第2节 原子的核式结构模型（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第2节　原子的核式结构模型 核心素养导学 物理观念 (1)了解α粒子散射实验原理和实验现象。 (2)了解汤姆孙原子模型与卢瑟福的原子核式结构模型。 (3)知道原子和原子核大小的数量级。 科学思维 认识原子核式结构模型建立的科学推理与论证过程。 科学探究 对α粒子散射实验，能根据实验现象，提出有针对性的物理问题。 科学态度与责任 体会α粒子散射实验中所蕴含的科学方法。 一、汤姆孙原子模型 汤姆孙原子模型：汤姆孙提出了一种模型，他认为，原子是一个_____体，_________弥漫性地均匀分布在整个球体内，______镶嵌其中，有人形象地把汤姆孙的原子模型称为“_____模型”。 球 正电荷 电子 枣糕 二、α粒子散射实验 1．实验装置示意图 2．现象 (1)__________ α粒子不改变方向或只发生很小的偏转。 (2)______ α粒子发生较大的偏转。 (3)极少数α粒子偏转角超过_____，有的甚至被原路弹回。 3．原因：靠近原子核的α粒子受________作用使其发生了大角度偏转。 4．结论：原子中存在体积______的带正电的部分。 绝大多数 少数 90° 库仑力 很小 三、原子核式结构模型 1．原子核式结构模型：卢瑟福提出，原子中带正电的部分体积很小，但几乎占有原子的全部_______，电子在核外绕核______。 2．原子核的电荷与尺度 质量 运动 四、原子核式结构模型的局限性 1．否定了汤姆孙的“枣糕模型”，提出了比较科学的“_________________”。 2．原子核式结构模型同样存在局限性，例如不能解释经典_______理论存在的物理现象。 核式结构模型 电磁 1.如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景。判断下列说法的正误： (1)α粒子散射实验中绝大多数α粒子都发生了较大偏转。 ( ) (2)原子核的直径数量级为10－10 m。 ( ) (3)α粒子散射实验表明了原子的质量几乎全部都集中在原子核上。 ( ) × × √ 2．在探究原子结构的散射实验中，入射粒子用的是α粒子，试说明其中的原因。 提示：原子的结构非常紧密，用一般的方法无法探测它内部的结构。要认识原子的结构，需要用高速粒子对它进行轰击。由于α粒子具有足够的能量，可以接近原子的中心，它还可以使荧光物质发光，如果α粒子与其他粒子发生相互作用，改变了运动方向，荧光屏便能够显示出它的方向变化。 3．由α粒子散射实验的结果为何可以说明原子核尺度很小，但几乎占有全部质量？ 提示：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，说明带正电荷部分很小，少数α粒子被“撞了回来”说明遇到了质量很大的部分。 新知学习(一)|α粒子散射实验及现象分析 [任务驱动] 如图是α粒子散射实验装置，各部分的作用是什么？ 提示：放射源放出快速运动的α粒子，α粒子通过金箔时被散射，打在荧光屏上发出荧光，可通过带有荧光屏的放大镜进行观察，并可以在水平面内转动，观察不同方向和不同位置通过金箔的散射α粒子数量，整个装置封闭在真空内。　　 [重点释解] 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，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。 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．卢瑟福的核式结构模型对α粒子散射分析 (1)分布情况：原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核内，原子中绝大部分是空的。 (2)受力情况 ①少数α粒子靠近原子核时，受到的库仑斥力大； ②大多数α粒子离原子核较远，受到的库仑斥力较小。 (3)偏转情况 ①绝大多数α粒子运动方向不会明显变化(因为电子的质量相对于α粒子很小)； ②少数α粒子发生大角度偏转，极少数偏转超过90°； ③如果α粒子几乎正对着原子核射来，偏转角就几乎达到180°，这种机会极少。 [典例体验] [典例]　如图所示，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．加速度先减小后增大 [答案]　C 2．库仑力对α粒子的做功情况 (1)当α粒子靠近原子核时，库仑斥力做负功，电势能增加。 (2)当α粒子远离原子核时，库仑斥力做正功，电势能减小。 3．α粒子的能量转化 仅有库仑力做功时，能量只在电势能和动能之间发生相互转化，且总能量保持不变。　 [针对训练] 1．通过如图所示的实验，卢瑟福建立了原子核式结构模型。实验时，若将荧光屏和显微镜分别放在位置1、2、3，则相同时间内能观察到粒子数量最多的是位置 (　 ) A．1　　　　　　　　　 B．2 C．3 D．一样多 解析：在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，少数α粒子发生了大角度偏转，极少数偏转的角度大于90°，故C正确。 答案：C　 2．在用α粒子轰击金箔的实验中，卢瑟福观察到的α粒子的运动情况是(　 ) A．全部α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进 B．绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数发生较大偏转，极少数甚至被弹回 C．少数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，绝大多数发生较大偏转，甚至被弹回 D．全部α粒子都发生很大偏转 解析：α粒子穿过金原子时，电子对α粒子速度的影响很小，影响α粒子运动的主要是原子核，离核远则α粒子受到的库仑斥力很小，运动方向改变小。只有当α粒子与原子核十分接近时，才会受到很大的库仑斥力，而原子核很小，α粒子接近它的机会就很少，所以绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数发生较大偏转，极少数甚至被弹回，故B正确，A、C、D错误。 