对粒子散射实验的探讨

1对α粒子散射实验的探讨山东泰安许其宝一、关于α粒子α粒子是从放射性物质（如铀和镭）中发射出来的粒子，带两个单位正电荷，质量为氢原子的4倍实际是氦原子核，射出时的速度的为光速的1/10，α粒子的电离作用很强，因此在空气中只能前进几厘米。另外，由于α粒子射出速度大，具有足够的能量，α粒子还能使荧光物质发光。二、为什么用α粒子散射实验研究原子结构原子结构无法直接观察到，要用高速离子进行轰击，根据粒子的散射情况分析判断原子的结构，而α粒子有足够能量，可以穿过原子，并且利用荧光作用可观察α粒子的散射情况，所以选取α粒子进行散射实验。三、为什么α粒子散射实验用金箔？其它金属能行吗？要准确了解α粒子与靶原子间的单个原子作用，应把靶做得越弱越好，否则，将多次碰撞将掩盖单次作用产生的现象。而金的优点是：延展性好，易被拉成薄片，还有其原子序数大，α粒子与金核间的库仑力大，发生偏转时明显，所以选金做α粒子散射实验。除金外，还可以用银、铂等重金属，但不能用铝等轻金属。四、还应注意的是α粒子散射实验的装置一定要抽成真空，原因主要是由于α粒子的电离作用，若在空气中由于电离α粒子只能前进几厘米。五、关于α粒子散射的实验结论与核式结构模型。1、绝大多数α粒子没有明显偏转，说明原子内部绝大部分是空的，原因是金箔厚度大约1μm，金原子直径大约3×10－10m，相当于三千多金原子的厚度，而绝大多数α粒子不偏转说明这些α粒子受金原子的作用力很小，故金原子内部绝大部分是空的。2、极少数α粒子发生大角度偏转，有的甚至偏转角达180°。说明带正电的物质集中在体积很小的范围内，叫原子核。因为电子质量是α粒子质量的1/7300倍，对α粒子的偏转几乎没有影响，与电子正碰也不会被反弹，只能是带正电的物质对极少数α粒子的影响，发生反弹的是α粒子与正电物质的正碰，故带正电物质体积很小，称为原子核。原子核式结构模型与地球卫星山东泰安田伟卢瑟福核式结构模型是研究了α粒子散射实验的结论，结合行星绕太阳运转的规律提出的，玻尔在原子核式结构的基础上提出了三个基本假设，即玻尔理论，建立了玻尔原子模型，在学习中可以把原子模型和行星绕太阳运转，卫星绕地球运转结合起来，找到它们的异同，从而起到加深理解、促进记忆的作用。相似之处：1、卫星绕地球运转轨道一般可看成圆，万有引力提供向心力，即22GMmvmrr氢原子中电子绕核做圆周运动向心力为库仑力。即222evkmrr22、做圆周运动的线速度，角速度等物理量随半径的变化规律相似。卫星线速度GMvr角速度ω=3GMr电子绕核线速度2kevmr角速度ω=23kemr随r的增大，它们的线速度、角速度均减小。3、卫星，电子做圆周运动时，动能、势能、总能量随半径变化的规律相似。半径越大，卫星动能越小，重力势能越大，总能量越大。半径越大，电子动能越小，电势能越大，总能量越大。不同之处：①研究卫星时往往是地面为零势能面，卫星重力势能为正值；研究电子绕核运转时往往选无限远处为零电势能面，电子的电势能为负值。②卫星的轨道半径没有限制，可以连续变化，而由玻尔理论可知，电子绕核运转的轨道半径是不连续的。谈氢原子的能级跃迁山东泰安毛慧颍根据玻尔理论，原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态，要辐射或吸收一定频率的光子，光子的频率符合hv=E2－E1，h为普郎克恒量，E2、E1分别为两能级对应的能量，对这一知识点清常见的考题有两类。1、氢原子从高能级向低能级跃迁问题，氢原子从第n能级向低能级跃迁时，发出不同频率光子的可能数为。例1、有一群氢原子处于n=3的激发态，那么这些氢原子发生跃迁时最多能辐射条光谱线，其中频率最低的光波长为m。解析：光谱线条数为N=1n(n1)2，取n=3得N=3条，频率最低的是由n=3跃迁到n=2发出的光，由hv=E3－E2得v=112232EEEE32hh将E1=－13.6ev=－13.6×1.6×10－19Jh=6.6×10－34代入上式得v=0.45×1015Hzλ=cv=6.5×10－7m答案：3条；6.5×10-7m点拨：本题为一群氢原子，若为一个氢原子，光谱线最多的条数将为N=2，因为一氢原子或者从n=3的能量状态直接跃到n=1的能量状态，只能发出一种频率的光子；或者从n=3跃到n=2的能量状态，再由n=2的能量状态跃到n=1的能量状态，发出两种频率的光子。