選修3-5（高中物理舊教材同步講義）第18章 2 原子的核式結(jié)構(gòu)模型同步講義

2原子的核式結(jié)構(gòu)模型[學(xué)科素養(yǎng)與目標要求]物理觀念：1.知道湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型.2.了解α粒子散射實驗的原理、現(xiàn)象和結(jié)論.3.知道盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)內(nèi)容和意義.4.知道原子和原子核大小的數(shù)量級以及原子核的電荷數(shù)和核外電子數(shù)的關(guān)系．科學(xué)思維：1.領(lǐng)會盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)實驗的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和想象能力.2.利用動力學(xué)觀點與方法分析α粒子運動情形與軌跡.3.利用能量觀點分析計算庫侖力對α粒子做功情況．一、湯姆孫的原子模型1．湯姆孫原子模型：湯姆孫于1898年提出了原子模型，他認為原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內(nèi)，電子鑲嵌其中，有人形象地把湯姆孫模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”，如圖1.圖12．α粒子散射實驗：(1)α粒子散射實驗裝置由α粒子源、金箔、放大鏡、熒光屏等幾部分組成，實驗時從α粒子源到熒光屏這段路程應(yīng)處于真空中．(2)實驗現(xiàn)象①絕大多數(shù)的α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進；②少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°，它們幾乎被“撞了回來”．(3)實驗意義：盧瑟福通過α粒子散射實驗，否定了湯姆孫的原子模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型．二、盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型1．核式結(jié)構(gòu)模型：1911年由盧瑟福提出．在原子中心有一個很小的核，叫原子核．它集中了全部的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量，電子在核外空間運動．2．原子核的電荷與尺度1．判斷下列說法的正誤．(1)湯姆孫的棗糕模型認為原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內(nèi)．(√)(2)α粒子散射實驗證實了湯姆孫的棗糕式原子模型．(×)(3)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型認為原子中帶正電的部分體積很小，電子在正電體外面運動．(√)(4)原子核的電荷數(shù)等于核中的中子數(shù)．(×)(5)對于一般的原子，由于原子核很小，所以內(nèi)部十分空曠．(√)2．(多選)盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說可以解決的問題是()A．解釋α粒子散射現(xiàn)象B．用α粒子散射的實驗數(shù)據(jù)估算原子核的大小C．盧瑟福通過α粒子散射實驗證實了在原子核內(nèi)部存在質(zhì)子D．盧瑟福通過α粒子散射實驗證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的答案AB解析α粒子散射實驗現(xiàn)象與湯姆孫的棗糕模型相矛盾，盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型合理解釋了該實驗現(xiàn)象，并通過實驗數(shù)據(jù)估算出了原子核的半徑的數(shù)量級為10－15m，A、B正確；盧瑟福通過α粒子散射實驗，提出了原子是由原子核和核外電子組成的，但不能說明原子核內(nèi)存在質(zhì)子，故C錯誤；盧瑟福通過α粒子散射實驗提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，但不能證明原子核是由質(zhì)子和中子組成的，故D錯誤.