答案：B　 新知学习(二)|原子的核式结构与原子核的大小 [任务驱动] 卢瑟福根据α粒子散射实验结果分析得出，原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核内。 (1)原子核外的部分带什么电？其质量特点如何？ 提示：带负电，其质量很小。 (2)原子核半径的数量级是多少？原子半径的数量级呢？ 提示：10－15 m,10－10 m。　　　　 [重点释解] 1．原子的核式结构模型与原子的枣糕模型的对比 核式结构模型 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：原子半径的数量级为10－10 m，原子核半径的数量级为10－15 m，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。 [针对训练] 1．人们在研究原子结构时提出过许多模型，其中比较有名的是枣糕模型和核式结构模型，它们的模型示意图如图所示。下列说法中正确的是 (　 ) A．α粒子散射实验与枣糕模型和核式结构模型的建立无关 B．科学家通过α粒子散射实验否定了枣糕模型，建立了核式结构模型 C．科学家通过α粒子散射实验否定了核式结构模型，建立了枣糕模型 D．科学家通过α粒子散射实验否定了枣糕模型和核式结构模型 解析：α粒子散射实验与核式结构模型的建立有关，通过该实验，否定了枣糕模型，建立了核式结构模型，故B正确。 答案：B　 2．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．原子核是由质子、中子组成的 C．原子是由均匀带正电的物质和带负电的电子构成的 D．原子内部有一个很小的区域，集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量 解析：卢瑟福根据α粒子散射实验结果提出了原子的核式结构理论，表明原子内部有一个很小的区域叫原子核，它集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量，D正确。 答案：D　 3．(多选)关于卢瑟福的原子核式结构学说的内容，下列叙述正确的是 (　 ) A．原子是一个质量分布均匀的球体 B．原子的质量几乎全部集中在原子核内 C．原子的正电荷和负电荷全部集中在一个很小的核内 D．原子核半径的数量级是10－15 m 解析：原子的质量几乎全部集中在原子核内，所以A错误，B正确；原子的正电荷全部集中在一个很小的核内，负电荷绕原子核做圆周运动，所以C错误；原子核半径的数量级是10－15 m，所以D正确。 答案：BD　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——α粒子散射实验 1．(选自人教版教材课后练习)α粒子散射实验用的是金箔等重金属箔，而没有用轻金属箔，例如铝箔。除了金的延展性好，可以把金箔做得非常薄这个原因以外，你认为还有什么原因？ 提示：除题目中提到的原因以外，重金属的原子核带电荷量较大，质量和体积也相对较大，所以用重金属箔实验现象更明显。 科学思维——从能量角度估计原子核大小 2．(选自鲁科版教材“拓展一步”)由α粒子散射实验的数据可估计出原子核的大小。当α粒子与原子核发生弹性正碰时，α粒子以接近180°的角度返回。假定原子核静止不动，α粒子以一定的初动能接近原子核，达到离原子核的最小距离时，初动能完全转变为在原子核电场中的电势能，然后在原子核的排斥作用下以接近180°的角度返回。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．(多选)在α粒子散射实验中，如果两个具有相同能量的α粒子，从不同大小的角度散射出来，则散射角度大的α粒子 (　 ) A．更接近原子核 B．更远离原子核 C．受到一个以上的原子核作用 D．受到原子核较大的冲量作用 解析：由于原子的体积远远大于原子核的体积，当α粒子穿越某一个原子的空间时，其他原子核距α粒子相对较远，而且其他原子核对α粒子的作用力也可以近似相互抵消，所以散射角度大的这个α粒子并不是由于受到多个原子核作用造成的，C错误；由库仑定律可知，α粒子受到的斥力与距离的平方成反比，α粒子距原子核越近，斥力越大，运动状态改变越大，即散射角度越大，A正确，B错误；当α粒子受到原子核较大的冲量作用时，动量的变化量就大，即速度的变化量就大，则散射角度就大，D正确。 答案：AD　 答案：2.7×10－14 m [解析]　α粒子及原子核均带正电，故α粒子受到原子核的斥力，α粒子从a运动到b，电场力做负功，动能减小，电势能增大，从b运动到c，电场力做正功，动能增大，电势能减小，a、c在同一条等势线上，a、c两点的电势差为零，则α粒子从a到c的过程中电场力做的总功等于零，A、B错误，C正确；α粒子所受的库仑力F＝，b点离原子核最近，所以α粒子在b点时所受的库仑力最大，加速度最大，故加速度先增大后减小，D错误。 /方法技巧/ 应用核式结构模型分析求解问题时，要注意从力的角度及功能关系角度入手。 1．α粒子的受力特点 α粒子与原子核间的作用力是库仑斥力：F＝k。 (1)式中Q为原子核的电荷量，q为α粒子所带电荷量，r为α粒子与原子核间的距离。 (2)α粒子离原子核越近，库仑力越大，运动加速度越大，反之，则越小。 (3)α粒子的受力方向沿原子核与α粒子的连线，由原子核指向α粒子。 假设α粒子的初速度为v0，质量为Mα，金属箔的原子序数为Z，α粒子接近原子核的最小距离为rmin。根据初动能等于核电场中的电势能，即 Mαv02＝k 可得rmin＝。 2．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2.0×107 m/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6.64×10－27 kg)。 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，设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＝2.7×10－14 m。 $$