3-2 原子的结构 学案

学案2　原子的结构
[学习目标定位]
1.知道α粒子散射实验的实验方法和实验现象.2.知道卢瑟福原子核式结构模型的主要内容.3.能说出原子和原子核大小的数量级．
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1．汤姆生的原子模型
汤姆生提出了原子模型，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．
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汤姆生的原子模型被称为葡萄干布丁模型．该模型能解释一些实验现象，但后来被α粒子散射实验否定了．
2．α粒子散射实验
(1)α粒子
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，由两个中子和两个质子组成，质量为氢原子的4倍、电子的7
300倍．
(2)实验结果
绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进．少数α粒子发生大角度偏转，并且有极少数α粒子的偏转角超过了90°.
(3)卢瑟福的核式结构模型
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．
3．原子核的大小
对于一般的原子核，实验确定的原子核半径R的数量级为10－15m～10－14m，而整个原子半径的数量级大约是10－10m.因而原子内部十分“空旷”．
解决学生疑难点：
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一、α粒子散射实验
[问题设计]
阅读课本“α粒子散射实验”，回答下列问题：
(1)α粒子散射实验装置由几部分组成？实验过程是怎样的？
(2)α粒子散射实验的实验现象是什么？
答案　(1)实验装置：
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①α粒子源：钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能α粒子，带两个单位的正电，质量为氢原子质量的4倍．
②金箔：特点是金原子的质量大，且易延展成很薄的箔．
③显微镜：能绕金箔在水平面内转动．
④荧光屏：荧光屏装在放大镜上．
⑤整个实验过程在真空中进行．金箔很薄，α粒子(He)很容易穿过．
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粒子有库仑力作用，一些α粒子会改变原来的运动方向．带有显微镜的荧光屏可以沿图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目．
(2)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
°.
[要点提炼]
1．α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、显微镜、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．实验发现：绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，有少数α粒子发生了大角度偏转．
3．α粒子散射实验的结果用汤姆生的“葡萄干布丁模型”无法解释．
二、卢瑟福原子核式结构模型
[问题设计]
按照汤姆生的原子模型，正电荷弥漫性均匀分布在原子内，α粒子穿过原子时受到的各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对α粒子运动的影响不会很大，因而不会发生大角度散射现象，这与实验结果相矛盾．为了解释实验结果，卢瑟福提出了怎样的原子模型？用该模型怎样解释α粒子散射实验的实验现象？
答案　卢瑟福提出了原子核式结构模型．它认为原子由原子核和核外电子构成．利用原子核式结构模型能很好地解释α粒子散射实验：当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α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α粒子不发生偏转．只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑斥力，偏转角才很大，而这种机会很少．如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图所示．
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[要点提炼]
1．卢瑟福原子核式结构模型
在原子中心有一个很小的核，叫原子核．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转．
2．在α粒子散射实验中，当α粒子离带正电的原子核很远时，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎不变，少数α粒子离带正电的原子核很近时，受到的库仑斥力很大，运动方向发生较大的改变，因而发生大角度偏转．
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一、对α粒子散射实验的认识
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例1
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　(单选)如图1所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，观察到的现象，下述说法中错误的是(　　)
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图1
A．放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多
B．放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些
C．放在C、D位置时，屏上观察不到闪光
D．放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少
解析　根据α粒子散射现象，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，少数α粒子发生较大偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”．故本题应选C.
答案　C
针对训练1　(单选)对α粒子散射实验装置的描述，你认为正确的是(　　)
A．实验器材有α粒子源、金箔、带有荧光屏的显微镜
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　实验所用的金箔的厚度极小，如果金箔的厚度过大，α粒子穿过金箔时必然受到较大的阻碍作用而影响实验效果，B项错．如果改用铝箔，由于铝核的质量仍远大于α粒子的质量，散射现象仍然发生，C项错．空气的流动及空气中有许多漂浮的分子，会对α粒子的运动产生影响，实验装置是放在真空中进行的，D项错．正确选项为A.
