对α粒子散射实验的探讨(物理论文)

1、对粒子散射实验的探讨一、关于粒子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，粒子的电离作用很强，因此在空气中只能前进几厘米。另外，由于粒子射出速度大，具有足够的能量，粒子还能使荧光物质发光。二、为什么用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，而粒子有足够能量，可以穿过原子，并且利用荧光作用可观察粒子的散射情况，所以选取粒子进行散射实验。三、为什么粒子散射实验用金箔？其它金属能行吗？要准确了解粒子与靶原子间的单个原子作用，应把靶做得越弱越好，

2、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，粒子与金核间的库仑力大，发生偏转时明显，所以选金做粒子散射实验。除金外，还可以用银、铂等重金属，但不能用铝等轻金属。四、还应注意的是粒子散射实验的装置一定要抽成真空，原因主要是由于粒子的电离作用，若在空气中由于电离粒子只能前进几厘米。五、关于粒子散射的实验结论与核式结构模型。1、 绝大多数粒子没有明显偏转，说明原子内部绝大部分是空的，原因是金箔厚度大约1m，金原子直径大约31010m，相当于三千多金原子的厚度，而绝大多数粒子不偏转说明这些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、

3、极少数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。因为电子质量是粒子质量的1/7300倍，对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粒子的影响，发生反弹的是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

4、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，即氢原子中电子绕核做圆周运动向心力为库仑力。即2、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 角速度 =电子绕核线速度 角速度=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：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。卫星的轨道半径没有限制，可以连续变化，而由玻

5、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=e2e1，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=，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=e3e2得v=将e1= 1

6、3.6ev =13.61.61019j h=6.61034 代入上式得v=0.451015hz =6.5107m答案：3条；6.510-7m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

7、级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的）a、2200 b、2000 c、1200 d、240012344004004004002002002001200图 1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”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1200 = 400个光子，当氢原子核外电子从量

8、子数为4的能级跃迁到量子数为2的能级上从而发射出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200 = 200个光子，处在量子数为3的

9、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（1200）6 = 2400个光子，造成这一错

10、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。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。e1e2e2e4e-54.3ev-13.6ev-6.0ev-3.4ev0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

11、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是：a40.8ev b43.2ev c51.0ev d54.4ev 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=

12、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

13、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

14、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，实线表示一个粒子的运动轨迹。在粒子从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：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；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

15、在同一等势面上，所以从a到c总功为零，故a、b错，c对粒子从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n e/ev4 -0.853 -1.512 -3.40

16、1 -13.60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

17、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的原子核从某一激发态回到基态时，可将能量e0=1.1416mev交给内层电子（如k、l、m层电子，k、l、m标记原子中最靠近核的三个电子层）使其电离，实验测得从214p0原子的k、l、m层电离出的电子的动能分别为ek=1.323mev、el=1.399mev、em=1.412mev。则可发射出特征射线的能量为（ ）a、0.013mev b、0.017mev c、0.076mev d、0.093

18、mev解析：本题提供了原子的特征x射线的产生机理，学生阅读题干知识后可将本题提炼为（1）214po的原子核回到基态时，将能量e0=1.416mev交给内层的k、l、m层电子；（2）k、l、m层上的电子获得能量e0=1.416mev后电离，产生内层空位；（3）m层的电子跃迁到l或k的空位上，或者l层的电子跃迁到k的空位上，同时发射出x的特征射线。由能量守恒定律得，214po原子k、l、m层电子所具有的能量分别为，l、m层的电子都有可能跃迁到该空位上，而多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，可能发射的原子特征的射线的能量为el-ek=0.076mev，em-ek=0.089mev；当l层的电子被电离

19、产生空位时，m层的电子有可能跃迁的该空位上，而多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，可能发射的原子特征射线的能量为em-el=0.013mev。故项a、c都正确。点拨：该题所述的通过“内转换”的方式辐射出原子特征射线这一全新的物理情景不是课本所学内容，但考生如果能在弄懂题意的基础上，正确地建立物理模型，将所学的能量守恒定律和玻尔原子结构理论迁移过来，问题就会迎刃而解。例4、（2002年高考题）要使一个中性锂原子最外层的电子脱离锂原子所需的能量是5.39ev，要使一个中性氟原子结合一个电子形成一个氟离子所放出的能量是3.5lev，则将一个电子从锂原子转移到氟原子所须提供的能量为_。解析：根据玻尔理

