第2節(jié)　原子的核式結(jié)構(gòu)模型

第2節(jié)原子的核式結(jié)構(gòu)模型核心素養(yǎng)點(diǎn)擊物理觀念1.了解α粒子散射實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。2.了解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型。3.知道原子和原子核大小的數(shù)量級(jí)?？茖W(xué)思維認(rèn)識(shí)原子核式結(jié)構(gòu)模型建立的科學(xué)推理與論證過程。科學(xué)探究對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出有針對(duì)性的物理問題。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任1.體會(huì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)中所蘊(yùn)含的科學(xué)方法。2.運(yùn)用原子的核式結(jié)構(gòu)理論解釋生活現(xiàn)象。1．填一填(1)裝置(2)現(xiàn)象①

α粒子不改變方向。②

α粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)。③

α粒子偏轉(zhuǎn)角超過90°，有的甚至被原路彈回。(3)原因：靠近原子核的α粒子受

作用使其發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)。(4)結(jié)論：原子中存在體積

的

的部分。2．判一判(1)α粒子散射實(shí)驗(yàn)中絕大多數(shù)α粒子都發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)。

(

)(2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)主要實(shí)驗(yàn)器材有：α粒子源、金箔、環(huán)形熒光屏、顯微鏡。(

)(3)金箔的厚薄對(duì)實(shí)驗(yàn)無影響。

(

)絕大多數(shù)少數(shù)極少數(shù)庫侖力很小帶正電×√×3．選一選從α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)推出的結(jié)論有：①金原子內(nèi)部大部分都是空的；②金原子是一個(gè)球體；③湯姆孫的原子模型不符合原子結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。其中正確的是

(

)A．②③

B．①③C．①②

D．①②③解析：由于極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，說明原子中心有一個(gè)幾乎集中了全部質(zhì)量和集中了全部正電荷的核存在，原子中絕大部分是空的，湯姆孫的原子模型不符合實(shí)際情況；至于把原子看成是一個(gè)球體，是人們?yōu)檠芯糠奖阋氲哪Ｐ?，不是由散射?shí)驗(yàn)推出的結(jié)果，所以①、③正確。答案：B

1．填一填(1)原子核式結(jié)構(gòu)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

，電子在原子核的外面

。(2)原子核的電荷與尺度質(zhì)量運(yùn)動(dòng)2．判一判(1)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為原子中帶正電的部分體積很小，電子在原子核外面運(yùn)動(dòng)。

(

)(2)原子核的直徑數(shù)量級(jí)為10－10m。

(

)(3)α粒子散射實(shí)驗(yàn)表明了原子的質(zhì)量幾乎全部都集中在原子核上。

(

)√√×3．想一想如圖所示為原子核式結(jié)構(gòu)模型的α粒子散射圖景。(1)為什么絕大多數(shù)的α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn)？提示：因?yàn)樵雍撕苄?，所以絕大多數(shù)α粒子穿過原子時(shí)，離核較遠(yuǎn)，受到原子核的斥力很小，基本上仍沿原來運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn)。(2)為什么少數(shù)的α粒子穿過金箔后，發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn)？提示：少數(shù)α粒子從原子核附近穿過時(shí)，才明顯受到原子核的庫侖力作用，發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。如圖所示，用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)裝置圖。各部分的作用是什么？提示：放射源放出快速運(yùn)動(dòng)的α粒子，α粒子通過金箔時(shí)被散射，打在熒光屏上發(fā)出熒光，可通過帶有熒光屏的放大鏡進(jìn)行觀察，并可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察不同方向和不同位置通過金箔的散射α粒子數(shù)量，整個(gè)裝置封閉在真空內(nèi)。[重難釋解]1．實(shí)驗(yàn)背景α粒子散射實(shí)驗(yàn)是盧瑟福和他的合作者做的一個(gè)著名的物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是想證實(shí)湯姆孫原子模型的正確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。2．實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)(1)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程必須在真空中進(jìn)行。(2)α粒子是氦核，穿透能力很弱，因此金箔必須很薄，α粒子才能穿過。4．實(shí)驗(yàn)分析(1)由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于α粒子質(zhì)量，所以電子不可能使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。按照湯姆孫原子模型，正電荷在原子內(nèi)是均勻分布的，α粒子穿過原子時(shí)，它受到的兩側(cè)斥力大部分抵消，因而也不可能使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粒子的散射實(shí)驗(yàn)相矛盾。(3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明原子中絕大部分是空的，原子幾乎全部的質(zhì)量和所有正電荷都集中在原子中心的一個(gè)很小的核上，否則，α粒子大角度散射是不可能的。5．實(shí)驗(yàn)意義(1)否定了湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型。(2)提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型，明確了原子核大小的數(shù)量級(jí)。6．解決α粒子散射實(shí)驗(yàn)問題的技巧(1)熟記實(shí)驗(yàn)裝置及原理。(2)核外電子不會(huì)使α粒子的速度發(fā)生明顯改變。(3)湯姆孫的原子模型不能解釋?duì)亮Ｗ拥拇蠼嵌壬⑸洹?4)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(gè)地方受到了質(zhì)量、電荷量均比它本身大得多的物體的作用。(5)絕大多數(shù)α粒子在穿過厚厚的金原子層時(shí)運(yùn)動(dòng)方向沒有明顯變化，說明原子中絕大部分是空的，原子的質(zhì)量、電荷量都集中在體積很小的核內(nèi)。[解析]在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)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(jìn)，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(gè)別α粒子被反彈回來，所以在B位置只能觀察到少數(shù)的閃光，在C、D兩位置能觀察到的閃光次數(shù)極少，故B、D錯(cuò)誤，C正確。[答案]

