山東省專用2024-2025學年高中物理第十八章原子結構第2節(jié)原子的核式結構模型講義含解析新人教版選修3-5

PAGE10-第2節(jié)原子的核式結構模型1.α粒子散射試驗結果：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°。2．原子結構模型：在原子的中心有一個很小的核叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞核旋轉(zhuǎn)。3．原子核由質(zhì)子和中子組成，原子核的電荷數(shù)等于原子核中的質(zhì)子數(shù)。4．原子半徑的數(shù)量級為10－10m，原子核半徑的數(shù)量級為10－15m。一、湯姆孫的原子模型湯姆孫于1898年提出了原子模型，他認為原子是一個球體，正電荷充溢性地勻稱分布在整個球體內(nèi)，電子鑲嵌在球中。湯姆孫的原子模型，小圓點代表正電荷，大圓點代表電子。湯姆孫的原子模型被稱為西瓜模型或棗糕模型，該模型能說明一些試驗現(xiàn)象，但后來被α粒子散射試驗否定了。二、α粒子散射試驗1．α粒子α粒子是從放射性物質(zhì)中放射出來的快速運動的粒子，含有兩個單位的正電荷，質(zhì)量為氫原子質(zhì)量的4倍。2．試驗方法用α粒子源放射的α粒子束轟擊金箔，用帶有熒光屏的放大鏡，在水平面內(nèi)不同方向?qū)ι⑸涞摩亮Ｗ舆M行視察，依據(jù)散射到各方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中正、負電荷的分布狀況。3．試驗裝置4．試驗現(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”。5．試驗意義盧瑟福通過α粒子散射試驗，否定了湯姆孫的原子模型，建立了核式結構模型。三、盧瑟福的核式結構模型1．核式結構模型：1911年由盧瑟福提出，原子中帶正電的部分體積很小，但幾乎占有全部質(zhì)量，電子在正電體的外面運動。2．原子核的電荷與尺度1．自主思索——判一判(1)湯姆孫的棗糕式模型認為原子是一個球體，正電荷充溢性地勻稱分布在整個球體內(nèi)。(√)(2)α粒子帶有一個單位的正電荷，質(zhì)量為氫原子質(zhì)量的2倍。(×)(3)α粒子散射試驗證明白湯姆孫的棗糕式原子模型。(×)(4)盧瑟福的核式結構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。(√)(5)原子核的電荷數(shù)等于核中的中子數(shù)。(×)(6)對于一般的原子，由于原子核很小，所以內(nèi)部特別空曠。(√)2．合作探究——議一議由原子的半徑和原子核的半徑數(shù)值可推知，原子核體積只占原子體積的eq\f(1,1015)，其空曠程度可想而知。據(jù)此，你能否說明產(chǎn)生α粒子散射現(xiàn)象的緣由？可得到怎樣的啟示？提示：由于α粒子的質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量，電子不行能使其發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)的緣由應當是原子核，由于原子核特別小，入射的α粒子絕大多數(shù)距原子核很遠。只有極少數(shù)α粒子靠近原子核，由于其庫侖斥力而使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。由α粒子散射現(xiàn)象可知，原子核特別?。荒軌蚴功亮Ｗ影l(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，說明原子核聚集了原子的絕大部分質(zhì)量且?guī)д?。對α粒子散射試驗現(xiàn)象的分析1．試驗背景α粒子散射試驗是盧瑟福指導他的學生做的一個聞名的物理試驗，試驗的目的是想驗證湯姆孫原子模型的正確性，試驗結果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)。在此基礎上，盧瑟福提出了原子核式結構模型。2．否定湯姆孫的原子結構模型(1)質(zhì)量遠小于原子的電子，對α粒子的運動影響完全可以忽視，不應當發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。(2)α粒子在穿過原子時，受到各方向正電荷的斥力基本上會相互平衡，對α粒子運動方向的影響不會很大，也不應當發(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構模型。