20、论和能量守恒知，将一个电子从锂原子转移到氟原子所须提供的能为5.39ev3.51ev=1.99ev。【说明】要善于从能量转化和守恒的角度去分析、解决物理问题，要养成良好的学习物理的习惯，要善于用物理思维来思考物理问题。例5、氢原子放出一个光子后，根据玻尔理论，氢原子的（ ）a、 核外电子的电势能增大 b、核外电子的动能增大c、 外电子的旋转周期将增加 d、氢原子能量将增大解析：电子辐射光子后，进入低能级轨道，半径r减小。由k可知r，v，核外电子动能变大。b选项正确，a、d选项不正确，又周期t=,因为r，v,故t，故c选项错误。所以本例的正确答案为b。【说明】玻尔的原子模型在解释氢原子光谱上获得

21、了成功，但用来解释比较复杂的原子光谱时却碰到很大的困难，理论推导出来的结论跟实验事实出入很大，玻尔理论的成功之处在于它引入了量子观念，失败之处在于它保留了过多的经典物理理论。例6、1914年，弗兰克和赫兹在实验中用电子碰撞静止的原子方法，使电子从基态跃迁到激发态，证明了玻尔提出的原子能级存在的假设，设电子的质量为m,原子质量为m，基态和激发的能量差为e，试求入射电子的最小初动能。解析：电子和原子作用过程无外力作用，因此，二者构成的系统动量守恒、能量守恒。设电子在作用前后的速度分别为v1和v2,原子受碰后速率为v,则有得有实数解，必有0，即0【说明】 动量守恒定律在微观领域里仍然可使用；能量转化

22、和守恒定律更是普遍适用的规律。原子结构测试题（分，分钟） 山东泰安吕正贵一、本题共10小题，每小题4分，共40分。在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确。全部选对的得4分，选不全的得2分，有选错或不答的得0分1、卢瑟福的原子核式结构学说可以解决的问题是 （ ab ） a解释 粒子散射现象 b用 粒子散射的实验数据估算原子核的大小 c结合经典电磁理论，解释原子的稳定性 d结合经典电磁理论，解释氢原子光谱2、关于玻尔的原子模型，下述说法中正确的有（bd ） a它彻底否定了经典的电磁理论 b它发展了卢瑟福的核式结构学说 c它完全抛弃了经典的电磁理论 d它引入了普朗

23、克的量子观念3、(06沪九校)、右图为卢瑟福和他的同事们做a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，下述说法中正确的是（abd） 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4、原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子例如在某种条件下，铬原子的n = 2能级上的电子跃迁到n = 1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n = 4能级上的电子，使之能脱离原子，这一

24、现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化表示为 ，式中n=l，2，3， 表示不同能级，a是正的已知常数，上述俄歇电子的动能是 ( c )a b c d5、a光经过某干涉仪形成的光的干涉图样如图甲所示，若只将a光换成b光照射同一干涉仪，形成的光的干涉图样如图乙所示.则下述正确的是：（bd）甲乙aa光光子的能量较大b在水中a光传播的速度较大 c若用a光照射某金属时不能发生光电 效应，则用b 光照射该金属时也不能发生 光电效应d若a光是氢原子从n3的能级向n2的能级跃迁时产生的，则b光可能是氢原子从n4的能级向n2的能级跃迁时产生的6、（06广州1）氢原子

25、能级如图所示，一群原处于n4 能级的 氢原子回到n 1的状态过程中（bc）a放出三种频率不同的光子b放出六种频率不同的光子c放出的光子的最大能量为其12 . 75ev ，最小能量是0.66ev d放出的光能够使逸出功为13 . 0ev的金属发生光电效应7、根据玻尔理论，在氢原子中，量子数n越大，则 （ c ）a电子轨道半径越小 b。核外电子运动速度越大c原子能量越大 d。电势能越小8、氢原子从第2能级跃迁到第1能级过程中的能量变化，有下列说法：电子的动能一定增大；原子系统的电势能一定减小；电子动能的增加量一定等于系统电势能的减少量；电子动能的增加量一定小于系统电势能的减少量。以上说法中正确的有