一、α粒子散射實驗現(xiàn)象的分析與理解如圖所示為1909年英籍物理學(xué)家盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生蓋革和馬斯頓進行α粒子散射實驗的實驗裝置，閱讀課本，回答以下問題：(1)什么是α粒子？(2)實驗裝置中各部件的作用是什么？實驗過程是怎樣的？(3)實驗現(xiàn)象如何？(4)少數(shù)α粒子發(fā)生大角度散射的原因是什么？答案(1)α粒子(eq\o\al(4,2)He)是從放射性物質(zhì)中發(fā)射出來的快速運動的粒子，實質(zhì)是失去兩個電子的氦原子核．質(zhì)量是電子的7300倍．(2)①α粒子源：把放射性元素釙放在帶小孔的鉛盒中，放射出高能的α粒子．②帶熒光屏的放大鏡：觀察α粒子打在熒光屏上發(fā)出的微弱閃光．實驗過程：α粒子經(jīng)過一條細通道，形成一束射線，打在很薄的金箔上，由于金原子中的帶電粒子對α粒子有庫侖力的作用，一些α粒子會改變原來的運動方向．帶有放大鏡的熒光屏可以沿題圖中虛線轉(zhuǎn)動，以統(tǒng)計向不同方向散射的α粒子的數(shù)目．(3)α粒子散射實驗的實驗現(xiàn)象：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°.(4)α粒子帶正電，α粒子受原子中帶正電的部分的排斥力發(fā)生了大角度散射．1．α粒子散射實驗裝置(如圖2)圖22．實驗現(xiàn)象(如圖3)圖3(1)絕大多數(shù)的α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進．(2)少數(shù)α粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)．(3)極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過90°，有的幾乎達到180°.3．實驗現(xiàn)象的分析(1)核外電子不會使α粒子的速度發(fā)生明顯改變．(2)湯姆孫的原子模型不能解釋α粒子的大角度散射．(3)少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至反彈回來，表明這些α粒子在原子中的某個地方受到了質(zhì)量比它本身大得多的物質(zhì)的作用．(4)絕大多數(shù)α粒子在穿過厚厚的金原子層時運動方向沒有明顯變化，說明原子中絕大部分是空的，原子的正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在體積很小的核內(nèi)．例1(多選)(2019·濟南一中高二期中)盧瑟福和他的學(xué)生用α粒子轟擊不同的金屬，并同時進行觀測，經(jīng)過大量的實驗，最終確定了原子的核式結(jié)構(gòu)．如圖4為該實驗的裝置，其中熒光屏能隨顯微鏡在圖中的圓面內(nèi)轉(zhuǎn)動．當用α粒子轟擊金箔時，在不同位置進行觀測，如果觀測的時間相同，則下列說法正確的是()圖4A．在1處看到的閃光次數(shù)最多B．2處的閃光次數(shù)比4處多C．3和4處沒有閃光D．4處有閃光但次數(shù)極少答案ABD解析在盧瑟福α粒子散射實驗中，α粒子穿過金箔后，絕大多數(shù)α粒子仍沿原來的方向前進，則在1處看到的閃光次數(shù)最多，故A正確；少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度大于90°，極個別α粒子被反彈回來，在2、3、4位置觀察到的閃光次數(shù)依次減少，故C錯誤，B、D正確．解決這類問題的關(guān)鍵是理解并熟記以下兩點：(1)明確實驗裝置的組成及各w部分的作用．(2)弄清實驗現(xiàn)象，知道“絕大多數(shù)”、“少數(shù)”和“極少數(shù)”α粒子的運動情況及原因．針對訓(xùn)練α粒子散射實驗中，不考慮電子和α粒子的碰撞影響，是因為()A．α粒子與電子根本無相互作用B．α粒子受電子作用的合力為零，是因為電子是均勻分布的C．α粒子和電子碰撞時受力極小，可忽略不計D．電子很小，α粒子碰撞不到電子答案C解析在α粒子散射實驗中，電子與α粒子存在相互作用，A錯；電子質(zhì)量只有α粒子的eq\f(1,7300)，電子與α粒子碰撞后，電子對α粒子的影響就像灰塵對子彈的影響，完全可忽略不計，C正確，B、D錯誤．二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型與原子核的組成1．