2.2原子的核式结构模型 学案（2020年教科版高中物理选修3-5）

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1、2 原子的核式结构模型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 粒子散射实验的原理、现象和结论.3.知道 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、汤姆孙的原子模型 汤姆孙假想正电荷构成一个密度均匀的球体，电子“浸浮”其中，并分布在一些特定的同心 圆环或球壳上，如图 1 所示. 图 1 汤姆孙的原子模型被称为枣糕模型.该模型能解释一些实验现象， 但后来被 粒子散射实验否

2、定了. 二、 粒子散射实验 1.实验装置 (1)放射源 钋放在带小孔的铅盒中，能放射 粒子. 粒子：带正电，q2e，质量约为氢原子的 4 倍，射出速度可达 107 m/s. (2)探测器：能够围绕金箔在水平面内转动， 粒子打在探测器上会发出荧光. 2.实验结果 绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进或只发生很小的偏转，但有些 粒子发生了 较大的偏转，大约 1 8 000的 粒子偏转角度超过了 90 ，个别的甚至接近 180 . 三、原子的核式结构模型 1.核式结构模型：1911 年由卢瑟福提出.在原子中间有一个体积很小、带正电荷的核，而电子 在核外绕核运动.原子核虽小，但几乎集中了原子的所

3、有质量，对于中性原子，所有电子带的 负电荷之和等于原子核所带的正电荷. 2.原子核的尺度 原子核的直径约为 10 15 m，只有原子直径的 1 100 000. 四、原子的核式结构模型与经典理论的矛盾 卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了 粒子散射实验，但是， 经典的物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子发光频谱的分立特征. 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) 粒子散射实验证实了汤姆孙的原子枣糕模型.( ) (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

4、 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 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 粒子散射实验证明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直径的数量级为 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

5、核和核外电子组成的，但不能证明原子核 是由质子和中子组成的，故 C、D 错误. 一、对 粒子散射实验的理解与分析 如图所示为 1909 年英籍新西兰物理学家卢瑟福及盖革等进行 粒子散射实验的实验装置， 阅读课本，回答以下问题： (1)实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？ (2)实验现象如何？ (3)少数 粒子发生大角度散射的原因是什么？ 答案 (1) 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 粒子. 可移动探测器：观察 粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光. 实验过程： 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 粒子有库仑力的作用， 一

6、些 粒子会改变原来的运动方向.探测器可以沿题图中虚 线转动，以统计向不同方向散射的 粒子的数目. (2) 粒子散射实验的实验现象：绝大多数 粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进或只发生 很小的偏转， 但有少数 粒子发生了较大的偏转， 偏转的角度大于 90 ， 个别的甚至接近 180 . (3) 粒子带正电， 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.实验现象 (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 粒子发生较大的偏转. (3)极少数 粒子偏转角度超过 90 ，有的几乎达到 180 . 2.实验现象的分析 (1)核外电子不会使 粒子的速度发生明显改变. (2

7、)汤姆孙的原子模型不能解释 粒子的大角度散射. (3)少数 粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些 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 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)(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 2 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

8、法正确的是( ) 图 2 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 粒子散射实验中， 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

9、及原因. 针对训练 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、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与原子的枣糕模型的对比： 核式结构模型 枣糕模型 原子内部是非常空旷的，

10、正电荷集中在一 个很小的核里 原子是充满了正电荷的球体 电子绕核高速旋转 电子均匀嵌在原子球体内 2.原子的核式结构模型对 粒子散射实验结果的解释： (1)当 粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小， 粒子就像穿过“一片空 地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小.因为原子核很小，所以绝大多数 粒子不发生偏转. (2)只有当十分接近原子核的 粒子穿过原子时，才受到很大的库仑力作用，偏转角才很大， 而这种机会很少. (3)如果 粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到 180 ，这种机会极少，如图 3 所示. 图 3 3.原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近原子序数.

11、 4.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. 5.原子核的大小：原子直径的数量级为 10 10 m，原子核直径的数量级为 1015 m，原子核的 直径只相当于原子直径的十万分之一，体积只相当于原子体积的 10 15. 例 2 (多选)根据卢瑟福的原子的核式结构理论， 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 10 m 答案 ABC 解析 卢瑟福 粒子散射实验的结果否定了汤姆孙的原子模型，提出了关于原子的核式结构 模型，

12、并估算出原子核直径的数量级为 10 15 m，因原子直径的数量级为 1010 m，是原子核 直径的十万倍，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、 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.

13、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，库仑力做正功，电势能减小. 例 3 如图 4 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 4 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

14、、D 错误. 例 4 如图 5 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 5 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，

15、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 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.(两种原子模型的认识)人们在研究原子结构时提出过许多模型， 其中比较有名的是枣糕模型 和核式结构模型，它们的模型示意图如图 6 所示.下列说法中正确的是( ) 图 6 A. 粒子散射实验与枣糕模型和核式结构模型的建立无关 B.科学家通过 粒子散射实验否定了枣糕模型，建立了核式结构模型 C.科学家通过 粒子散射实验否定了核式结构模型，建立了枣糕模型 D.科学家通过 粒

16、子散射实验否定了枣糕模型和核式结构模型 答案 B 解析 粒子散射实验与核式结构模型的建立有关，通过该实验，否定了枣糕模型，建立了 核式结构模型. 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.卢瑟福选用不同重金属箔片作为 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

17、粒子撞击到金箔原子后产生的反弹 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，极少数 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，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，选项 D 错误，C 正确. 3.( 粒子散射实验现象的解释)(多选)关于 粒子的散射实验，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

18、构理论 答案 BCD 解析 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 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.