3．大角度偏轉(zhuǎn)的試驗現(xiàn)象分析(1)由于電子質(zhì)量遠小于α粒子質(zhì)量，所以電子不行能使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。(2)使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的只能是原子中帶正電的部分。依據(jù)湯姆孫原子模型，正電荷在原子內(nèi)是勻稱分布的，α粒子穿過原子時，它受到的兩側(cè)斥力大部分抵消，因而也不行能使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，更不能使α粒子反向彈回，這與α粒子散射試驗相沖突。(3)試驗現(xiàn)象表明原子絕大部分是空的，原子的幾乎全部質(zhì)量和全部正電荷都集中在原子中心的一個很小的核上，否則，α粒子大角度散射是不行能的。4．原子的核式結構模型對α粒子散射試驗結果的說明(1)當α粒子穿過原子時，假如離核較遠，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿過“一片空地”一樣，無遮無擋，運動方向變更很小。因為原子核很小，所以絕大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。(2)只有當α粒子特別接近原子核穿過時，才受到很大的庫侖力作用，發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，而這種機會很少，所以有少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)。(3)假如α粒子正對著原子核射來，偏轉(zhuǎn)角幾乎達到180°，這種機會極少，如圖所示，所以極少數(shù)粒子的偏轉(zhuǎn)角度甚至大于90°。1．(2024·上海高考)盧瑟福通過對α粒子散射試驗結果的分析，提出了原子內(nèi)部存在()A．電子 B．中子C．質(zhì)子 D．原子核解析：選D盧瑟福在α粒子散射試驗中視察到絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后幾乎不變更運動方向，只有極少數(shù)的α粒子發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)，說明在原子的中心存在一個體積很小的帶正電的物質(zhì)，將其稱為原子核。故選項D正確。2．在α粒子散射試驗中，極少數(shù)的α粒子出現(xiàn)了大角度的散射，其緣由是()A．組成金箔的原子的粒子勻稱分布，α粒子轟擊金箔，正好碰撞到某個粒子，出現(xiàn)了大角度的散射B．組成金箔的原子由質(zhì)子和中子、電子組成，α粒子轟擊金箔，正好碰撞到質(zhì)子，受到質(zhì)子斥力的作用，出現(xiàn)了大角度的散射C．原子核的存在，α粒子在特別靠近它時，受到很強的斥力D．α粒子與金箔中的電子發(fā)生碰撞，偏離原來的運動方向解析：選C只有極少數(shù)的α粒子出現(xiàn)了大角度的散射，說明帶正電荷部分體積很小，但幾乎占原子全部質(zhì)量，所以選項C正確。3．[多選]如圖所示為盧瑟福和他的學生們做α粒子散射試驗的裝置示意圖。熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個位置時，關于視察到的現(xiàn)象，下列說法中正確的是()A．相同的時間內(nèi)放在A位置時視察到屏上的閃光次數(shù)最多B．相同的時間內(nèi)放在B位置時視察到屏上的閃光次數(shù)只比放在A位置時稍少些C．放在C、D位置時屏上視察不到閃光D．放在D位置時屏上仍能視察到一些閃光，但次數(shù)極少解析：選AD由α粒子散射試驗的結論：絕大多數(shù)α粒子仍沿原方向運動，少數(shù)α粒子運動方向發(fā)生變更，極少數(shù)α粒子運動方向發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)，甚至是180°。由A、B、C、D的位置可知絕大多數(shù)α粒子打到A位置的熒光屏上，少數(shù)α粒子打到B位置的熒光屏上，而極少數(shù)α粒子能打到C、D位置的熒光屏上，故選項A、D正確。原子的核式結構模型與原子核的組成1．原子的核式結構模型與原子的棗糕模型的對比：核式結構模型棗糕模型原子內(nèi)部是特別空曠的，正電荷集中在一個很小的核里原子是充溢了正電荷的球體電子繞核高速旋轉(zhuǎn)電子勻稱嵌在原子球體內(nèi)2．