1、2 原子的核式结构模型原子的核式结构模型 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道汤姆孙的原子结构模型.2.了解 粒子散射实验的原理、现象和结论.3.知道 卢瑟福的原子核式结构内容和意义.4.知道原子和原子核大小的数量级以及原子核的电荷数和 核外电子数的关系 科学思维：1.领会卢瑟福原子核式结构实验的科学方法，培养学生的抽象思维能力和想象能 力.2.利用动力学观点与方法分析 粒子运动情形与轨迹.3.利用能量观点分析计算库仑力对 粒子做功情况 一、汤姆孙的原子模型 1汤姆孙原子模型：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，电子镶嵌其中，有人
2、形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型” 或“枣糕模型”，如图 1. 图 1 2 粒子散射实验： (1) 粒子散射实验装置由 粒子源、金箔、放大镜、荧光屏等几部分组成，实验时从 粒子 源到荧光屏这段路程应处于真空中 (2)实验现象 绝大多数的 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进； 少数 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” (3)实验意义： 卢瑟福通过 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 二、卢瑟福的核式结构模型 1核式结构模型：1911 年由卢瑟福提出在原子中心有一个很小的核，叫原子核它集中 了全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在
3、核外空间运动 2原子核的电荷与尺度 1判断下列说法的正误 (1)汤姆孙的枣糕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) 粒子散射实验证实了汤姆孙的枣糕式原子模型( ) (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( ) 2(多选)卢瑟福的原子核式结构学说可以解决的问题是( ) 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卢瑟福通过 粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子 D卢瑟福通过 粒子散射实验证
4、明了原子核是由质子和中子组成的 答案 AB 解析 粒子散射实验现象与汤姆孙的枣糕模型相矛盾，卢瑟福的原子核式结构模型合理解 释了该实验现象，并通过实验数据估算出了原子核的半径的数量级为 10 15 m，A、B 正确； 卢瑟福通过 粒子散射实验，提出了原子是由原子核和核外电子组成的，但不能说明原子核 内存在质子，故 C 错误；卢瑟福通过 粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，但不能证 明原子核是由质子和中子组成的，故 D 错误. 一、 粒子散射实验现象的分析与理解 如图所示为 1909 年英籍物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行 粒子散射实验的 实验装置，阅读课本，回答以下问题： (1)什
5、么是 粒子？ (2)实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？ (3)实验现象如何？ (4)少数 粒子发生大角度散射的原因是什么？ 答案 (1) 粒子(42He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的 氦原子核质量是电子的 7 300 倍 (2) 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 粒子 带荧光屏的放大镜：观察 粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光 实验过程： 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 粒子有库仑力的作用，一些 粒子会改变原来的运动方向带有放大镜的荧光屏 可以沿题图中虚线转动，以统计向不同方向散射
6、的 粒子的数目 (3) 粒子散射实验的实验现象：绝大多数 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进， 但有少数 粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于 90 . (4) 粒子带正电， 粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射 1 粒子散射实验装置(如图 2) 图 2 2实验现象(如图 3) 图 3 (1)绝大多数的 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进 (2)少数 粒子发生较大的偏转 (3)极少数 粒子偏转角度超过 90 ，有的几乎达到 180 . 3实验现象的分析 (1)核外电子不会使 粒子的速度发生明显改变 (2)汤姆孙的原子模型不能解释 粒子的大角度散射 (3)少数 粒子发生了大角
7、度偏转，甚至反弹回来，表明这些 粒子在原子中的某个地方受到 了质量比它本身大得多的物质的作用 (4)绝大多数 粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是 空的，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内 例 1 (多选)(2019 济南一中高二期中)卢瑟福和他的学生用 粒子轰击不同的金属，并同时 进行观测，经过大量的实验，最终确定了原子的核式结构如图 4 为该实验的装置，其中荧 光屏能随显微镜在图中的圆面内转动当用 粒子轰击金箔时，在不同位置进行观测，如果 观测的时间相同，则下列说法正确的是( ) 图 4 A在 1 处看到的闪光次数最多 B2 处的闪光次数比 4
8、 处多 C3 和 4 处没有闪光 D4 处有闪光但次数极少 答案 ABD 解析 在卢瑟福 粒子散射实验中， 粒子穿过金箔后，绝大多数 粒子仍沿原来的方向前 进，则在 1 处看到的闪光次数最多，故 A 正确；少数 粒子发生大角度偏转，极少数 粒子 偏转角度大于 90 ，极个别 粒子被反弹回来，在 2、3、4 位置观察到的闪光次数依次减少， 故 C 错误，B、D 正确 解决这类问题的关键是理解并熟记以下两点： (1)明确实验装置的组成及各部分的作用 (2)弄清实验现象，知道“绝大多数”、“少数”和“极少数” 粒子的运动情况及原因 针对训练 粒子散射实验中，不考虑电子和 粒子的碰撞影响，是因为( )
