高三物理粒子散射.docx

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高三物理粒子散射

粒子散射

一、教学目标

1．了解原子的核式结构．

2．培养学生通过现象认清本质的分析、推理能力．

3．了解原子学说的发展历史，认识α粒子散射实验的重大意义．

二、重点分析

卢瑟福的α粒子散射实验的现象和所说明的问题．

三、教具

1．了解α粒子散射实验．

放相机、彩色显示器、录相带．

2．分析实验现象．

α粒子散射实验挂图．

四、主要教学过程

（一）新课引入

很早以前人们就知道原子是组成物质的最小微粒，但是原子内部是怎样的结构呢？

1897年，汤姆生发现了电子，人们意识到原子并非是不可再分的．原子内除了电子外还应该有带正电的物质，它们是怎么构成原子的呢？

（二）教学过程设计

1．汤姆生的原子模型．

英国科学家汤姆生对阴极射线进行了一系列的实验研究，确定了阴极射线中粒子带负电，并计算出了它的荷质比e/m．通过进一步的研究发现它的电量跟氢离子的电量基本相同，质量比氢离子小得多．后来人们称之为电子．由此得出电子是原子的基本组成成分的结论．

简单介绍汤姆生提出的原子模型．明确：

汤姆生认为原子内正电荷均匀分布在其中，电子只是在振动，原子里是“实”的．

2．观看《我们的朋友——原子》录相带中有关α粒子散射实验部分．

边看录相边思考问题：

为什么α粒子大多数不偏转？

少数发生较大偏转？

极小数发生大角度偏转？

3．结合挂图归纳小结．

（1）大多数α粒子不偏转的原因是它们运动过程中没有受到阻碍，说明原子内几乎是“空”的．

（2）少数α粒子发生较大偏转，说明有带正电的物质对它们产生库仑斥力的作用．

（3）极少数α粒子发生大角度偏转，说明它们和某种物质发生了撞击，而且这种物质占据了很小的空间．

提出原子的核式结构学说：

卢瑟福于1911年提出关于原子的核式结构学说，他指出，在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转．

引导学生思考：

α粒子散射实验的结果中描述的“绝大多数”、“少数”和“极少数”α粒子的径迹对于卢瑟福提出原子的核式结构学说有什么意义？

简单介绍英国物理学家卢瑟福．

卢瑟福1871年出生于新西兰，小时候上学时学习很优秀，1892年从新西兰大学毕业后去了英国．后来在汤姆生门下当一名研究生，经汤姆生推荐到加拿大出任一所大学的物理教授．1919年卢瑟福接替他的老师汤姆生担任了英国剑桥大学卡文迪许实验室主任．由于他对原子物理学的突出贡献．被人们尊称为原子核物理之父，并且在1908年获得诺贝尔奖．

总结：

从汤姆生的原子模型到卢瑟福提出的核式结构学说，人们对于原子结构的研究取得了重大的进展．α粒子散射实验起了决定性的作用．这一结果又一次说明了物理学是以实验为基础发展起来的一门科学．当然科学理论的建立和完善往往要经过几代科学家的努力．原子的核式结构学说并非完美无缺，从经典物理的角度看，电子绕着原子核转，要不断向外界辐射能量，导致电子能量不断减少最终落入核内，这和原子的稳定性出现矛盾．可见人们对原子的认识理论还要进一步发展．

