4.2 原子的核式结构模型（Word教参）-【优化指导】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 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.了解汤姆孙原子模型。 2．了解原子核式结构模型的内容和意义。 　　了解α粒子散射实验的原理、现象和结论。 1.了解原子核式结构模型的局限性。 2．知道所有物理结论都必须接受实践的检验，不迷信权威。 [对应学生用书P78] 一、汤姆孙原子模型 1．模型特点：汤姆孙于1904年提出了原子模型，他认为原子是正电荷构成的一个密度均匀的球体，电子镶嵌其中。 2．成功之处：能够解释电子轨道半径与电子数目的关系、解释元素的周期性、定性解释原子的光辐射现象。 二、卢瑟福的核式结构模型 1．α粒子散射实验：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进或只发生很小的偏转，少数α粒子发生了较大角度偏转，极少数α粒子偏转角度甚至大于90°，有的甚至被弹回。 2．卢瑟福的核式结构模型：原子中间有一个体积很小、带正电荷的核，原子核几乎集中了原子的全部质量，而电子在核外绕核运动。 3．原子核的尺度：原子直径的数量级为10－10 m，原子核直径的数量级为10－15 m。 4．局限性：模型与经典理论有矛盾，根据经典理论，电子在绕原子核做圆周运动过程中向外辐射电磁波，半径会越来越小，经大约10－11s，就会坠入原子核中，原子将不复存在，但事实是原子很稳定。 请判断下列说法的正误(对的画“√”，错的画“×”)。 (1)汤姆孙的枣糕模型认为原子是一个球体，正电荷填充在整个球体内。(　　√　　) (2)α粒子散射实验证实了汤姆孙的枣糕原子模型。(　　×　　) (3)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。(　　√　　) (4)原子核的电荷数等于核中的中子数。(　　×　　) (5)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷。(　　√　　) [对应学生用书P78] 探究点一___α粒子散射实验 如图所示，用α粒子轰击金箔的实验装置图。 实验过程：α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子会改变原来的运动方向。带有显微镜的荧光屏可以沿题图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目。 [问题设计] (1)实验装置中各部件的作用是什么？ (2)实验现象如何？ 提示：(1)①α粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子。 ②带荧光屏的放大镜：观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光。 (2)α粒子散射实验的实验现象：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°。 1．实验装置 (1)放射源：放出α粒子(He)。 (2)金箔：靶子。 (3)显微镜、荧光屏(可转动)：观察工具。 2．α粒子散射实验的实验现象 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°。 3．实验注意事项 (1)整个实验过程需在真空中进行。 (2)α粒子是氦核，本身很小，金箔需很薄，α粒子才能很容易穿过。 (3)实验中用的是金箔而不是铝箔，这是因为金的原子序数大，α粒子受到金核库仑力大，偏转明显；另外金的延展性好，容易做成极薄的金箔。 4．实验意义 (1)否定了汤姆孙的原子结构模型。 (2)提出了原子核式结构模型，明确了原子核大小的数量级。 【例1】 α粒子散射实验装置如图所示。通过该实验，我们可以知道(　　) A．该实验证实了汤姆孙的“西瓜模型”是正确的 B．大多数α粒子穿过金箔后，其运动方向受到较大的影响 C.原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌在其中 D．占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质集中在很小的空间范围内 D　解析：汤姆孙认为正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中，卢瑟福设计了α粒子散射实验，证明带正电的那部分物质占原子质量的绝大部分，而且集中在很小的空间范围，从而证明汤姆孙的“枣糕模型”是错误的，A、C错误，D正确；当α粒子穿过原子时，电子对α粒子影响很小，影响α粒子运动的主要是原子核，离原子核远的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，所以只有极少数α粒子发生大角度的偏转，而绝大多数α粒子基本按直线方向前进，B错误。 [练1] 1909年，物理学家卢瑟福和他的学生用α粒子轰击金箔，研究α粒子被散射的情况，其实验装置如图所示。关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　) A．α粒子发生偏转是由于它跟电子发生了碰撞 B．在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子发生了较大角度的偏转 C．α粒子散射实验说明原子中有一个带正电的核几乎占有原子的全部质量 D．