两种情况不可同时发生，故光谱条数最多为2条。例2：现有1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是多少（假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的1n1）A、2200B、2000C、1200D、24003解析：解答本题的关键是要理解透题意中的“假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的11n”这一叙述的含意，这一叙述表明：在现有的1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，而这1200个氢原子受激跃迁到新的能级后，最后都回到基态，这些受激氢原子跃迁到较低能级的原子数不尽相同，当氢原子核外电子从量子数为4的能级跃迁到量子数为1的能级上从而发射出141×1200=400个光子，当氢原子核外电子从量子数为4的能级跃迁到量子数为2的能级上从而发射出141×1200=400个光子，处在量子数为2的氢原子核外电子仍处于激发态，当氢原子核外电子从量子数为2的能级跃迁到量子数为1的能级上从而发射出121×400=400个光子，当氢原子核外电子从量子数为4的能级跃迁到量子数为3的能级上从而发射出141×1200=400个光子，处在量子数为3的氢原子核外电子仍处于激发态，当处在量子数为3的氢原子核外电子跃迁到量子数为2的能级上从而发射出131×400=200个光子，处在量子数为2的氢原子核外电子仍处于激发态，当处在量子数为2的氢原子核外电子跃迁到量子数为1的能级上从而发射出121×200=200个光子，处在量子数为3的氢原子核外电子还可直接跃迁到量子数为1的能级上从而发射出131×400=200个光子，故在此过程中发出的光子总数为N=400+400+400+400+200+200+200=2200个光子，其能级跃迁分布示意图如图1所示。点拨：本题的极易误选D选项，平时教学与复习备考中只涉及到单个氢原子的核外电子从某一激发态跃迁到基态过程中可能出现几种不同频率的光子，而未涉及处于不同能级上的氢原子数的不同，受激后跃迁的氢原子数也不同，错误地认为每一个氢原子可产生6种不同频率的光子，并都是从量子数为4的能级上跃迁的，然后套用（11n×1200）×6=2400个光子，造成这一错误的原因主要是没有仔细审题，读懂题意，不善于根据不同条件和不同物理场景下将所学物理知识进行迁移和灵活运用，归根结底还是个能力问题。2、氢原子由低能级向高能级跃迁问题此类问题可分为三种情况①光子照射氢原子，当光子的能量小于电离能时，只能满足光子的能量为两定态间能级差时才能被吸收。②光子照射氢原子，当光子的能量大于电离能时，任何能量的光子都能被吸收，吸收的能量一部分用来使电子电离，另一部分可用来增加电子离开核的吸引后的动能。③当粒子与原子碰撞（如电子与氢原子碰撞）时，由于实物的动能可全部或部分被氢原子吸收，故只要入射粒子的动能大于或等于原子两能级的能量差，就可以使原子受激发而向高能级跃迁。例3：(2004北京卷17题)氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子。已知基态的氦离子能量为E1=－54.4eV，氦离子能级的示意图如图所示。在具有下列能量的光子中，不能．．被基态氦离子吸收而发生跃迁的12344004004004002002002001200图1E1E2E2E4E∞-54.3eV-13.6eV-6.0eV-3.4eV04是：A．40.8eVB．43.2eVC．51.0eVD．54.4eV[分析]由玻耳理论可知，氢原子从一个能级跃迁到能级的过程中，只能吸收或放出一个一定频率的光子，这个光子的能量等于氢原子的两个能级差。