26、（d） a只有 b。只有 c。只有 d。只有二、填空题(本题有6小题每小题4分。共24分)9、氢原子从第3能级跃迁到第2能级时辐射出的光子的波长是_nm，这种光子属于_ 光。（已知氢原子的基态能级为-13.6ev） 10、原子从a能级状态跃迁到b能级状态时发射波长为1的光子；原子从b能级状态跃迁到c能级状态时吸收波长为2的光子，已知12那么原子从a能级状态跃迁到c能级状态时将要_（填“吸收”或“辐射”）波长为_的光子11、一群处于量子数n = 3的激发态氢原子向低能级跃迁时，可能发出的光谱线条数是_。 12、已知氢原子基态能量为-13.6ev，第二能级e2 = -3.4ev ，如果氢原子吸收_

27、ev能量，可由基态跃迁到第二能级。如果再吸收1.89ev能量，还可由第二能级跃迁到第三能级，则氢原子的第三能级e3 =_ev。13、如图给出了氢原子的四个能级、大量氢原子在这些能级之间跃迁 所辐射的光子的频率最多有 种，其中能量最高的光子能 量为ev 14、右图是原子的核式结构模型。下面平面示意图中的四条线表示粒子运动的可能轨迹，在图中完成中间两条粒子的运动轨迹。 三、本题共4小题，36分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案的不能得分。有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位。15（8分）氢原子处于基态时，原子能量e1= -13.6ev，已知电子电量e =1.6

28、10-19c，电子质量m=0.9110-30kg，氢的核外电子的第一条可能轨道的半径为r1=0.5310-10m.（1）若要使处于n=2的氢原子电离，至少要用频率多大的电磁波照射氢原子？（2）氢原子核外电子的绕核运动可等效为一环形电流，则氢原子处于n=2的激发态时，核外电子运动的等效电流多大？（3）若已知钠的极限频率为6.001014hz，今用一群处于n=4的激发态的氢原子发射的光谱照射钠，试通过计算说明有几条谱线可使钠发生光电效应？gavpe rsnmbar016（8分）、如图所示是测定光电效应产生的光电子比荷的简要实验原理图，两块平行板相距为d，其中n为金属板，受紫外线照射后，将发射沿不同

29、方向运动的光电子，形成电流，从而引起电流计g的指针偏转，若调节r0逐渐增大极板间电压，可以发现电流逐渐减小，当电压表示数为u时，电流恰好为零。切断开关，在mn间加垂直于纸面的匀强磁场，逐渐增大磁感强度，也能使电流为零，当磁感强度为b时，电流恰为零。试求光电子的比荷em。（）gbakrr0peod17、（10分）氢原子从3.4ev的能级跃迁到0.85ev的能级时，是发射还是吸收光子？这种光子的波长是多少（计算结果取一位有效数字）？图中光电管用金属材料铯制成，电路中定值电阻r00.75，电源电动势e1.5v，内阻r0.25，图中电路在d点交叉，但不相连r为变阻器，o是变阻器的中间抽头，位于变阻器的

30、正中央，p为滑动端从变阻器的两端点ab可测得其总阻值为14当用上述氢原子两能级间跃迁而发射出来的光照射图中的光电管，欲使电流计g中电流为零，变阻器ap间阻值应为多大？已知普朗克常量h6.631034js，金属铯的逸出功为1.9ev18、（10分）汤姆生用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示，真空管内的阴极k发出的电子(不计初速、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后，穿过a中心的小孔沿中心轴o1o的方向进入到两块水平正对放置的平行极板p和p间的区域当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心o点处，形成了一个亮点；加上偏转电压u后，亮点偏离到o点，(o与o点的竖直间距为d，水平间距可忽略不计此时，在p和p间的区域，再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为b时，亮点重新回到o点已知极板水平方向的长度为l1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为l2 (如图所示) (1)求打在荧光屏o点的电子速度的大小。(2)推导出电子的比