原子內(nèi)的電荷關系：原子核的電荷數(shù)與核外的電子數(shù)相等，特別接近原子序數(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．原子核的大小：原子的半徑數(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。[典例]在α粒子散射試驗中，依據(jù)α粒子與原子核發(fā)生對心碰撞時能達到的最小距離可以估算原子核的大小。現(xiàn)在一個α粒子以2.0×107m/s的速度去轟擊金箔，若金原子的核電荷數(shù)為79。求α粒子與金原子核間的最近距離(已知帶電粒子在點電荷電場中的電勢能表達式為Ep＝keq\f(q1q2,r)，r為距點電荷的距離。α粒子質(zhì)量為6.64×10－27kg)。[思路點撥](1)α粒子的運動方向沿α粒子和金原子核的連線。(2)當α粒子的動能減為零時，電勢能最大，離原子核最近。(3)原子核的大小應比最近距離小一些。[解析]當α粒子靠近原子核運動時，α粒子的動能轉(zhuǎn)化為電勢能，達到最近距離時，動能全部轉(zhuǎn)化為電勢能，所以α粒子與原子核發(fā)生對心碰撞時所能達到的最小距離為d，則eq\f(1,2)mv2＝keq\f(q1q2,d)，則d＝eq\f(2kq1q2,mv2)＝eq\f(2×9.0×109×2×79×1.6×10－192,6.64×10－27×2.0×1072)m＝2.7×10－14m。[答案]2.7×10－14m解答原子結構問題的三大規(guī)律(1)庫侖定律：F＝keq\f(q1q2,r2)，可以用來確定電子和原子核、α粒子和原子核間的相互作用力。(2)牛頓運動定律和圓周運動規(guī)律，可以用來分析電子繞原子核做勻速圓周運動的問題。(3)功能關系：可以分析由于庫侖力做功引起的帶電粒子在原子核四周運動時動能、電勢能之間的轉(zhuǎn)化問題。1．[多選]關于原子的核式結構模型，下列說法正確的是()A．原子中絕大部分是“空”的，原子核很小B．電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)的向心力是原子核對它的庫侖力C．原子的全部電荷和質(zhì)量都集中在原子核里D．原子核的直徑的數(shù)量級是10－10m解析：選AB因為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)，而原子核又很小，所以原子內(nèi)絕大部分區(qū)域是“空”的，A正確，C錯誤；電子繞原子核做圓周運動時，原子核與電子間的庫侖引力供應向心力，B正確；原子核直徑的數(shù)量級是10－15m，原子直徑的數(shù)量級是10－10m，D錯誤。2．關于α粒子散射試驗()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，動能削減，電勢能削減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粒子散射試驗的數(shù)據(jù)進行分析，可以估算出原子核的大小解析：選D由于原子核很小，α粒子特別接近它的機會很少，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粒子的散射試驗的數(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，D正確；α粒子向原子核射去，當α粒子接近原子核時，克服電場力做功，所以其動能削減，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，電勢能削減，所以選項B、C都錯。3．依據(jù)α粒子散射試驗，盧瑟福提出了原子的核式結構模型，圖中虛線表示原子核所形成的電場的等勢線，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()A．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．加速度先變小，后變大解析：選Cα粒子從a點經(jīng)b點到達等勢點c的過程中電場力先做負功，后做正功，α粒子的電勢能先增加，后減小，回到同一等勢線上時，電場力做的總功為零，故C項正確。1．[多選]盧瑟福的α粒子散射試驗結果表明白()A．原子核是可分的B．湯姆孫的“棗糕”模型是錯誤的C．原子是由勻稱帶正電的物質(zhì)和帶負電的電子構成D．