9、 A 粒子与电子根本无相互作用 B 粒子受电子作用的合力为零，是因为电子是均匀分布的 C 粒子和电子碰撞时受力极小，可忽略不计 D电子很小， 粒子碰撞不到电子 答案 C 解析 在粒子散射实验中， 电子与粒子存在相互作用， A错； 电子质量只有粒子的 1 7 300， 电子与 粒子碰撞后，电子对 粒子的影响就像灰尘对子弹的影响，完全可忽略不计，C 正 确，B、D 错误 二、原子的核式结构模型与原子核的组成 1原子的核式结构模型 在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在 原子核里，带负电的电子在核外空间运动 2原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相
10、等，非常接近原子的原子序数 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 10 m，原子核半径的数量级为 1015 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. 例 2 (多选)根据卢瑟福的原子核式结构理论，下列对原子结构的认识中，正确的是( ) A原子中绝大部分是空的，原子核很小 B电子在核外运动，库仑力提供向心力 C原子的全部正电荷都集中在原子核里 D原子核的直径大约为 10 10 m 答案 ABC 解析 卢瑟福 粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，提出了关于原子的
11、核式结构学说，并估算出原子核半径的数量级为 10 15 m，原子半径的数量级为 1010 m，原 子半径是原子核半径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受 到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以 A、B、C 正确，D 错误 三、 粒子散射实验中 粒子的轨迹与受力 1 粒子的运动情况 在离原子核较远处， 粒子近似做匀速直线运动在 粒子靠近原子核的运动过程中，库仑 斥力随运动距离和运动方向的变化而变化，是变力所以， 粒子做变速运动，当运动方向 与 粒子和原子核的连线不在同一方向上时， 粒子做变速曲线运动，受库仑斥力作用，曲 线向原子核外侧弯曲且库仑斥力方向与速度方向分布于轨
12、迹两侧 2库仑力对 粒子的做功情况 (1)当 粒子靠近原子核时，库仑力做负功，电势能增加 (2)当 粒子远离原子核时，库仑力做正功，电势能减小 例 3 如图 5 所示为卢瑟福的 粒子散射实验， 、 两条线表示实验中 粒子运动的轨迹， 则沿所示方向射向原子核的 粒子可能的运动轨迹为( ) 图 5 A轨迹 a B轨迹 b C轨迹 c D轨迹 d 答案 A 解析 卢瑟福通过研究 粒子散射提出了原子的核式结构模型， 正电荷全部集中在原子核内， 粒子带正电，同种电荷相互排斥，因离原子核越近，受到的库仑斥力越强，则偏转程度越 大， 所以沿所示方向射向原子核的 粒子可能的运动轨迹为 a， 故 A 正确， B
13、、 C、 D 错误 例 4 如图 6 所示，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面，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( ) 图 6 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 解析 粒子及原子核均带正电，故 粒子受到原子核的斥力， 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 在同一等势面上，A、C 两点的电势差为零，则 粒子从
14、A 到 C 的过程中电场力做的总 功等于零，A、B 错误，C 正确； 粒子所受的库仑力 Fkq1q2 r2 ，B 点离原子核最近，所以 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. 1(物理学史的考查)(2018 鹤岗一中高二期末)物理学重视逻辑，崇尚理性，其理论总是建立 在对事实观察的基础上下列说法正确的是( ) A爱因斯坦在光的粒子性的基础上，建立了光电效应方程 B康普顿效应表明光子只具有能量，不具有动量 C卢瑟福根据 粒子散射实验提出了原子的枣糕式结构模型 D德布罗意指出微观粒子的动量越大，其对应的波长就越长 答案 A 解析 爱因斯坦在光的粒子性的基础上
15、，建立了光电效应方程，选项 A 正确；康普顿效应表 明光子不但具有能量，还具有动量，选项 B 错误；卢瑟福根据 粒子散射实验提出了原子的 核式结构模型，选项 C 错误；德布罗意指出微观粒子的动量越大，其对应的波长就越短，选 项 D 错误 2( 粒子散射实验现象的认识)如图 7 所示为卢瑟福 粒子散射实验装置的示意图，图中的 显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察 粒子在各个角度的散射情 况下列说法中正确的是( ) 图 7 A在图中的 A、B 两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多 B在图中的 B 位置进行观察，屏上观察不到任何闪光 C卢瑟福选用不同重金属箔片
16、作为 粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似 D 粒子发生散射的主要原因是 粒子撞击到金箔原子后产生的反弹 答案 C 解析 粒子散射实验现象：绝大多数 粒子沿原方向前进，少数 粒子有大角度散射，所 以 A 处观察到的粒子数多，B 处观察到的粒子数少，所以选项 A、B 错误 粒子发生散射 的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，所以选项 D 错误，C 正确 3( 粒子散射实验现象的解释)(多选)关于 粒子散射实验，下列说法中正确的是( ) A该实验说明原子中正电荷是均匀分布的 B 粒子发生大角度散射的主要原因是原子中原子核的作用 C只有少数 粒子发生大角度散射的原因是原子的全部正电荷和几乎全部质量
17、集中在一个 很小的核上 D卢瑟福根据 粒子散射实验提出了原子核式结构理论 答案 BCD 解析 在 粒子散射实验中，有少数 粒子发生大角度偏转说明三点：一是原子内有一质量 很大的物质存在；二是这一物质带有较大的正电荷；三是这一物质的体积很小，但不能说明 原子中正电荷是均匀分布的，故 A 错误，B、C 正确卢瑟福依据 粒子散射实验的现象提 出了原子的核式结构理论，D 正确 4(原子的核式结构模型)(多选)卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有( ) A原子的中心有个核，叫原子核 B原子的正电荷均匀分布在整个原子中 C原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内 D带负电的电子在核外绕着核旋转 答案 ACD 解析 卢瑟福原子核式结构理论的主要内容是： 在原子的中心有一个很小的核， 叫做原子核， 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内， 带负电的电子在核外空间绕着核旋转， 由此可见，B 选项错误，A、C、D 选项正确 5( 粒子的受力情况)(2018 广州五校高二下期末联考)如图所示为卢瑟福 粒子散射实验的 金原子核和两个 粒子的径迹，其中可能正确的是( ) 答案 A 解析 粒子与金原子核都带正电，相互排斥， 粒子径迹越靠近金原子核，所受库仑斥力 越大，运动方向的偏转角度就越大，根据这个特点可以判断只有 A 正确