ACα粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析(1)α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，絕大部分α粒子不偏轉(zhuǎn)，說明原子內(nèi)部絕大部分是空的。(2)有少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度不大，這一定不是電子作用的結(jié)果，而是原子中質(zhì)量大的部分作用的結(jié)果。(3)大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子數(shù)很少，說明原子中質(zhì)量大的部分體積很小，只有極少數(shù)α粒子接近這部分時(shí)，才發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，使少數(shù)粒子產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)的作用力是

(

)A．原子核對(duì)α粒子的庫侖斥力B．原子核對(duì)α粒子的萬有引力C．原子核對(duì)α粒子磁場(chǎng)力D．核外電子對(duì)粒子的引力解析：α粒子帶正電，原子核質(zhì)量很大也帶正電，它們接近時(shí)就表現(xiàn)出很大的庫侖斥力作用，使α粒子產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤。答案：A

2．關(guān)于α粒子散射實(shí)驗(yàn)及核式結(jié)構(gòu)模型，下列說法正確的是

(

)A．整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置都處于真空環(huán)境中B．絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)C．α粒子接近金原子核時(shí)，受到很強(qiáng)的吸引力才可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)D．α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了核式結(jié)構(gòu)模型解析：整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置都處于真空環(huán)境中，選項(xiàng)A正確；絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后不改變方向，只有極少數(shù)的粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；α粒子接近金原子核時(shí)，受到很強(qiáng)的排斥力才可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；α粒子散射實(shí)驗(yàn)建立了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案：A

盧瑟福無法用湯姆孫原子結(jié)構(gòu)模型解釋?duì)亮Ｗ影l(fā)生大角度散射現(xiàn)象，盧瑟福經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)，于1911年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。(1)電子為什么不因?yàn)槭艿綆靵隽Φ奈涞皆雍松?？提示：因?yàn)殡娮永@核運(yùn)轉(zhuǎn)，正如地球繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)一樣，庫侖力提供向心力。(2)兩種原子模型的主要區(qū)別是什么？提示：湯姆孫原子模型認(rèn)為：正電荷和質(zhì)量均勻分布，負(fù)電荷鑲嵌在其中；盧瑟福原子模型認(rèn)為：原子的全部正電荷以及幾乎全部質(zhì)量都集中在原子中心的一個(gè)極小的核內(nèi)，電子質(zhì)量很小，分布在很大空間內(nèi)。

[重難釋解]1．兩種原子模型(1)湯姆孫原子模型的特點(diǎn)：湯姆孫認(rèn)為原子是一個(gè)直徑約為10－10m的球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球體中，帶負(fù)電的電子嵌在其中，就好像面包中嵌著一粒粒葡萄干一樣。(2)盧瑟福的原子模型的特點(diǎn)：盧瑟福認(rèn)為原子有些像太陽系，電子繞核運(yùn)動(dòng)就像太陽系的行星繞太陽運(yùn)動(dòng)一樣，因此，盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型又被稱為行星模型。2．兩種原子模型的對(duì)比

湯姆孫的葡萄干面包模型盧瑟福的原子核式模型分布情況正電荷和質(zhì)量均勻分布，負(fù)電荷鑲嵌在其中正電荷以及幾乎全部質(zhì)量集中在原子中心的一個(gè)極小核內(nèi)，電子質(zhì)量很小，分布在很大空間內(nèi)受力情況α粒子在原子內(nèi)部時(shí)，受到的庫侖斥力相互抵消，幾乎為零少數(shù)靠近原子核的α粒子受到的庫侖力大，而大多數(shù)離核較遠(yuǎn)的α粒子受到的庫侖力較小