原子 原子核·玻尔假设·教案

一、教学目标

1．了解玻尔的三条假设．

和量子数n的关系．

3．了解玻尔理论的重要意义．

二、重点、难点分析

1．玻尔理论是本节课的重点内容，通过学习玻尔的三条假设使学生了解玻尔把原子结构的理论向前推进了一步．

2．电子在可能的轨道上的能量是指电子总的能量，即动能和电势能的和，这点学生容易产生误解；对原子发光现象的解释也是学生学习的难点．

三、主要教学过程

（一）新课引入

前一节提到卢瑟福的原子核式结构学说跟经典的电磁理论产生了矛盾，这说明了经典的电磁理论不适用于原子结构．那么怎么解释原子是稳定的？

又怎么解释原子发光的光谱不是连续光谱呢？

（二）教学过程设计

1．玻尔的原子模型．

（1）原子的稳定性．

经典的电磁理论认为电子绕原子核旋转，由于电子辐射能量，因此随着它的能量减少，电子运行的轨道半径也减小，最终要落入原子核中．

玻尔在1913年结合普朗克的量子理论针对这一问题提出新的观点．

玻尔假设一：

原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．这些状态叫做定态．

说明：

这一说法和事实是符合得很好的，电子并没有被库仑力吸引到核上，就像行星绕着太阳运动一样．这里所说的定态是指原子可能的一种能量状态，有某一数值的能量，这些能量包含了电子的动能和电势能的总和．

（2）原子发光的光谱．

经典的电磁理论认为电子绕核运行的轨道不断的变化，它向外辐射电磁波的频率应该等于绕核旋转的频率．因此原子辐射一切频率的电磁波，大量原子的发光光谱应该是连续光谱．

玻尔针对这一问题提出新的观点．

玻尔假设二：

原子从一种定态（E初）跃迁到另一种定态（E终）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即

hυ=E初-E终．

说明：

这一说法也和事实符合得很好，原子发光的光谱是由一些不连续的亮线组成的明线光谱．

（3）原子能量状态和电子轨道．

玻尔假设三：

原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的．

2．氢原子的轨道半径和能量．

玻尔从上述假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量．

根据计算结果概括为公式：

说明公式中r1、E1和rn、En的意义，并说明n是正整数，叫做量子数，r1=0.53×10-10m，E1=-13.6eV．

n=2，3，4…时，相应的能量为

E2=-3.4eV、E3=-1.51eV、E4=-0.85eV…

E∞=0．

3．氢原子的能级．

氢原子的各种定态时的能量值叫做能极，根据以上的计算，可画出示意的能级图．

原子最低能级所对应的状态叫做基态，比基态能量高的状态叫激发态．

原子从基态向激发态跃迁，电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加要吸收能量．

原子也可以从激发态向基态跃迁，电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出．

明确：

原子的能量增加是因为电子增加的电势能大于电子减少的动能；反之原子的能量减少是因为电子减少的电势能大于电子增加的动能．

原子无论吸收能量还是辐射能量，这个能量不是任意的，而是等于原子发生跃迁的两个能级间的能量差．

明确：

一个原子可以有许多不同的能量状态和相应的能级，但在某一时刻，一个原子不可能既处于这一状态也处于那一状态．如果有大量的原子，它们之中有的处于这一状态，有的处于那一状态．氢光谱的观测就说明了这一事实，它的光谱线不是一个氢原子发出的，而是不同的氢原子从不同的能级跃迁到另一些不同能级的结果．

例1 氢原子的基态能量为E1，电子轨道半径为r1，电子质量为m，电量大小为e．氢原子中电子在n=3的定态轨道上运动时的速率为v3，氢原子从n=3的定态跃迁到n=1的基态过程中辐射光子的波长为λ，则以下结果正确的是                                                                                                   [   ]．

C．电子的电势能和动能都要减小

D．电子的电势能减小，电子的动能增大

分析：

玻尔理论虽然解决了一些经典电磁学说遇到的困难，但在玻尔的原子模型中仍然认为原子中有一很小的原子核，电子在核外绕核做匀速圆周运动，电子受到的库仑力作向心力．

根据玻尔理论rn=n2r1即r3=9r1．

氢原子从n=3跃迁到n=1，电子受到的库仑力做正功，电势能减小；

越大，所以D正确，C错误．

例2 有大量的氢原子，吸收某种频率的光子后从基态跃迁到n=3的激发态，已知氢原子处于基态时的能量为E1，则吸收光子的频率υ=_______，当这些处于激发态的氢原子向低能态跃迁发光时，可发出_______条谱线，辐射光子的能量为____．

