第3節(jié) 原子的核式結(jié)構(gòu)模型

第3節(jié)原子的核式結(jié)構(gòu)模型核心素養(yǎng)點(diǎn)擊

物理觀念(1)知道發(fā)現(xiàn)電子的意義。(2)了解α粒子散射實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。(3)了解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，知道原子和原子核大小的數(shù)量級(jí)?？茖W(xué)思維認(rèn)識(shí)原子核式結(jié)構(gòu)模型建立的科學(xué)推理與論證過(guò)程。科學(xué)探究知道電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程并對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)價(jià)、反思。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任體會(huì)電子發(fā)現(xiàn)過(guò)程和α粒子散射實(shí)驗(yàn)中所蘊(yùn)含的科學(xué)方法。一、電子的發(fā)現(xiàn)1．填一填(1)陰極射線：在研究稀薄氣體放電時(shí)，由

發(fā)出的，能使玻璃管壁發(fā)出______的射線。(2)電子的發(fā)現(xiàn)①湯姆孫的探究方法a．讓陰極射線分別通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，根據(jù)

現(xiàn)象，證明它是

的粒子流并求出了其比荷。b．換用不同的陰極做實(shí)驗(yàn)，所得

的數(shù)值都相同，是氫離子比荷的近兩千倍。c．湯姆孫研究的新現(xiàn)象：如光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射效應(yīng)和β射線等。發(fā)現(xiàn)不論陰極射線、β射線、光電流還是熱離子流，它們都包含

。陰極偏轉(zhuǎn)帶負(fù)電比荷電子螢光②密立根“油滴實(shí)驗(yàn)”a．測(cè)得電子電荷量e的值為e＝1.602176634×10－19C。b．任何帶電體的電荷都是

的，只能是e的

。③結(jié)論：量子化整數(shù)倍2．判一判(1)湯姆孫認(rèn)為陰極射線是一種電磁輻射。

(

)(2)組成陰極射線的粒子是電子。

(

)(3)電子是原子的組成部分，其電荷量可以是任意值。

(

)××√3．選一選陰極射線從陰極射線管中的陰極發(fā)出，在其間的高電壓下加速飛向陽(yáng)極，如圖所示，若要使射線向上偏轉(zhuǎn)，所加磁場(chǎng)的方向應(yīng)為

(

)A．平行于紙面向左 B．平行于紙面向上C．垂直于紙面向外

D．垂直于紙面向里解析：陰極射線帶負(fù)電，由陰極加速飛向陽(yáng)極，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)左手定則可知，四指指向電子運(yùn)動(dòng)的反方向，磁感線垂直穿過(guò)掌心，大拇指所指方向?yàn)槭芰Ψ较?，所加的磁?chǎng)方向垂直于紙面向外，C選項(xiàng)正確。答案：C二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型1．填一填(1)湯姆孫的原子模型湯姆孫于1898年提出一種模型，他認(rèn)為，原子是一個(gè)

體，

彌漫性地均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，

鑲嵌其中，有人形象地把湯姆孫的原子模型稱為“

模型”或“

模型”。(2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)①α粒子：從放射性物質(zhì)中發(fā)射出來(lái)的快速運(yùn)動(dòng)的粒子，質(zhì)量為氫原子質(zhì)量的4倍、電子質(zhì)量的7300倍。球正電荷電子西瓜棗糕②實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，整個(gè)裝置處于真空中，其中：α粒子源R是被鉛塊包圍的，它發(fā)射的α粒子經(jīng)過(guò)一條細(xì)通道，形成一束射線，打在金箔F上。顯微鏡M帶有熒光屏S，可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)到不同的方向?qū)ι⑸涞摩亮Ｗ舆M(jìn)行觀察。被散射的α粒子打在熒光屏上會(huì)有微弱的閃光產(chǎn)生。通過(guò)顯微鏡觀察閃光就可以記錄在某一時(shí)間內(nèi)某一方向散射的α粒子數(shù)。絕大多數(shù)少數(shù)大于撞了回來(lái)核式結(jié)構(gòu)原子核正電荷質(zhì)量電子(4)原子核的電荷與尺度①原子核的電荷數(shù)非常接近它們的

。②原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)就是核中的

數(shù)。③原子核的半徑的數(shù)量級(jí)為10－15m，而原子半徑的數(shù)量級(jí)是10－10m，可見(jiàn)原子內(nèi)部是十分“空曠”的。原子序數(shù)質(zhì)子2．判一判(1)α粒子散射實(shí)驗(yàn)證明了湯姆孫的原子模型是符合事實(shí)的。

(

)(2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)中大多數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)或反彈。