湯姆孫的葡萄干面包模型盧瑟福的原子核式模型偏轉(zhuǎn)情況不會(huì)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，更不會(huì)彈回絕大多數(shù)α粒子運(yùn)動(dòng)方向不變，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)角度超過90°，有的甚至被彈回分析結(jié)論不符合α粒子散射現(xiàn)象符合α粒子散射現(xiàn)象3．原子核式結(jié)構(gòu)的含義(1)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，非常接近它們的原子序數(shù)。(2)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)。(3)原子半徑的數(shù)量級(jí)是10－10m，原子核半徑的數(shù)量級(jí)是10－15m，兩者相差十萬倍之多。[解析]

根據(jù)題意，α粒子帶正電荷，此粒子由a到b是接近帶正電的原子核，由b到c是遠(yuǎn)離帶正電的原子核，故電場(chǎng)力對(duì)α粒子先做負(fù)功后做正功，所以其電勢(shì)能先增大后減小，而動(dòng)能先減小后增大，B正確，A、D錯(cuò)誤。根據(jù)庫侖定律和牛頓第二定律可知，α粒子加速度先增大后減小，C錯(cuò)誤。[答案]

B(2)牛頓運(yùn)動(dòng)定律和圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律：可以用來分析電子繞原子核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的問題。(3)功能關(guān)系：可以分析由于庫侖力做功引起的帶電粒子在原子核周圍運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能、電勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化問題。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．人們?cè)谘芯吭咏Y(jié)構(gòu)時(shí)提出過許多模型，其中比較有名的是葡萄干面包模型和核式結(jié)構(gòu)模型，它們的模型示意圖如圖所示。下列說法中正確的是

(

)A．α粒子散射實(shí)驗(yàn)與葡萄干面包模型和核式結(jié)構(gòu)模型的建立無關(guān)B．科學(xué)家通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了葡萄干面包模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型C．科學(xué)家通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了核式結(jié)構(gòu)模型，建立了葡萄干面包模型D．科學(xué)家通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了葡萄干面包模型和核式結(jié)構(gòu)模型，建立了玻爾的原子模型解析：α粒子散射實(shí)驗(yàn)與核式結(jié)構(gòu)模型的建立有關(guān)，通過該實(shí)驗(yàn)，否定了葡萄干面包模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型。答案：B

2．關(guān)于原子結(jié)構(gòu)，下列說法正確的是

(

)A．原子中原子核很小，核外很“空曠”B．原子核的半徑的數(shù)量級(jí)是10－10mC．原子的全部電荷都集中在原子核里D．原子的全部質(zhì)量都集中在原子核里解析：盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)容為：在原子中心有一個(gè)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(yùn)動(dòng)，故C、D錯(cuò)；又因?yàn)樵雍税霃降臄?shù)量級(jí)為10－15m，原子半徑的數(shù)量級(jí)為10－10m，兩者相差十萬倍之多，因此原子內(nèi)部是十分“空曠”的，故A對(duì)，B錯(cuò)。答案：A

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維(選自人教版新教材課后練習(xí))α粒子散射實(shí)驗(yàn)用的是金箔等重金屬箔，而沒有用輕金屬箔，例如鋁箔。除了金的延展性好，可以把金箔做得非常薄這個(gè)原因以外，你認(rèn)為還有什么原因？提示：除題目中提到的原因以外，重金屬的原子核帶電荷量較大，質(zhì)量和體積也相對(duì)較大，所以用重金屬箔實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯。二、注重學(xué)以致用和思維建模1．(多選)在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，如果兩個(gè)具有相同能量的α粒子，從不同大小的角度散射出來，則散射角度大的α粒子

(

)A．更接近原子核 B．更遠(yuǎn)離原子核C．受到一個(gè)以上的原子核作用 D．受到原子核較大的沖量作用解析：由于原子的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子核的體積，當(dāng)α粒子穿越某一個(gè)原子的空間時(shí)，其他原子核距α粒子相對(duì)較遠(yuǎn)，而且其他原子核對(duì)α粒子的作用力也可以近似相互抵消，所以散射角度大的這個(gè)α粒子并不是由于受到多個(gè)原子核作用造成的，C錯(cuò)；由庫侖定律可知，α粒子受到的斥力與距離的平方成反比，α粒子距原子核越近，斥力越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?cè)酱螅瓷⑸浣嵌仍酱?，A對(duì)，B錯(cuò)；當(dāng)α粒子受到原子核較大的沖量作用時(shí)，動(dòng)量的變化量就大，即速度的變化量就大，則散射角度就大，D對(duì)。答案：AD

3．1909年英國(guó)科學(xué)家盧瑟福進(jìn)行了著名的α粒子(帶正電)轟擊金箔實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原方向前進(jìn)，但是有少數(shù)α粒子卻發(fā)生了較大