原子中的正、負電荷并非勻稱分布解析：選BDα粒子散射試驗并非證明原子是由什么構成的，而是證明白組成原子的正、負電荷在原子內(nèi)部是如何分布的，由試驗現(xiàn)象可知原子內(nèi)部的正、負電荷并非勻稱分布，證明白“棗糕模型”是錯誤的，故答案為B、D。2．[多選]在α粒子散射試驗中，關于選用金箔的緣由下列說法正確的是()A．金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔B．金原子核不帶電C．金原子核質(zhì)量大，被α粒子轟擊后不易移動D．金這種材料比較昂貴解析：選ACα粒子散射試驗中，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粒子很簡單穿過，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。金原子核帶正電，B錯誤。選用金箔做試驗與金這種材料比較昂貴沒有任何關系，D項錯誤。3．在α粒子散射試驗中，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．電子的體積特別小，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．電子在核外勻稱分布，所以α粒子受電子作用的合外力為零解析：選Bα粒子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的7300倍，電子雖然很小，但數(shù)量許多，α粒子仍能遇到，影響微乎其微。選項B正確。4.在盧瑟福的α粒子散射試驗中，某一α粒子經(jīng)過某一原子核旁邊時的軌跡如圖所示。圖中P、Q為軌跡上的點，虛線是經(jīng)過P、Q兩點并與軌跡相切的直線，兩虛線將平面分為四個區(qū)域。不考慮其他原子核對α粒子的作用，則關于該原子核的位置，正確的是()A．肯定在①區(qū)域 B．可能在②區(qū)域C．可能在③區(qū)域 D．肯定在④區(qū)域解析：選A依據(jù)曲線運動的條件可知選項A正確。5．[多選]關于α粒子散射試驗及核式結構模型，下列說法正確的是()A．帶有熒光屏的顯微鏡可以在水平面內(nèi)的不同方向上移動B．熒光屏上的閃光是散射的α粒子打在熒光屏上形成的C．熒光屏只有正對α粒子源發(fā)出的射線方向上才有閃光D．使α粒子散射的緣由是α粒子與原子核發(fā)生接觸碰撞解析：選AB為視察α粒子穿過金箔后在各個方向上的散射狀況，顯微鏡必需能在水平面內(nèi)各個方向上移動，故A正確；熒光屏上的閃光是α粒子打在熒光屏上引起的，并且在各個方向上都能視察到閃光，故B正確，C錯誤；α粒子散射的緣由是α粒子受到原子核的庫侖斥力，D錯誤。6.依據(jù)α粒子散射試驗，盧瑟福提出了原子的核式結構模型。如圖所示為α粒子散射圖。圖中實線表示α粒子的運動軌跡，則關于α粒子散射試驗，下列說法正確的是()A．圖中發(fā)生大角度偏轉(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)生了碰撞C．絕大多數(shù)α粒子沿原方向接著前進說明白帶正電的原子核占據(jù)原子的空間很小D．依據(jù)α粒子散射試驗可以估算原子的大小解析：選C題圖中發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子所受的庫侖力先做負功后做正功，電勢能先增大后減小，故A錯誤；α粒子反彈是因為受金原子核的庫侖斥力作用，并未發(fā)生碰撞，故B錯誤；絕大多數(shù)α粒子沿原方向前進，說明帶正電的原子核占據(jù)的空間很小，C正確；當α粒子最靠近原子核時，可以估算原子核的大小，無法估算原子的大小，D錯誤。7．[多選]在α粒子散射試驗中，當α粒子穿過金箔時，下列理解正確的是()A．與金原子核相距較遠的α粒子，可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)B．與金原子核相距較近的α粒子，可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)C．α粒子與金原子核距離最近時，系統(tǒng)的能量最小D．α粒子與金原子核距離最近時，系統(tǒng)的勢能最大解析：選BD對α粒子散射現(xiàn)象，盧瑟福的核式結構學說作出了圓滿的說明，并推算了原子核半徑的數(shù)量級為10－15m，只相當于原子半徑的十萬分之一。α粒子穿過金箔時，只有少數(shù)α粒子可能離核較近，金原子核對α粒子的庫侖力較大，使α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，故A錯誤，B正確；α粒子與金原子核之間的作用力是庫侖