原子的核式結(jié)構(gòu)模型在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間運動．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，非常接近原子的原子序數(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)量級為10－10m，原子核半徑的數(shù)量級為10－15m，原子核的半徑只相當于原子半徑的十萬分之一，體積只相當于原子體積的10－15.例2(多選)根據(jù)盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)理論，下列對原子結(jié)構(gòu)的認識中，正確的是()A．原子中絕大部分是空的，原子核很小B．電子在核外運動，庫侖力提供向心力C．原子的全部正電荷都集中在原子核里D．原子核的直徑大約為10－10m答案ABC解析盧瑟福α粒子散射實驗的結(jié)果否定了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的湯姆孫模型，提出了關(guān)于原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，并估算出原子核半徑的數(shù)量級為10－15m，原子半徑的數(shù)量級為10－10m，原子半徑是原子核半徑的十萬倍，所以原子內(nèi)部是十分“空曠”的，核外帶負電的電子由于受到帶正電的原子核的吸引而繞核旋轉(zhuǎn)，所以A、B、C正確，D錯誤．三、α粒子散射實驗中α粒子的軌跡與受力1．α粒子的運動情況在離原子核較遠處，α粒子近似做勻速直線運動．在α粒子靠近原子核的運動過程中，庫侖斥力隨運動距離和運動方向的變化而變化，是變力．所以，α粒子做變速運動，當運動方向與α粒子和原子核的連線不在同一方向上時，α粒子做變速曲線運動，受庫侖斥力作用，曲線向原子核外側(cè)彎曲且?guī)靵龀饬Ψ较蚺c速度方向分布于軌跡兩側(cè)．2．庫侖力對α粒子的做功情況(1)當α粒子靠近原子核時，庫侖力做負功，電勢能增加．(2)當α粒子遠離原子核時，庫侖力做正功，電勢能減小．例3如圖5所示為盧瑟福的α粒子散射實驗，①、②兩條線表示實驗中α粒子運動的軌跡，則沿③所示方向射向原子核的α粒子可能的運動軌跡為()圖5A．軌跡a B．軌跡bC．軌跡c D．軌跡d答案A解析盧瑟福通過研究α粒子散射提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，正電荷全部集中在原子核內(nèi)，α粒子帶正電，同種電荷相互排斥，因離原子核越近，受到的庫侖斥力越強，則偏轉(zhuǎn)程度越大，所以沿③所示方向射向原子核的α粒子可能的運動軌跡為a，故A正確，B、C、D錯誤．例4如圖6所示，根據(jù)α粒子散射實驗，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的等勢面，實線表示一個α粒子的運動軌跡．在α粒子從A運動到B再運動到C的過程中，下列說法中正確的是()圖6A．動能先增大后減小B．電勢能先減小后增大C．電場力先做負功后做正功，總功等于零D．加速度先減小后增大答案C解析α粒子及原子核均帶正電，故α粒子受到原子核的斥力，α粒子從A運動到B，電場力做負功，動能減小，電勢能增大，從B運動到C，電場力做正功，動能增大，電勢能減小，A、C在同一等勢面上，A、C兩點的電勢差為零，則α粒子從A到C的過程中電場力做的總功等于零，A、B錯誤，C正確；α粒子所受的庫侖力F＝eq\f(kq1q2,r2)，B點離原子核最近，所以α粒子在B點時所受的庫侖力最大，加速度最大，故加速度先增大后減小，D錯誤.1．(物理學(xué)史的考查)(2018·鶴崗一中高二期末)物理學(xué)重視邏輯，崇尚理性，其理論總是建立在對事實觀察的基礎(chǔ)上．下列說法正確的是()A．愛因斯坦在光的粒子性的基礎(chǔ)上，建立了光電效應(yīng)方程B．康普頓效應(yīng)表明光子只具有能量，不具有動量C．盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗提出了原子的棗糕式結(jié)構(gòu)模型D．德布羅意指出微觀粒子的動量越大，其對應(yīng)的波長就越長答案A解析愛因斯坦在光的粒子性的基礎(chǔ)上，建立了光電效應(yīng)方程，選項A正確；康普頓效應(yīng)表明光子不但具有能量，還具有動量，選項B錯誤；盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，選項C錯誤；德布羅意指出微觀粒子的動量越大，其對應(yīng)的波長就越短，選項D錯誤．