学年高中物理第十八章原子结构第2节原子的核式结构模型教学案新人教版选修35.docx

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学年高中物理第十八章原子结构第2节原子的核式结构模型教学案新人教版选修35

第2节原子的核式结构模型

1．α粒子散射实验结果：

绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°。

2．原子结构模型：

在原子的中心有一个很小的核叫原子核，原子的所有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里绕核旋转。

3．原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子核中的质子数。

4．原子半径的数量级为10－10m，原子核半径的数量级为10－15m。

一、汤姆孙的原子模型

汤姆孙于1898年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌在球中。

图1821

汤姆孙的原子模型，小圆点代表正电荷，大圆点代表电子。

汤姆孙的原子模型被称为西瓜模型或枣糕模型，该模型能解释一些实验现象，但后来被α粒子散射实验否定了。

二、α粒子散射实验

1．α粒子

α粒子是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，含有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍。

2．实验方法

用α粒子源发射的α粒子束轰击金箔，用带有荧光屏的放大镜，在水平面内不同方向对散射的α粒子进行观察，根据散射到各方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中正、负电荷的分布情况。

3．实验装置

图1822

4．实验现象

（1）绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进。

（2）少数α粒子发生了大角度偏转；偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”。

5．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。

三、卢瑟福的核式结构模型

1．核式结构模型：

1911年由卢瑟福提出，原子中带正电的部分体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。

2．原子核的电荷与尺度

1．自主思考——判一判

（1）汤姆孙的枣糕式模型认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内。

（√）

（2）α粒子带有一个单位的正电荷，质量为氢原子质量的2倍。

（×）

（3）α粒子实验证实了汤姆孙的枣糕式原子模型。

（×）

（4）卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面运动。

（√）

（5）原子核的电荷数等于核中的中子数。

（×）

（6）对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷。

（√）

2．合作探究——议一议

由原子的半径和原子核的半径数值可推知，原子核体积只占原子体积的

，其空旷程度可想而知。

据此，你能否说明产生α粒子散射现象的原因？

可得到怎样的启示？

提示：

由于α粒子的质量远大于电子质量，电子不可能使其发生大角度偏转，产生大角度偏转的原因应该是原子核，由于原子核非常小，入射的α粒子绝大多数距原子核很远。

只有极少数α粒子靠近原子核，由于其库仑斥力而使α粒子发生大角度偏转。

由α粒子散射现象可知，原子核非常小；能够使α粒子发生大角度偏转，说明原子核聚集了原子的绝大部分质量且带正电。

对α粒子散射实验现象的分析

1．实验背景

α粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。

在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型。

2．否定汤姆孙的原子结构模型

（1）质量远小于原子的电子，对α粒子的运动影响完全可以忽略，不应该发生大角度偏转。

（2）α粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对α粒子运动方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转。

（3）α粒子的大角度偏转，否定汤姆孙的原子结构模型。

3．大角度偏转的实验现象分析

（1）由于电子质量远小于α粒子质量，所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转。

（2）使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分。

按照汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分抵消，因而也不可能使α粒子发生大角度偏转，更不能使α粒子反向弹回，这与α粒子散射实验相矛盾。

（3）实验现象表明原子绝大部分是空的，原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则，α粒子大角度散射是不可能的。

4．原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释

（1）当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小。

因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转。

（2）只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，发生大角度偏转，而这种机会很少，

图1823

所以有少数粒子发生了大角度偏转。

（3）如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图1823所示，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°。

1．α粒子散射实验中，使α粒子散射的原因是（　　）

A．α粒子与原子核外电子碰撞

B．α粒子与原子核发生接触碰撞

C．α粒子发生明显衍射

D．α粒子与原子核的库仑斥力作用

解析：

选D　α粒子与原子核外电子的作用是很微弱的。

由于原子核的质量和电荷量很大，α粒子与原子核很近时，库仑斥力很强，足可以使α粒子发生大角度偏转甚至反向弹回，使α粒子散射的原因是库仑斥力。

选项D对。

2.如图1824所示是α粒子（氦原子核）被重金属原子核散射的运动轨迹，M、N、P、Q是轨迹上的四点，在散射过程中可以认为重金属原子核静止。

图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是（　　）

图1824

A．M点　　　　　　　　B．N点

C．P点D．Q点

解析：

选C　α粒子（氦原子核）和重金属原子核都带正电，互相排斥，加速度方向与α粒子所受斥力方向相同。

带电粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向曲线的凹侧，故只有选项C正确。

3．（多选）如图1825所示为卢瑟福和他的学生们做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的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下列说法中正确的是（　　）