(

)(3)α粒子大角度的偏轉(zhuǎn)是電子造成的。

(

)×××3．選一選如圖所示為α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置，粒子打到熒光屏上都會(huì)引起閃爍，若將帶有熒光屏的顯微鏡分別放在圖中A、B、C、D四處位置。則這四處位置在相等時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)的閃爍次數(shù)符合事實(shí)的是

(

)A．1305、25、7、1B．202、405、625、825C．1202、1010、723、203D．1202、1305、723、203解析：根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象可知，大多數(shù)粒子能按原來(lái)方向前進(jìn)，少數(shù)粒子方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)超過(guò)90°，甚至有的被反向彈回，在相等時(shí)間內(nèi)A處閃爍次數(shù)最多，其次是B、C、D三處，并且數(shù)據(jù)相差比較大，A選項(xiàng)正確。答案：A

探究(一)電子的發(fā)現(xiàn)及其比荷的測(cè)定[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]如圖所示為湯姆孫的氣體放電管。(1)在金屬板D1、D2之間加上如圖所示的電場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明它帶什么性質(zhì)的電荷？提示：陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，與電場(chǎng)線方向相反，說(shuō)明陰極射線帶負(fù)電。(2)在金屬板D1、D2之間單獨(dú)加哪個(gè)方向的磁場(chǎng)，可以讓陰極射線向上偏轉(zhuǎn)？提示：由左手定則可得，在金屬板D1、D2之間單獨(dú)加垂直紙面向外的磁場(chǎng)，可以讓陰極射線向上偏轉(zhuǎn)。[重難釋解]1．電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程(1)現(xiàn)象科學(xué)家在研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，陰極就能發(fā)出一種射線，它能使對(duì)著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光。(2)猜想①陰極射線是一種電磁輻射。②陰極射線是帶電微粒。(3)英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫讓陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)。

(4)密立根通過(guò)“油滴實(shí)驗(yàn)”精確測(cè)定了電子的電荷量和電子的質(zhì)量。1897年，物理學(xué)家湯姆孫正式測(cè)定了電子的比荷，打破了原子是不可再分的最小單位的觀點(diǎn)。因此，湯姆孫的實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展史上最著名的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。在實(shí)驗(yàn)中湯姆孫采用了如圖所示的陰極射線管，從電子槍C出來(lái)的電子經(jīng)過(guò)A、B間的電場(chǎng)加速后，水平射入長(zhǎng)度為L(zhǎng)的D、E平行板間，接著在熒光屏F中心出現(xiàn)熒光斑。若在D、E間加上方向向下，場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，電子將向上偏轉(zhuǎn)；如果再利用通電線圈在D、E電場(chǎng)區(qū)加上一垂直紙面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(圖中未畫(huà))，熒光斑恰好回到熒光屏中心，接著再去掉電場(chǎng)，電子向下偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角為θ，試解決下列問(wèn)題。(1)說(shuō)明圖中磁場(chǎng)沿什么方向。(2)根據(jù)L、E、B和θ，求出電子的比荷。求解帶電粒子比荷的思路(1)帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)，可利用運(yùn)動(dòng)的分解、運(yùn)動(dòng)學(xué)公式、牛頓運(yùn)動(dòng)定律列出相應(yīng)的關(guān)系式。(2)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，要注意通過(guò)畫(huà)軌跡示意圖來(lái)確定圓心位置，利用幾何知識(shí)求其半徑。(3)帶電粒子通過(guò)相互垂直的勻強(qiáng)電、磁場(chǎng)時(shí)，可使其做勻速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)qE＝qvB可求其速度。

[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)1897年英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，湯姆孫也被稱為“電子之父”。下列關(guān)于電子的說(shuō)法正確的是 (

)A．湯姆孫通過(guò)對(duì)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)得出了陰極射線是帶負(fù)電的粒子的結(jié)論，并求出了陰極射線的比荷B．湯姆孫通過(guò)對(duì)光電效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)了電子C．電子質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的1836倍D．湯姆孫通過(guò)對(duì)不同材料做成的陰極發(fā)出射線的研究，并進(jìn)一步研究光電效應(yīng)等現(xiàn)象，說(shuō)明電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元答案：AD

探究(二)