类氢结构的氦离子吸收或放出光子规律和氢原子相同，通过计算可知，-13.6eV-（-54.4eV）=40.8eV，-3.4eV--54.4eV=51.0eV而吸收-54.4eV的光子后，氦离子外的电子被电离。43.2eV的光子与任何能级差都不相等。故选B。但如果选项中的能量来源不仅仅是光子，而是有可能从外面的电子处获得的话，结果就大不相同了。这时需要我们对原子跃迁问题有一个深刻的认识，即原子的核外电子获得能量后从低能级跃迁到高能级。例4：氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子的能级示意图如图所示（与上图同）。在具有下列能量的光子或者电子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是（）A、42.8ev（光子）B、43.2eV(电子)C、41.0eV(电子)D、54.4eV(光子)解析：由例3的分析可以知道：B、43.2eV(电子)、C、41.0eV(电子)选项中电子的动能大于E1、E2间的差值40.8eV，故可以被吸收，D使该氦离子电离，而选项A则不可。选A。总结：光子照射氢原子，光子能量小于电离能时，只能吸收刚好是原子两能级差的能量的光子；光子能量大于或等于电离能时，不管多大能量的光子都能吸收。2、电子（或其他粒子）碰撞氢原子时，其动能不一定全部转移给氢原子，因此只要其动能大于或等于氢原子两能级能量差，就可以使氢原子发生跃迁。原子物理与其他知识相结合的综合问题山东泰安宁衍庆从近几年高考理综试题来看，原子物理越来越受到高考命题者的青睐，成为高考命题热点，其原因是它与现代高科技有密切联系，它与高中物理的其他知识点又能有机的结合起来。在学习中又要注重原子结构知识点的学习，又要加强与其他知识相结合的综合性问题的学习。一、原子物理与电场知识的结合例1（2005年江苏物理卷）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（）A、动能先增加，后减少B、电势能先减少，后增加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：α粒子从a运动到b，受到排斥力作用，电场力做负功，动能减少，电势能增大；α粒子从b再运动到c，电场力做正功，动能增加，电势能减少；到达c点时，由于a、c在同一等势面上，所以从a到c总功为零，故A、B错，C对α粒子从a到b，场强增大，加速度增大；从b到c，场强减小，加速度较小，故D错。点拨：本题涉及到电场力做功、动能、电势能、加速度等知识点，考查学生运用所学知识综合解决问题的能力。二、原子物理，与光电效应的结合例2：（2005年全国理综II卷）右图中画出了氢原子的4个能级，并注明了相应的能量E。处5在n=4的能级的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发生若干种不同频率的光波。已知金属钾的逸出功为2.22eV。在这些光波中，能够从金属钾的表面打出光电子的总共有（）A、二种B、三种C、四种D、五种解析：能够从金属钾表面打出光电子的光子的能量必大于金属钾的逸出功2.22eV，从n=4能级向低能级跃迁的氢原子能够发出6种不同频率的光子，其中从n=4能级跃迁到n=3能级和从n=3跃迁到n=2能级时放出的光子的能量小于2.22eV，不能从钾表面打出光电子，所以答案为C。点拨：本题涉及了氢原子的能量、光子的发射和吸收、光电效应综合知识点，对多个知识点的联合考查，培养学生综合分析问题的能力。三、原子物理与动量守恒、圆周运动、能量的结合例3：（2004年江苏物理卷）若原子的某内层电子被电离形成空位，其它层的电子跃迁到该空位上时，会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出去，此电磁辐射就是原子的特征X射线。内层空位的产生有多种机制，其中的一种称为内转换，即原子中处于激发态的核跃迁回基态时，将跃迁时释放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位（被电离的电子称为内转换电子）。214P0的原子