二、原子的核式结构分析
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例2
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　(单选)卢瑟福原子核式结构理论的主要内容不包括(　　)
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里
D．带负电的电子在核外绕着核旋转
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里，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，本题选B.
答案　B
针对训练2　(单选)在卢瑟福α粒子散射实验中，只有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是(　　)
A．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
B．正电荷在原子内是均匀分布的
C．原子中存在着带负电的电子
D．原子的质量在原子核内是均匀分布的
答案　A
解析　本题考查了学生对α粒子散射实验结果与原子的核式结构关系的理解．原子的核式结构正是建立在α粒子散射实验结果基础上的，C、D的说法没有错，但与题意不符．
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原子的结构
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1．(单选)卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用α粒子轰击金箔，实验中发现α粒子(　　)
A．全部穿过或发生很小偏转
B．绝大多数穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回
C．绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过
D．全部发生很大偏转
答案　B
解析　卢瑟福的α粒子散射实验结果是绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，故选项A错误．α粒子被散射时只有少数发生了较大角度偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°，故选项B正确，选项C、D错误．
2．(单选)卢瑟福的α粒子散射实验的结果显示了下列哪些情况(　　)
A．原子内存在电子
B．原子的大小为10－10
m
C．原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上
D．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
答案　D
解析　根据α粒子散射实验现象，绝大多数α粒子穿过金箔后沿原来方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°，可知C错，A与题意不符．而实验结果不能判定原子的大小为10－10
m，B错，故选D.
3．(单选)关于卢瑟福的原子核式结构学说的内容，下列叙述正确的是(　　)
A．原子是一个质量分布均匀的球体
B．原子的质量几乎全部集中在原子核内
C．原子的正电荷和负电荷全部集中在一个很小的核内
D．原子半径的数量级是10－10m，原子核半径的数量级是10－10m
答案　B
解析　根据卢瑟福的原子核式结构学说，可知选项B正确．
4．(单选)当α粒子穿过金箔发生大角度偏转的过程中，下列说法正确的是(　　)
A．α粒子先受到原子核的斥力作用，后受原子核的引力的作用
B．α粒子一直受到原子核的斥力作用
C．α粒子先受到原子核的引力作用，后受到原子核的斥力作用
D．α粒子一直受到库仑斥力，速度一直减小
答案　B
解析　α粒子与金原子核带同种电荷，两者相互排斥，故A、C错误，B正确；α粒子在靠近金原子核时斥力做负功，速度减小，远离时斥力做正功，速度增大，故D错误．
5．(单选)卢瑟福对α粒子散射实验的解释不正确的是(　　)
A．使α粒子产生偏转的主要是原子中电子对α粒子的作用力
B．使α粒子产生偏转的力是库仑力
C．原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进
D．能发生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子
答案　A
解析　原子核带正电，与α粒子间存在库仑力，当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转，电子对它的影响可忽略，故A错，B对；由于原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远，因而运动方向几乎不变，只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D对，本题选A.
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[概念规律题组]
1．(双选)下列关于原子结构的说法正确的是(　　)
A．电子的发现说明了原子内部还有复杂结构
B．α粒子散射实验揭示了原子的核式结构
C．α粒子散射实验中绝大多数α粒子都发生了较大偏转
D．α粒子散射实验中有的α粒子发生较大偏转是α粒子与原子发生碰撞所致
答案　AB
解析　电子的发现，证明了原子内部有带正电的物质，说明原子内部还有复杂结构．α粒子的散射实验揭示了原子的核式结构．
2．(单选)由α粒子散射实验结果可知，下列说法不正确的是(　　)
A．原子中绝大部分是空的
B．原子中全部正电荷都集中在原子核上
C．原子核内有电子
D．原子的质量几乎全部都集中在原子核上
答案　C
3．(单选)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粒子和电子碰撞损失能量极少，可忽略不计
D．电子很小，α粒子碰撞不到电子
答案　C
解析　α粒子与电子之间存在着相互作用力，这个作用力是库仑引力，但由于电子质量很小，只有α粒子质量的七千三百分之一，碰撞时对α粒子的运动影响极小，几乎不改变其运动方向，就像一颗子弹撞上一个尘埃一样，故正确选项是C.