分析：

根据玻尔的第二条假设，当原子从基态跃迁到n=3的激发态

当原子从n=3的激发态向低能态跃迁时，由于是大量的原子，可能的跃迁有多种，如从n=3到n=1，从n=3到n=2，再从n=2到n=1，因

本节总结：

玻尔的原子模型是把卢瑟福的学说和量子理论结合，以原子的稳定性和原子的明线光谱作为实验基础而提出的．认识玻尔理论的关键是从“不连续”的观点理解电子的可能轨道和能量状态．玻尔理论对氢光谱的解释是成功的，但对其他光谱的解释就出现了较大的困难，显然玻尔理论有一定的局限性．

 原子 原子核·天然放射性·教案

一、教学目标

1．在物理知识方面的要求．

（1）理解什么是“天然放射现象”，掌握天然放射线的性质；

（2）掌握原子核衰变规律，理解半衰期概念；

（3）结合天然放射线的探测问题，提高学生综合运用物理知识的能力．

2．在复习过程中，适当介绍天然放射性的发现过程，以及有关科学家的事绩，对学生进行科学道德与唯物史观的教育．

二、重点、难点分析

1．重点．

（1）衰变规律；

（2）用电场和磁场探测天然射线的基本方法．

2．难点：

用力学和电学知识如何分析天然射线的性质．

三、主要教学过程

（一）引入新课

回顾法国物理学家贝克勒耳发现天然放射现象的经历，以及贝克勒耳为了试验放射线的性质，用试管装入含铀矿物插在上衣口袋中被射线灼伤、早期核物理学家多死于白血病（放射病）的故事．

（二）教学过程设计

天然放射性．

1．天然放射现象：

某种物质自发地放射出看不见的射线的现象．

2．原子核的衰变：

某种元素原子核自发地放出射线粒子后，转变成新的元素原子核的现象．

3．天然放射线的性质．（见下页表）

说明电离本领和贯穿本领之间的关系：

α粒子是氦原子核，所以有很强的夺取其它原子的核外电子的能力，但以损失动能为代价换得原子电离，所以电离能力最强的α粒子，贯穿本领最弱；而γ光子不带电，只有激发核外电子跃迁时才会将原子电离，所以电离能力最弱而贯穿本领最强．

名称

构成

电量（e）

质量（u）

射出速度

电离能力

贯穿本领

α

氦核

+2

4

0.1c

最强

最弱

β

电子

-1

0.9c

较强

较强

γ

光子

0

0

c

最弱

最强

4．衰变规律．

（1）遵从规律：

质量数守恒（说明与“质量守恒定律”之区别）；

电荷数守恒；

动量守恒；

能量守恒．

说明：

γ衰变是原子核受激发产生的，一般是伴随α衰变或β衰变进行的，即衰变模式是：

α+γ，β+γ，没有α+β+γ这种模式！

（3）半衰期：

放射性原子核衰变掉一半所用时间．

说明：

某种原子核的半衰期与物理环境和化学环境无关，是核素自身性质的反映．

例1平衡下列衰变方程：

分析：

因为α衰变改变原子核的质量数而β衰变不能，所以应先从判断α衰变次数入手：

每经过1次α衰变，原子核失去2个基本电荷，那么，钍核经过6次α衰变后剩余的电荷数与铅核实际的电荷数之差，决定了β衰变次数：

答案：

6，4．

中放出的能量都转化为α粒子和氧核的动能．

（1）α粒子与氡核的动能之比；

（2）若α粒子与氡核的运动方向与匀强磁场的磁感线垂直，画出轨迹示意图，并计算轨道半径之比．

解：

（1）衰变时动量守恒：

0=mαvα+MRnVRn，

（2）若它们在匀强磁场中，运动方向与磁感线垂直，轨道半径

但衰变时射出的α粒子与反冲核（Rn）都带正电荷，且动量大小相等，则它们在匀强磁场做圆周运动的