通过α粒子散射实验还可以估计原子核半径的数量级是10－10 m C　解析：α粒子发生偏转是由于它受到原子核的斥力，并不是跟电子发生了碰撞，A错误；在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子几乎不发生偏转，可以推测使粒子受到排斥力的核体积极小，实验表明原子中心的核带有原子的全部正电，和几乎全部质量，B错误，C正确；α粒子散射实验可以估算出原子核半径的数量级是10－15 m，D错误。 探究点二___原子的核式结构模型及对α粒子散射的分析 如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景。 [问题设计] (1)为什么绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来运动方向前进？ (2)为什么少数的α粒子穿过金箔后，发生了大角度的偏转？ 提示：(1)因为原子核很小，所以绝大多数α粒子穿过原子时，离核较远，受到原子核的斥力很小，基本上仍沿原来运动方向前进。 (2)少数α粒子从原子核附近穿过时，才明显受到原子核的库仑力作用，发生大角度偏转。 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α粒子偏转的角度大于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。 【例2】 在α粒子散射实验中，下列图景正确的是(　　) B　解析：当α粒子进入原子区域后，离带正电的原子核远的受到的库仑斥力小，运动方向改变小。只有极少数粒子在穿过时距离正电体很近，受到很强的库仑斥力，发生大角度散射，A错误，B正确；由库仑定律和原子核式结构模型可知，电子的质量只有α粒子的，它对α粒子速度的大小和方向的影响，完全可以忽略，α粒子偏转主要是带正电的原子核造成的，C、D错误。 [练2] 根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图是α粒子散射实验的图景。图中实线表示α粒子的运动轨迹。其中沿轨迹2运动的α粒子在b点时距原子核最近。下列说法不正确的是(　　) A．绝大多数α粒子运动的轨迹类似轨迹1，说明原子中绝大部分是空的 B．发生超过90°大角度偏转的α粒子是极少数的 C．沿轨迹2运动的α粒子的加速度先增大后减小 D．沿轨迹2运动的α粒子的电势能先减小后增大 D　解析：在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，运动轨迹如轨迹1，说明原子中绝大部分是空的，A正确；极少数粒子发生超过90°大角度偏转，B正确；根据点电荷周围电场可知，距离原子核近的地方电场强度大，故越靠近原子核加速度越大，因此α粒子加速度先增大后减小，C正确；α粒子受到斥力作用，根据电场力做功特点可知，从a运动到b过程中电场力做负功，电势能增加，从b运动到c过程中，电场力做正功，电势能减小，D错误。 探究点三___汤姆孙原子模型与卢瑟福原子模型 卢瑟福无法用汤姆孙原子结构模型解释α粒子发生大角度散射现象，卢瑟福经过严谨的理论推导，于1911年提出了原子的核式结构模型。 [问题设计] (1)电子为什么不因为受到库仑力的吸引而落到原子核上？ (2)两种原子模型的主要区别是什么？ 提示：(1)因为电子绕核运转，正如地球绕太阳运转一样，库仑力提供向心力。 (2)汤姆孙原子模型认为：正电荷和质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中；卢瑟福原子模型认为：原子的全部正电荷以及几乎全部质量都集中在原子中心的一个极小的核内，电子质量很小，分布在很大空间内。 1．两种原子模型 (1)汤姆孙原子模型的特点：汤姆孙认为原子是一个直径约为10－10 m的球体，正电荷均匀分布在整个球体中，带负电的电子嵌在其中，就好像枣糕一样。 (2)卢瑟福的原子模型的特点：卢瑟福认为原子有些像太阳系，电子绕核运动就像太阳系的行星绕太阳运动一样，因此，卢瑟福的核式结构模型又被称为行星模型。 2．两种原子模型的对比 汤姆孙的枣糕模型 卢瑟福的原子核式结构模型 分布 情况 正电荷和质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中 正电荷以及几乎全部质量集中在原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内 受力 情况 α粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零 少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小 偏转 情况 不会发生大角度偏转，更不会弹回 绝大多数α粒子运动方向不变，少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，有的甚至被弹回 分析 结论 不符合α粒子散射现象 符合α粒子散射现象 3.原子核式结构的含义 (1)原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近它们的原子序数。 (2)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。 (3)原子半径的数量级是10－10 m，原子核半径的数量级是10－15 m，两者相差十万倍之多。 