图1825

A．相同的时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多

B．相同的时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数只比放在A位置时稍少些

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

解析：

选AD　由α粒子散射实验的结论：

绝大多数α粒子仍沿原方向运动，少数α粒子运动方向发生改变，极少数α粒子运动方向发生大角度的偏转，甚至是180°。

由A、B、C、D的位置可知绝大多数α粒子打到A位置的荧光屏上，少数α粒子打到B位置的荧光屏上，而极少数α粒子能打到C、D位置的荧光屏上，故选项A、D正确。

原子的核式结构模型与原子核的组成

1．原子的核式结构与原子的枣糕模型的对比：

核式结构

枣糕模型

原子内部是非常空旷的，正电荷集中在一个很小的核里

原子是充满了正电荷的球体

电子绕核高速旋转

电子均匀嵌在原子球体内

2．原子内的电荷关系：

原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近原子序数。

3．原子核的组成：

原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子核的质子数。

4．原子核的大小：

原子的半径数量级为10－10m，原子核半径的数量级为10－15m，原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一，体积只相当于原子体积的10－15。

[典例]　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。

现在一个α粒子以×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×10－27kg）。

[思路点拨]

（1）α粒子的运动方向沿α粒子和金原子核的连线。

（2）当α粒子的动能减为零时，电势能最大，离原子核最近。

（3）原子核的大小应比最近距离小一些。

[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，所以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

，则d＝

＝

m＝×10－14m。

[答案]　×10－14m

解答原子结构问题的三大规律

（1）库仑定律：

F＝k

，可以用来确定电子和原子核、α粒子和原子核间的相互作用力。

（2）牛顿运动定律和圆周运动规律，可以用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题。

（3）功能关系：

可以分析由于库仑力做功引起的带电粒子在原子核周围运动时动能、电势能之间的转化问题。

1．（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．原子的中心有个核，叫作原子核

C．原子的正电荷均匀分布在整个原子中

D．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旋转

解析：

选BD　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。

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，B正确，C错误。

原子核集中了原子全部正电荷和几乎全部质量，带负电的电子在核外旋转，D正确。

2．关于α粒子散射实验（　　）

A．绝大多数α粒子经过金箔后，发生了角度不太大的偏转

B．α粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少

C．α粒子离开原子核的过程中，动能增加，电势能也增加

D．对α粒子散射实验的数据进行分析，可以估算出原子核的大小

解析：

选D　由于原子核很小，α粒子十分接近它的机会很少，所以绝大多数α粒子基本上仍沿原方向前进。

只有极少数发生大角度的偏转，从α粒子的散射实验的数据可以估算出原子核直径的大小约为10－15m～10－14m。

由此可知A错，D正确；α粒子向原子核射去，当α粒子接近核时，克服电场力做功，所以其动能减少，电势能增加；当α粒子远离原子核时，电场力做正功，其动能增加，电势能减少，所以选项B、C都错。

3.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1826

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：

选C　α粒子从a点经b点到达等势点c的过程中电场力先做负功，后做正功，α粒子的电势能先增加，后减小，回到同一等势线上时，电场力做的总功为零，故C项正确。

1．（多选）卢瑟福的α粒子散射实验结果表明了（　　）

A．原子核是可分的

B．汤姆孙的“枣糕”模型是错误的

C．原子是由均匀带正电的物质和带负电的电子构成

D．原子中的正、负电荷并非均匀分布

解析：

选BD　α粒子散射实验并非证明原子是由什么构成的，而是证明了组成原子的正、负电荷在原子内部是如何分布的，由实验现象可知原子内部的正、负电荷并非均匀分布，证明了“枣糕模型”是错误的，故答案为B、D。

