选修3-5（高中物理旧教材同步讲义）第18章 2 原子的核式结构模型同步讲义

2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α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α粒子运动情形与轨迹.3.利用能量观点分析计算库仑力对α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，有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”，如图1.图12．α粒子散射实验：(1)α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、放大镜、荧光屏等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中．(2)实验现象①绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进；②少数α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α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)α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α粒子散射现象B．用α粒子散射的实验数据估算原子核的大小C．卢瑟福通过α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α粒子散射实验证明了原子核是由质子和中子组成的答案AB解析α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10－15m，A、B正确；卢瑟福通过α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α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、α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α粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：(1)什么是α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α粒子发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7300倍．(2)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．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的α粒子的数目．(3)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°.(4)α粒子带正电，α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．α粒子散射实验装置(如图2)图22．实验现象(如图3)图3(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进．(2)少数α粒子发生较大的偏转．(3)极少数α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α粒子的速度发生明显改变．(2)汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射．(3)少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α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α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α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α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4A．在1处看到的闪光次数最多B．2处的闪光次数比4处多C．3和4处没有闪光D．4处有闪光但次数极少答案ABD解析在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α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α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度大于90°，极个别α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w部分的作用．(2)弄清实验现象，知道“绝大多数”、“少数”和“极少数”α粒子的运动情况及原因．针对训练α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子的碰撞影响，是因为()A．α粒子与电子根本无相互作用B．α粒子受电子作用的合力为零，是因为电子是均匀分布的C．α粒子和电子碰撞时受力极小，可忽略不计D．电子很小，α粒子碰撞不到电子答案C解析在α粒子散射实验中，电子与α粒子存在相互作用，A错；电子质量只有α粒子的eq\f(1,7300)，电子与α粒子碰撞后，电子对α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10－10m，原子核半径的数量级为10－15m，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10－10m答案ABC解析卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核半径的数量级为10－15m，原子半径的数量级为10－10m，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、α粒子散射实验中α粒子的轨迹与受力1．α粒子的运动情况在离原子核较远处，α粒子近似做匀速直线运动．在α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，α粒子做变速运动，当运动方向与α粒子和原子核的连线不在同一方向上时，α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迹两侧．2．库仑力对α粒子的做功情况(1)当α粒子靠近原子核时，库仑力做负功，电势能增加．(2)当α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α粒子散射实验，①、②两条线表示实验中α粒子运动的轨迹，则沿③所示方向射向原子核的α粒子可能的运动轨迹为()图5A．轨迹a B．轨迹bC．轨迹c D．轨迹d答案A解析卢瑟福通过研究α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，α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③所示方向射向原子核的α粒子可能的运动轨迹为a，故A正确，B、C、D错误．例4如图6所示，根据α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α粒子的运动轨迹．在α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6A．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α粒子及原子核均带正电，故α粒子受到原子核的斥力，α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α粒子从A到C的过程中电场力做的总功等于零，A、B错误，C正确；α粒子所受的库仑力F＝eq\f(kq1q2,r2)，B点离原子核最近，所以α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α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，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α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．(α粒子散射实验现象的认识)如图7所示为卢瑟福α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α粒子在各个角度的散射情况．下列说法中正确的是()图7A．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作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似D．α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹答案C解析α粒子散射实验现象：绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α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．α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．(α粒子散射实验现象的解释)(多选)关于α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．α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α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集中在一个很小的核上D．卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子核式结构理论答案BCD解析在α粒子散射实验中，有少数α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α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．(α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α粒子散射实验的金原子核和两个α粒子的径迹，其中可能正确的是()答案A解析α粒子与金原子核都带正电，相互排斥，α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．一、选择题考点一α粒子散射实验1．对α粒子散射实验的实验装置的描述，你认为正确的有()A．实验器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜B．金箔的厚度对实验无影响C．如果不用金箔改用铝箔，就不会发生散射现象D．实验装置放在空气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项错误；如果不用金箔改用铝箔也会发生散射现象，只是铝的延展性不如金好，不能做到很薄，所以实验结果会受到影响，故C错误；实验装置必须在真空中进行，否则α粒子会电离空气，造成实验现象不明显，故D错误；正确选项为A.2．(多选)在α粒子散射实验中，选用金箔的原因下列说法正确的是()A．金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔B．金核不带电C．金原子核质量大，被α粒子轰击后不易移动D．金核半径大，易形成大角度散射答案ACD解析α粒子散射实验中，选用金箔是因为金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔，α粒子很容易穿过，A正确．金原子核质量大，被α粒子轰击后不易移动，C正确．金核带正电，半径大，易形成大角度散射，故D正确，B错误．3．在α粒子散射实验中，我们并没有考虑电子对α粒子偏转角度的影响，这是因为()A．电子的体积非常小，以致α粒子碰不到它B．电子的质量远比α粒子的小，所以它对α粒子运动的影响极其微小C．α粒子使各个电子碰撞的效果相互抵消D．电子在核外均匀分布，所以α粒子受电子作用的合外力为零答案B解析α粒子的质量是电子质量的7300倍，电子虽然很小，但数量很多，α粒子仍能碰到，影响微乎其微，选项B正确．4．关于α粒子散射实验()A．绝大多数α粒子经过金箔后，发生了角度不太大的偏转B．α粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少C．α粒子离开原子核的过程中，动能增加，电势能也增加D．对α粒子散射实验的数据进行分析，可以估算出原子核的大小答案D解析由于原子核很小，α粒子十分接近它的机会很少，所以绝大多数α粒子基本上仍沿原方向前进，只有极少数发生大角度的偏转，从α粒子散射实验的数据可以估算出原子核直径的大小约为10－15m～10－14m．由此可知A错误，D正确．α粒子向原子核射去，当α粒子接近核时，克服电场力做功，所以其动能减少，电势能增加；当α粒子远离原子核时，电场力做正功，其动能增加，电势能减少，所以选项B、C都错误．5.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1所示为α粒子散射图景，图中实线表示α粒子的运动轨迹，则关于α粒子散射实验，下列说法正确的是()图1A．图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大B．图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了直接碰撞C．绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小D．根据α粒子散射实验可以估算原子大小答案C解析题图中大角度偏转的α粒子所受的电场力先做负功，后做正功，则其电势能先增大后减小，故A错误；题图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核之间的库仑斥力作用，并没有发生直接碰撞，故B错误；从绝大多数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，所以带正电的物质只占整个原子的很小空间，故C正确；依据α粒子散射实验可以估算原子核的大小，故D错误．考点二卢瑟福的核式结构模型6．(多选)卢瑟福的α粒子散射实验结果表明了()A．原子核是可分的B．汤姆孙的“枣糕”模型是错误的C．原子是由均匀带正电的物质和带负电的电子构成D．原子中的正、负电荷并非均匀分布答案BD解析α粒子散射实验并非证明原子是由什么构成的，而是证明了组成原子的正、负电荷在原子内部是如何分布的，由实验现象可知原子内部的正、负电荷并非均匀分布，证明了“枣糕模型”是错误的，故答案为B、D.7．卢瑟福和他的助手做α粒子轰击金箔实验，获得了重要发现，关于α粒子散射实验的结果，下列说法正确的是()A．说明了质子的存在B．说明了原子核是由质子和中子组成的C．说明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里D．说明了正电荷均匀分布答案C解析α粒子的大角度散射，说明了原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核里，C正确．8．人们