α粒子散射實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)象分析[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]如圖是α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置，各部分的作用是什么？提示：放射源放出快速運(yùn)動(dòng)的α粒子，α粒子通過(guò)金箔時(shí)被散射，打在熒光屏上發(fā)出熒光，可通過(guò)帶有熒光屏的放大鏡進(jìn)行觀察，并可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察不同方向和不同位置通過(guò)金箔的散射α粒子數(shù)量，整個(gè)裝置封閉在真空內(nèi)。[重難釋解]1．實(shí)驗(yàn)背景：α粒子散射實(shí)驗(yàn)是盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生做的一個(gè)著名的物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是想驗(yàn)證湯姆孫原子模型的正確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。2．否定湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型(1)質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子的電子，對(duì)α粒子的運(yùn)動(dòng)影響完全可以忽略，不應(yīng)該發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。(2)α粒子在穿過(guò)原子時(shí)，受到各方向正電荷的斥力基本上會(huì)相互平衡，對(duì)α粒子運(yùn)動(dòng)方向的影響不會(huì)很大，也不應(yīng)該發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。(3)α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)，否定湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型。3．盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型對(duì)α粒子散射分析(1)分布情況：原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在原子核內(nèi)，原子中絕大部分是空的。(2)受力情況①少數(shù)α粒子靠近原子核時(shí)，受到的庫(kù)侖斥力大；②大多數(shù)α粒子離原子核較遠(yuǎn)，受到的庫(kù)侖斥力較小。(3)偏轉(zhuǎn)情況①絕大多數(shù)α粒子運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)明顯變化(因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量相對(duì)于α粒子很小)；②少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回；③如果α粒子幾乎正對(duì)著原子核射來(lái)，偏轉(zhuǎn)角就幾乎達(dá)到180°，這種機(jī)會(huì)極少。如圖所示，根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。圖中虛線表示原子核所形成的電場(chǎng)的等勢(shì)線，實(shí)線表示一個(gè)α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。在α粒子從a運(yùn)動(dòng)到b再運(yùn)動(dòng)到c的過(guò)程中，下列說(shuō)法中正確的是(

)A．動(dòng)能先增大后減小B．電勢(shì)能先減小后增大C．電場(chǎng)力先做負(fù)功后做正功，總功等于零D．加速度先減小后增大[答案]

C2．庫(kù)侖力對(duì)α粒子的做功情況(1)當(dāng)α粒子靠近原子核時(shí)，庫(kù)侖斥力做負(fù)功，電勢(shì)能增加。(2)當(dāng)α粒子遠(yuǎn)離原子核時(shí)，庫(kù)侖斥力做正功，電勢(shì)能減小。3．α粒子的能量轉(zhuǎn)化僅有庫(kù)侖力做功時(shí)，能量只在電勢(shì)能和動(dòng)能之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，且總能量保持不變。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，使α粒子散射的原因是

(

)A．α粒子與原子核外電子碰撞B．α粒子與原子核發(fā)生接觸碰撞C．α粒子發(fā)生明顯衍射D．α粒子與原子核的庫(kù)侖斥力作用解析：α粒子與原子核外電子的作用是很微弱的。由于原子核的質(zhì)量和電荷量很大，α粒子與原子核很近時(shí)，庫(kù)侖斥力很強(qiáng)，足可以使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)甚至反向彈回，使α粒子散射的原因是與原子核的庫(kù)侖斥力，選項(xiàng)D正確。答案：D2．X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若α粒子入射時(shí)的動(dòng)能相同，其偏轉(zhuǎn)軌跡可能是圖中的

(

)解析：α粒子離金核越遠(yuǎn)其所受斥力越小，軌跡彎曲程度就越小，故選項(xiàng)D正確。答案：D3．(多選)盧瑟福對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的解釋是 (

)A．使α粒子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的主要原因是原子中電子對(duì)α粒子的作用力B．使α粒子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的力是庫(kù)侖力C．原子核很小，α粒子接近它的機(jī)會(huì)很小，所以絕大多數(shù)的α粒子仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)D．能產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子是穿過(guò)原子時(shí)離原子核近的α粒子解析：原子核帶正電，與α粒子之間存在庫(kù)侖力，當(dāng)α粒子靠近原子核時(shí)受庫(kù)侖力而偏轉(zhuǎn)，電子對(duì)它的影響可忽略，故A錯(cuò)誤，B正確；由于原子核非常小，絕大多數(shù)α粒子經(jīng)過(guò)時(shí)離原子核較遠(yuǎn)，因而運(yùn)動(dòng)方向幾乎不變，只有離原子核很近的α粒子受到的庫(kù)侖力較大，方向改變較多，故C、D正確。答案：BCD探究(三)原子的核式結(jié)構(gòu)與原子核的大小[問(wèn)題驅(qū)動(dòng)]盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在原子核內(nèi)。(1)原子核外的部分帶什么電？其質(zhì)量特點(diǎn)如何？提示：帶負(fù)電，其質(zhì)量很小。(2)原子核半徑的數(shù)量級(jí)是多少？原子半徑數(shù)量級(jí)呢？提示：10－15m,10－10m。[重難釋解]1．原子的核式結(jié)構(gòu)模型與原子的棗糕模型的對(duì)比2．原子內(nèi)的電荷關(guān)系：原子核的電荷數(shù)與核外的電子數(shù)相等，非常接近原子序數(shù)。3．原子核的組成：原子核由質(zhì)子和中子組成，原子核的電荷數(shù)等于原子核的質(zhì)子數(shù)。4．原子核的大?。涸拥陌霃綌?shù)量級(jí)為10－10m，原子核半徑的數(shù)量級(jí)為10－15m，原子核的半徑只相當(dāng)于原子半徑的十萬(wàn)分之一，體積只相當(dāng)于原子體積的10－15。核式結(jié)構(gòu)模型棗糕模型原子內(nèi)部是非常空曠的，正電荷集中在一個(gè)很小的核里原子是充滿了正電荷的球體電子繞核高速旋轉(zhuǎn)電子均勻嵌在原子球體內(nèi)(多選)關(guān)于原子核式結(jié)構(gòu)理論說(shuō)法正確的是