2．（多选）在α粒子散射实验中，关于选用金箔的原因下列说法正确的是（　　）

A．金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔

B．金原子核不带电

C．金原子核质量大，被α粒子轰击后不易移动

D．金这种材料比较昂贵

解析：

选AC　α粒子散射实验中，选用金箔是因为金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔，α粒子很容易穿过，A正确。

金原子核质量大，被α粒子轰击后不易移动，C正确。

金核带正电，B错误。

选用金箔做实验与金这种材料比较昂贵没有任何关系，D项错误。

3．在α粒子散射实验中，我们并没有考虑电子对α粒子偏转角度的影响，这是因为（　　）

A．电子的体积非常小，以致α粒子碰不到它

B．电子的质量远比α粒子的小，所以它对α粒子运动的影响极其微小

C．α粒子使各个电子碰撞的效果相互抵消

D．电子在核外均匀分布，所以α粒子受电子作用的合外力为零

解析：

选B　α粒子的质量是电子质量的7300倍，电子虽然很小，但数量很多，α粒子仍能碰到，影响微乎其微。

选项B正确。

4．（多选）用α粒子撞击金原子核发生散射，图1中关于α粒子的运动轨迹正确的是（　　）

图1

A．a　　　　　　　　　B．b

C．cD．d

解析：

选CD　α粒子受金原子核的排斥力，方向沿两者的连线方向，运动轨迹弯向受力方向的一侧，A、B均错误；离原子核越近，α粒子受到的斥力越大，偏转越大，C、D正确。

5．（多选）如图2所示，表示α粒子散射实验中，某个α粒子经过原子核的情景，虚线a、b和c表示原子核形成的静电场中的三个等势面，它们的电势分别为φa、φb和φc，φa>φb>φc，一个α粒子射入电场中，其运动轨迹如实线KLMN所示，由图可知（　　）

图2

A．α粒子从K到L的过程中，电场力做负功

B．α粒子从L到M的过程中，电场力做负功

C．α粒子从K到L的过程中，电势能增加

D．α粒子从L到M的过程中，动能减小

解析：

选AC　从K到L时，库仑力与运动方向的夹角大于90°，做负功，电势能增加，选项A、C正确。

从L到M过程中，电场力先做负功，后做正功，动能先减小，后增大，选项B、D错误。

6．（多选）关于α粒子散射实验及核式结构模型，下列说法正确的是（　　）

A．带有荧光屏的显微境可以在水平面内的不同方向上移动

B．荧光屏上的闪光是散射的α粒子打在荧光屏上形成的

C．荧光屏只有正对α粒子源发出的射线方向上才有闪光

D．使α粒子散射的原因是α粒子与原子核发生接触碰撞

解析：

选AB　为观察α粒子穿过金箔后在各个方向上的散射情况，显微镜必须能在水平面内各个方向上移动，故A正确；荧光屏上的闪光是α粒子打在荧光屏上引起的，并且在各个方向上都能观察到闪光，故B正确，C错；α粒子散射的原因是α粒子受到原子核的库仑斥力，D错。

7．若氢原子的核外电子绕核做半径为r的匀速圆周运动，则其角速度ω是多少？

电子绕核的运动可等效为环形电流，则电子运动的等效电流I是多少？

（已知电子的质量为m，电荷量为e，静电力常量用k表示）

解析：

电子绕核运动的向心力是库仑力，因为

＝mω2r，所以ω＝

；其运动周期为T＝

＝

，其等效电流I＝

＝

。

答案：

8．已知金原子序数为79，α粒子离金原子核的最近距离约为2×10－14m，则；

（1）α粒子离金原子核最近时受到的库仑力是多大？

（2）α粒子产生的最大加速度为多大？

（3）估算金原子核的平均密度为多少？

（已知qα＝2e，mα＝×10－27kg，MAu＝×10－25kg）

解析：

（1）根据库仑定律得：

F＝k

＝k

，代入数据得：

F＝9×109×

N＝N。

（2）根据牛顿第二定律得：

a＝

＝

m/s2＝×1028m/s2。

（3）α粒子离金原子核最近的距离约等于金原子核的半径，体积为V＝

πr3，

金原子核的密度约为ρ＝

＝

，代入数据解得：

ρ＝×1015kg/m3。

答案：

（1）N　

（2）×1028m/s2

（3）×1015kg/m3