【例3】 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，建立了玻尔的原子模型 B　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，B正确。 [练3] 1909年英国科学家卢瑟福进行了著名的α粒子(带正电)轰击金箔实验。结果发现：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，但是有少数α粒子却发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°，像是被金箔弹了回来。 问题： (1)1 μm厚的金箔包含了3 000层金原子，绝大多数α粒子穿过后方向不变，说明什么？ (2)科学家对原子结构的探究经历了三个过程，通过α粒子散射实验，你认为原子结构是哪个？ 答案：见解析 解析：(1)原子的质量分布不均匀，原子内部绝大部分空间是空的。(2)通过上述实验，能说明原子结构：原子核位于原子的中心，质量主要集中在原子核上，C正确。 [对应学生用书P82] 1．卢瑟福的α粒子散射实验现象表明，原子内部的原子核(　　) A．不带电 B．与原子相比，体积极小 C.是可分的 D．集中了原子所有质量 B　解析：卢瑟福的α粒子散射实验现象表明，原子内部有一个体积很小区域，称为原子核，集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量，B正确，A、C、D错误。 2．(2023·北京通州高二期末统考)根据卢瑟福提出的原子核式结构模型解释α粒子散射实验，使极少数α粒子发生大角度偏转的作用力是(　　) A．原子核对α粒子的万有引力 B．原子核对α粒子的库仑斥力 C．核外电子对α粒子的万有引力 D．核外电子对α粒子的库仑斥力 B　解析：微观粒子间的万有引力远远小于库仑力；所以使极少数α粒子发生大角度偏转的作用力不是原子核对α粒子的万有引力，也不是核外电子对α粒子的万有引力；α粒子和电子接近时，它们之间就有库仑引力作用，但由于电子的质量只有α粒子质量的七千三百分之一，α粒子与电子碰撞就像一颗子弹与一个灰尘碰撞一样，α粒子的运动方向几乎不改变，所以使极少数α粒子发生大角度偏转的作用力是原子核对α粒子的库仑斥力，当α粒子与原子核距离较近时，它们之间的库仑斥力很大，使得α粒子发生大角度偏转，B正确。 3．(多选)如图所示为卢瑟福和他的同事们做α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四个位置时观察到的现象，下述说法正确的是(　　) A．放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多 B．放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些 C．放在C、D位置时，屏上观察不到闪光 D．卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型 AD　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，但有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于90°，所以荧光屏和显微镜放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多，放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数比A位置时少很多，放在C、D位置时，屏上仍可以观察到闪光，只是次数较放在A和B位置时少，由上述分析可知，A正确，B、C错误；卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型，D正确。 4．α粒子散射实验被评为世界十大经典物理实验之一，此实验开创了原子结构研究的先河，关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　) A．该实验的数据支持了原子结构的“枣糕模型” B．α粒子散射实验，证明了原子核是可以再分的 C．该实验选用金的原因之一是金的延展性好，可以制成很薄的金箔 D．该实验表明原子中心有一个体积极大的核，它占有原子体积的极大部分 C　解析：汤姆孙关于原子结构的“枣糕模型”不能解释卢瑟福的α粒子散射实验中的大角度偏转问题，该实验说明了汤姆孙“枣糕模型”是错误的，A错误；卢瑟福的α粒子散射实验，证明了原子是可以再分的，B错误；该实验选用金的原因之一是金的延展性好，可以制成很薄的金箔，C正确；从绝大多数α粒子几乎不发生偏转，可以推测使α粒子受到排斥力的核体积极小，实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分，D错误。 5．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所能达到的最小距离可以估算原子核的大小。现有一个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，求该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ε＝k，α粒子质量为6.64×10－27 kg)。 答案：2.7×10－14 m 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，d＝＝m＝2.7×10－14 m。 [课时梯级训练(17)见P180] 学科网（北京）股份有限公司 $$