(

)A．是通過(guò)發(fā)現(xiàn)電子現(xiàn)象得出來(lái)的B．原子的中心有個(gè)核，叫作原子核C．原子的正電荷均勻分布在整個(gè)原子中D．原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外旋轉(zhuǎn)[解析]

原子的核式結(jié)構(gòu)模型是在α粒子的散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出的，A錯(cuò)誤；原子中絕大部分是空的，帶正電的部分集中在原子中心一個(gè)很小的范圍，稱為原子核，B正確，C錯(cuò)誤；原子核集中了原子全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量，帶負(fù)電的電子在核外旋轉(zhuǎn)，D正確。[答案]

BD[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．人們?cè)谘芯吭咏Y(jié)構(gòu)時(shí)提出過(guò)許多模型，其中比較有名的是棗糕模型和核式結(jié)構(gòu)模型，它們的模型示意圖如圖所示。下列說(shuō)法中正確的是 (

)A．α粒子散射實(shí)驗(yàn)與棗糕模型和核式結(jié)構(gòu)模型的建立無(wú)關(guān)B．科學(xué)家通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了棗糕模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型C．科學(xué)家通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了核式結(jié)構(gòu)模型，建立了棗糕模型D．科學(xué)家通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了棗糕模型和核式結(jié)構(gòu)模型解析：α粒子散射實(shí)驗(yàn)與核式結(jié)構(gòu)模型的建立有關(guān)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，否定了棗糕模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型，故B正確。答案：B2．關(guān)于原子結(jié)構(gòu)，下列說(shuō)法正確的是 (

)A．原子中原子核很小，核外很“空曠”B．原子核的半徑的數(shù)量級(jí)是10－10mC．原子的全部電荷都集中在原子核里D．原子的全部質(zhì)量都集中在原子核里解析：盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)容為：在原子中心有一個(gè)很小的核，叫原子核。它集中了全部的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量，電子在核外空間運(yùn)動(dòng)，故C、D錯(cuò)誤；又因?yàn)樵雍税霃降臄?shù)量級(jí)為10－15m，原子半徑的數(shù)量級(jí)為10－10m，兩者相差十萬(wàn)倍之多，因此原子內(nèi)部是十分“空曠”的，故A正確，B錯(cuò)誤。答案：A3．(多選)在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，如果兩個(gè)具有相同能量的α粒子，從不同大小的角度散射出來(lái)，則散射角度大的α粒子 (

)A．更接近原子核B．更遠(yuǎn)離原子核C．受到一個(gè)以上的原子核作用D．受到原子核較大的沖量作用解析：由于原子的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子核的體積，當(dāng)α粒子穿越某一個(gè)原子的空間時(shí)，其他原子核距α粒子相對(duì)較遠(yuǎn)，而且其他原子核對(duì)α粒子的作用力也可以近似相互抵消，所以散射角度大的這個(gè)α粒子并不是由于受到多個(gè)原子核作用造成的，C錯(cuò)；由庫(kù)侖定律可知，α粒子受到的斥力與距離的平方成反比，α粒子距原子核越近，斥力越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?cè)酱?，即散射角度越大，A對(duì)，B錯(cuò)；當(dāng)α粒子受到原子核較大的沖量作用時(shí)，動(dòng)量的變化量就大，即速度的變化量就大，則散射角度就大，D對(duì)。答案：AD一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維(選自魯科版新教材課后練習(xí))已知α