4．(单选)卢瑟福提出原子核式结构的实验基础是α粒子散射实验，在α粒子散射实验中，大多数α粒子穿越金箔后仍然沿着原来的方向运动，其较为合理的解释是(　　)
A．α粒子穿越金箔时距离原子核较近
B．α粒子穿越金箔时距离原子核较远
C．α粒子穿越金箔时没有受到原子核的作用力
D．α粒子穿越金箔时受到原子核与电子的作用力构成平衡力
答案　B
解析　根据α粒子散射实验现象，卢瑟福提出了原子的核式结构，他认为原子的中心有一个很小的核，聚集了原子的全部正电荷和几乎全部质量．大多数α粒子穿越金箔时距离金原子核较远，所以受到原子核的作用力较小，基本上仍然沿着原来的方向运动．
[方法技巧题组]
5．(单选)在α粒子散射实验中，使少数α粒子发生大角度偏转的作用力是原子核对α粒子的(　　)
A．万有引力
B．库仑力
C．磁场力
D．核力
答案　B
解析　金原子核和α粒子在距离很近时，产生较大的库仑力而使少数α粒子发生大角度偏转．
6．(单选)如图所示，X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它们入射时的动能相同，其偏转轨道可能是图中的(　　)
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答案　D
解析　α粒子离金核越远其斥力越小，轨道弯曲程度就越小，故选项D正确．
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图1
7．(双选)如图1所示为α粒子散射实验中α粒子穿过某一原子核附近时的示意图，A、B、C三点分别位于两个等势面上，则以下说法中正确的是(　　)
A．α粒子在A处的速度比在B处的速度小
B．α粒子在B处的速度最大
C．α粒子在A、C处的速度的大小相同
D．α粒子在B处的速度比在C处的速度小
答案　CD
解析　根据α粒子的运动轨迹曲线，可判定α粒子受到的是斥力，由A到B库仑力做负功，速度减小，故选项A、B错误．由于A、C两点位于同一等势面上，所以α粒子在A、C处的速度大小相同，C、D项正确．
8．(单选)关于α粒子散射实验，下列说法不正确的是(　　)
A．α粒子穿过原子时，由于α粒子的质量比电子大得多，电子不可能使α粒子的运动方向发生明显的改变
B．由于绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来方向前进，所以使α粒子发生大角度偏转的原因是在原子中极小的区域内集中着对α粒子产生库仑力的正电荷
C．α粒子穿过原子时，只有少数粒子发生大角度偏转的原因是原子核很小，α粒子接近原子核的机会很小
D．使α粒子发生大角度偏转的原因是α粒子穿过原子时，原子内部两侧的正电荷对α粒子的斥力不相等
答案　D
解析　电子的质量很小，当和α粒子作用时，对α粒子运动的影响极其微小，A正确．α粒子发生大角度偏转，说明原子核的正电荷和几乎全部的质量都集中在一个很小的区域内，所以B、C正确，D错误．
[创新应用题组]
9．已知电子质量为9.1×10－31
kg，带电荷量为－1.6×10－19
C，当氢原子核外电子绕核旋转时的轨道半径为0.53×10－10
m时，求电子绕核运动的速度、频率、动能和等效的电流．
答案　2.19×106
m/s　6.58×1015
Hz　2.17×10－18
J
1．07×10－3
A
解析　根据库仑力提供电子绕核旋转的向心力可知
k＝m
v＝e
＝1.6×10－19×
m/s＝2.19×106
m/s
而v＝2πfr，即f＝＝
Hz
＝6.58×1015
Hz
Ek＝mv2＝·＝×
J＝2.17×10－18
J
设电子运动周期为T，则
T＝＝
s＝1.5×10－16
s
电子绕核的等效电流：
I＝＝＝
A＝1.07×10－3
A.