2．(α粒子散射實驗現(xiàn)象的認識)如圖7所示為盧瑟福α粒子散射實驗裝置的示意圖，圖中的顯微鏡可在圓周軌道上轉(zhuǎn)動，通過顯微鏡前相連的熒光屏可觀察α粒子在各個角度的散射情況．下列說法中正確的是()圖7A．在圖中的A、B兩位置分別進行觀察，相同時間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)一樣多B．在圖中的B位置進行觀察，屏上觀察不到任何閃光C．盧瑟福選用不同重金屬箔片作為α粒子散射的靶，觀察到的實驗結(jié)果基本相似D．α粒子發(fā)生散射的主要原因是α粒子撞擊到金箔原子后產(chǎn)生的反彈答案C解析α粒子散射實驗現(xiàn)象：絕大多數(shù)α粒子沿原方向前進，少數(shù)α粒子有大角度散射，所以A處觀察到的粒子數(shù)多，B處觀察到的粒子數(shù)少，所以選項A、B錯誤．α粒子發(fā)生散射的主要原因是受到原子核庫侖斥力的作用，所以選項D錯誤，C正確．3．(α粒子散射實驗現(xiàn)象的解釋)(多選)關(guān)于α粒子散射實驗，下列說法中正確的是()A．該實驗說明原子中正電荷是均勻分布的B．α粒子發(fā)生大角度散射的主要原因是原子中原子核的作用C．只有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度散射的原因是原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在一個很小的核上D．盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗提出了原子核式結(jié)構(gòu)理論答案BCD解析在α粒子散射實驗中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)說明三點：一是原子內(nèi)有一質(zhì)量很大的物質(zhì)存在；二是這一物質(zhì)帶有較大的正電荷；三是這一物質(zhì)的體積很小，但不能說明原子中正電荷是均勻分布的，故A錯誤，B、C正確．盧瑟福依據(jù)α粒子散射實驗的現(xiàn)象提出了原子的核式結(jié)構(gòu)理論，D正確．4．(原子的核式結(jié)構(gòu)模型)(多選)盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)理論的主要內(nèi)容有()A．原子的中心有個核，叫原子核B．原子的正電荷均勻分布在整個原子中C．原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)D．帶負電的電子在核外繞著核旋轉(zhuǎn)答案ACD解析盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)理論的主要內(nèi)容是：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)，由此可見，B選項錯誤，A、C、D選項正確．5．(α粒子的受力情況)(2018·廣州五校高二下期末聯(lián)考)如圖所示為盧瑟福α粒子散射實驗的金原子核和兩個α粒子的徑跡，其中可能正確的是()答案A解析α粒子與金原子核都帶正電，相互排斥，α粒子徑跡越靠近金原子核，所受庫侖斥力越大，運動方向的偏轉(zhuǎn)角度就越大，根據(jù)這個特點可以判斷只有A正確．一、選擇題考點一α粒子散射實驗1．對α粒子散射實驗的實驗裝置的描述，你認為正確的有()A．實驗器材有放射源、金箔、帶有熒光屏的放大鏡B．金箔的厚度對實驗無影響C．如果不用金箔改用鋁箔，就不會發(fā)生散射現(xiàn)象D．實驗裝置放在空氣中和真空中都可以答案A解析金箔厚度太大，α粒子就不能穿透了，所以不可以太厚，故B項錯誤；如果不用金箔改用鋁箔也會發(fā)生散射現(xiàn)象，只是鋁的延展性不如金好，不能做到很薄，所以實驗結(jié)果會受到影響，故C錯誤；實驗裝置必須在真空中進行，否則α粒子會電離空氣，造成實驗現(xiàn)象不明顯，故D錯誤；正確選項為A.2．(多選)在α粒子散射實驗中，選用金箔的原因下列說法正確的是()A．金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔B．金核不帶電C．金原子核質(zhì)量大，被α粒子轟擊后不易移動D．