，则（ ）（A）粒子的动能几乎没有损失； （B）粒子将损失大部分动能；（C）粒子不会发生显著的偏转； （D）粒子将发生较大角度的偏转。6在粒子散射实验中，当粒子最接近金核时（ ）（A）粒子动能最小； （B）粒子受到的库仑力最大；（C）粒子电势能最小； （D）粒子速度的变化率最小。图12-A-3（A）（B）（C）（D）7图12-A-3所示，各图表示卢瑟福粒子散射实验的原子核和两个粒子的径迹，其中可能正确的是（ ）8发现电子的科学家是_，他提出了_原子模型。9. 卢瑟福的原子核式结构模型的内容是 。10原子半径的数量级是 m，原子核半径的数量级是 m。B、物质的放射性及其应用【知识点1】知道、射线的本质和性质1、天然放射现象：放射性元素不断自发地放出射线的现象，这种射线来自于原子核，原子序数大于83的所有天然存在的元素都具有放射性；原子序数小于83的天然存在的元素也有一些具有放射性。天然放射现象是法国物理学家贝克勒尔首先发现的。2、三种射线：放射性物质天然衰变时放射出的射线有三种，即、射线，它们的本质和性质如表下所示。本质速度电量质量数穿透本领电离本领射线高速氦核流C/102e4u最弱最强射线高速电子流Ce0较强较弱射线高能光子流C00最强最弱表中所列穿透本领，射线的穿透本领很弱，在空气中只能前进几厘米，一张薄铝箔或一张薄纸就能挡住它。射线的贯穿本领较强，可以穿透几厘米的铝板；射线贯穿本领最强，能穿透几厘米的铅板。【知识点2】知道放射性元素的衰变和衰变及其衰变方程1、衰变:原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变。各种粒子的符号：粒子 He 粒子 e 正电子 e 质子 H 电子 e 中子n 氘核 H以上粒子符号中左下角的下标表示粒子电量数，左上角的上标表示粒子的质量数。2、原子核的衰变满足：电荷守恒；质量数守恒；能量守恒。3、在衰变中，其核反应方程是；4、在衰变中，其核反应式是:.5、辐射：原子核发生衰变和衰变时产生的新核有的具有过多的能量，这时它会辐射光子，射线是伴随射线和射线产生的。【知识点3】知道半衰期半衰期（T）：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间叫做半衰期；不同的放射性元素有不同的半衰期，甚至差别很大；半衰期的大小是由原子核内部因素决定的.跟这种元素所处的物理状态和化学状态无关。半衰期长短反映了放射性元素衰变的快慢。设衰变前的原子核数为N0，衰变后的原子核数为N，T为半衰期，t为衰变时间，则 N N0（1/2）【典型例题】例1：（1）铀238具有放射性，放出一个粒子变成什么，写出衰变方程（2）钍234具有放射性，放出一个粒子变成什么，写出衰变方程分析与解（1）铀238（）放出一个粒子变成钍234（），衰变方程是。（2）钍234（）放出一个粒子变成镤234（），衰变方程是例2：U（铀）衰变为Rn（氡），共发生了 次衰变， 次衰变。分析与解设共发生了x次衰变，y次衰变，则可写出其衰变的核反应方程式为 U RnxHeye根据质量数守恒和电荷数守恒，有： 2382224X 92862Xy 解得 x