3.2 原子的结构 学案（2020年粤教版高中物理选修3-5）

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1、第二节第二节 原子的结构原子的结构 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道汤姆生的原子结构模型.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模型的内容和意义. 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、“葡萄干布丁”模型 1.汤姆生的葡萄干布丁模型：原子是一个球体，带正电的部分均匀分布在整个球内.电子像布 丁中的葡萄干一样镶嵌在原子里.(如图 1 所示) 图 1 2.汤姆生的模型能解释一些实验事实，如利用电子的简谐振

2、动定性解释某些光辐射. 二、 粒子散射实验 1.实验装置 (1)放射源：钋放在带小孔的锌箱子中，能放射 粒子. 粒子：带正电，q2e，质量约为氢原子的 4 倍. (2)金箔：厚度极小(虽然很薄但仍有几千层原子). (3)显微镜：能够在围绕金箔的水平面内转动观察. 2.实验结论 (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 粒子发生了较大的偏转； (3)极少数 粒子的偏转角 超过 90 ，有的甚至几乎达到 180 . 3.实验意义 (1)否定了汤姆生的原子结构模型. (2)提出了原子核式结构模型，明确了原子核大小的数量级. 三、原子核式结构的提出 1.核式结构模型：原子的中心

3、有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电 子则在核外空间绕核旋转. 2.原子半径大约为 10 10 m. 3.原子核的半径大约为 10 151014 m，相当于原子半径的万分之一. 1.判断下列说法的正误. (1)汤姆生的“葡萄干布丁”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生的“葡萄干布丁”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)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)(2019 三明一中高二期中)卢瑟福的原子核式结

4、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生的葡萄干布丁模型相矛盾，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

5、的，故 D 错误. 一、对 粒子散射实验的理解 1.实验装置示意图(如图 2) 图 2 2.注意事项 (1)整个实验过程在真空中进行. (2) 粒子是氦原子核，体积很小，金箔需要做得很薄， 粒子才能穿过. 3. 粒子散射实验与汤姆生的原子模型的冲突分析 (1)由于电子质量远小于 粒子质量，所以电子不可能使 粒子发生大角度偏转. (2)使 粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分，按照汤姆生原子模型，正电荷在 原子内是均匀分布的， 粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分抵消，因而也不可能使 粒子发生大角度偏转，更不可能使 粒子反向弹回，这与 粒子的散射实验相矛盾. (3)实验现象表明原子绝大

6、部分是空的，除非原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子 中心的一个很小的核上，否则， 粒子大角度散射是不可能的. 例 1 (多选)(2018 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 3 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 3 A.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 粒子散射实验中，

7、 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 1 粒子散射实验中，不考虑电子和 粒子的碰撞影响，是因为( ) 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

8、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、卢瑟福原子核式结构模型 1.原子的核式结构模型的内容 原子的中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电子则在核外空间绕 核旋转. 2.对 粒子散射实验的解释 (1)按照该模型，由于原子核很小，大部分 粒子穿过金箔时都离核很远，受到的库仑斥力很 小，它们的运动几乎不受影响. (2)少数的 粒子从原子

9、核附近飞过，受到的库仑斥力很大，从而发生大角度的偏转. (3)极个别的 粒子正对着原子核射来，受到的库仑斥力最大，偏转角几乎达到 180 . 3.原子核的电荷与大小 (1)原子内的电荷关系：原子核的电荷数等于核外电子数. (2)原子核的大小：原子核半径的数量级为 10 151014 m，原子半径的数量级为 1010 m，两 者相差万倍之多，可见原子内部十分“空旷”. 提示 (1)使 粒子发生偏转的是原子核对它的库仑斥力， 粒子离原子核越近，库仑斥力越 大， 粒子的加速度越大，反之则越小. (2) 粒子与原子核间的万有引力远小于两者间的库仑力， 因而可以忽略不计.处理 粒子等微 观粒子时一般不计

10、重力. 例 2 下列对原子结构的认识中，错误的是( ) 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.原子核的半径大约为 10 10 m 答案 D 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生模型，提出了关于原子的 核式结构模型，并估算出原子核半径的数量级为 10 151014 m，原子半径的数量级为 10 10 m，原子半径是原子核半径的万倍之多，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. 针对训练 2 如图 4 所示的三个示意

11、图所表示的实验中能说明原子核式结构的是_. 图 4 答案 A 解析 图 A 是 粒子散射实验，反映了原子的核式结构. 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

12、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、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

13、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 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

14、 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葡萄干布丁模型 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，

15、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，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.选用不同金属箔片作为 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

16、击到金箔原子核后发生反弹 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 粒子发生大角度偏转， 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

17、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 广州五校高二下学期期末联考)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.