金核半徑大，易形成大角度散射答案ACD解析α粒子散射實驗中，選用金箔是因為金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔，α粒子很容易穿過，A正確．金原子核質(zhì)量大，被α粒子轟擊后不易移動，C正確．金核帶正電，半徑大，易形成大角度散射，故D正確，B錯誤．3．在α粒子散射實驗中，我們并沒有考慮電子對α粒子偏轉(zhuǎn)角度的影響，這是因為()A．電子的體積非常小，以致α粒子碰不到它B．電子的質(zhì)量遠比α粒子的小，所以它對α粒子運動的影響極其微小C．α粒子使各個電子碰撞的效果相互抵消D．電子在核外均勻分布，所以α粒子受電子作用的合外力為零答案B解析α粒子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的7300倍，電子雖然很小，但數(shù)量很多，α粒子仍能碰到，影響微乎其微，選項B正確．4．關(guān)于α粒子散射實驗()A．絕大多數(shù)α粒子經(jīng)過金箔后，發(fā)生了角度不太大的偏轉(zhuǎn)B．α粒子在接近原子核的過程中，動能減少，電勢能減少C．α粒子離開原子核的過程中，動能增加，電勢能也增加D．對α粒子散射實驗的數(shù)據(jù)進行分析，可以估算出原子核的大小答案D解析由于原子核很小，α粒子十分接近它的機會很少，所以絕大多數(shù)α粒子基本上仍沿原方向前進，只有極少數(shù)發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)，從α粒子散射實驗的數(shù)據(jù)可以估算出原子核直徑的大小約為10－15m～10－14m．由此可知A錯誤，D正確．α粒子向原子核射去，當α粒子接近核時，克服電場力做功，所以其動能減少，電勢能增加；當α粒子遠離原子核時，電場力做正功，其動能增加，電勢能減少，所以選項B、C都錯誤．5.根據(jù)α粒子散射實驗，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型．如圖1所示為α粒子散射圖景，圖中實線表示α粒子的運動軌跡，則關(guān)于α粒子散射實驗，下列說法正確的是()圖1A．圖中大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子的電勢能先減小后增大B．圖中的α粒子反彈是因為α粒子與金原子核發(fā)生了直接碰撞C．絕大多數(shù)α粒子沿原方向繼續(xù)前進說明了帶正電的原子核占據(jù)原子的空間很小D．根據(jù)α粒子散射實驗可以估算原子大小答案C解析題圖中大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子所受的電場力先做負功，后做正功，則其電勢能先增大后減小，故A錯誤；題圖中的α粒子反彈是因為α粒子與金原子核之間的庫侖斥力作用，并沒有發(fā)生直接碰撞，故B錯誤；從絕大多數(shù)α粒子幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可以推測使粒子受到排斥力的核體積極小，所以帶正電的物質(zhì)只占整個原子的很小空間，故C正確；依據(jù)α粒子散射實驗可以估算原子核的大小，故D錯誤．考點二盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型6．(多選)盧瑟福的α粒子散射實驗結(jié)果表明了()A．原子核是可分的B．湯姆孫的“棗糕”模型是錯誤的C．原子是由均勻帶正電的物質(zhì)和帶負電的電子構(gòu)成D．原子中的正、負電荷并非均勻分布答案BD解析α粒子散射實驗并非證明原子是由什么構(gòu)成的，而是證明了組成原子的正、負電荷在原子內(nèi)部是如何分布的，由實驗現(xiàn)象可知原子內(nèi)部的正、負電荷并非均勻分布，證明了“棗糕模型”是錯誤的，故答案為B、D.7．盧瑟福和他的助手做α粒子轟擊金箔實驗，獲得了重要發(fā)現(xiàn)，關(guān)于α粒子散射實驗的結(jié)果，下列說法正確的是()A．說明了質(zhì)子的存在B．說明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的C．說明了原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在一個很小的核里D．說明了正電荷均勻分布答案C解析α粒子的大角度散射，說明了原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在一個很小的核里，C正確．8．人們