课件33张PPT。知识与技能
1．知道α粒子散射实验。
2．知道原子的核式结构模型的主要内容，理解模型提出的主要思想。
3．知道原子的组成，了解原子核和原子大小的数量级。过程与方法
1．经历α粒子散射实验。
2．经历原子的核式结构模型建立的过程。
情感、态度与价值观
1．体验实验乐趣。
2．提高分析问题、解决问题的能力。
1.汤姆孙原子模型：原子是一个球体，正电荷弥漫性地________分布在整个球体内，电子________其中，有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“________模型”。
2．α粒子散射实验现象：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上________方向前进，但有少数α粒子(约占八千分之一)发生了________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”。3．卢瑟福原子结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有________质量，电子在正电体的________运动。正电体的尺度是很小的，被称为________。所以卢瑟福的电子结构模型因而被称为________结构模型。
4．原子由带电荷________的核与核外Z个电子组成。原子序数Z等于________与电子电荷大小的比值。原子核由________和________组成的，原子核的电荷数就是核中的________数。答案：
1．均匀 镶嵌 枣糕
2．仍沿原来的 大角度
3．全部 外面 原子核 核式
4．＋Ze 核电荷 质子 中子 质子
知识点1 α粒子散射实验
1．汤姆孙原子模型
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”。
说明：汤姆孙的原子结构模型虽然能解释一些实验事实，但这一模型很快被新的实验事实——α粒子散射实验所否定。2．α粒子散射实验
1909～1911年卢瑟福和他的助手做了用α粒子轰击金箔的实验，获得了重要的发现。
(1)实验装置(如图18－2－1所示)
图18－2－1说明：①整个实验过程在真空中进行。
②金箔很薄，α粒子( He核)很容易穿过。
(2)实验结果
绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数α 粒子发生了大角度的偏转，偏转角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”。(3)实验分析
按照汤姆孙的“枣糕”原子模型，α粒子如果从原子之间或原子的中心线穿过时，它受到周围的正负电荷作用的库仑力是平衡的，α粒子不产生偏转；如果α粒子偏离原子的中心轴线穿过，两侧电荷作用的库仑力相当于一部分被抵消，α粒子偏转很小；如果α粒子正对着电子射来，质量远小于α粒子的电子不可能使α粒子发生明显偏转，更不可能使它反弹。所以α粒子的散射实验结果否定了汤姆孙的原子模型。(4)原子的核式结构模型
卢瑟福根据α粒子散射实验的结果，提出了原子的核式结构模型：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原子核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。(5)原子的核式结构模型对α粒子散射现象的解释
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，运动方向改变极少，由于原子核很小，这种机会就很多，所以绝大多数α粒子不产生偏转；只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大库仑斥力，偏转角才很大，而这种机会很少；如果α粒子几乎正对着原子核射来。偏转角就几乎达到180°，这种机会极少(如图18－2－2所示)。图18－2－2【例1】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．原子的全部正电荷与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
【答案】A、C、D【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里绕着核旋转，由此可见B选项错，A、C、D选项正确。*对应训练*
1．下列关于卢瑟福α粒子散射实验结果的叙述正确的是
( )
A．全部α粒子都穿过金箔未发生偏转
B．绝大多数α粒子穿过金箔未发生偏转，少数发生较大偏转，极少数被弹回
C．绝大多数α粒子发生很大偏转，只有少数穿过金箔
D．所有α粒子都发生较大偏转解析：对实验结果来看，只有B说法是与实验现象相吻合的。
答案：B
知识点2 原子核的电荷与尺度
(1)原子是由原子核与电子组成的。
(2)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子
质子数——Z 等于原子的核电荷数，也是元素的原子序数。
质量数——A 原子核的质量等于质子质量和中子质量之和，质量数就是原子核内的核子数。
中子数——A－Z 等于质量数(核子数)减质子数。
即：核电荷数＝核外电子数＝质子数＝原子序数(3)对于一般的原子核半径数量级为10－15 m，整个原子半径的数量级是10－10 m，两者相差十万倍之多，可见原子内部是十分“空旷”的。【例2】下列对原子结构的认识，错误的是
( )
A．原子中绝大部分是空的，原子核很小
B．电子在核外绕核旋转，向心力为库仑力
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】D【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，卢瑟福提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核直径的数量级为10－15 m，而原子直径的数量级为10－10 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库仑引力而绕核旋转。所以本题应选D。*对应训练*
2．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1/7 300，碰撞时对α粒子的运动影响极小，几乎不改变运动方向，就像一颗子弹撞上一粒尘埃一样，故正确答案为C。
答案：C
两种模型对α粒子散射现象的分析
1．汤姆孙模型对α粒子散射现象的分析
(1)分布情况：正电荷和原子质量是均匀分布的。
(2)受力情况：两侧正电荷对α粒子的库仑斥力有相当一部分相互抵消。使α粒子偏转的库仑合力不会很大。
(3)偏转情况：不会发生很大偏转，更不会弹回。
(4)分析结论：汤姆孙模型的分析不符合α粒子散射的实际情况。2．卢瑟福的核式结构模型对α粒子散射分析
(1)分布情况：正电荷和几乎全部质量集中在原子核内，原子中绝大部分是空的。
(2)受力情况：①少数α粒子靠近原子核时，受到的库仑斥力大；②大多数α粒子离原子核较远，受到的库仑斥力较小。
(3)偏转情况：①少数α粒子可能发生大角度偏转，甚至被弹回；②绝大多数α粒子运动方向不会明显变化(因为电子的质量相对于α粒子很小)。
分析结论：核式结构模型符合α粒子散射的实际情况。【例3】卢瑟福对α粒子散射实验的解释是
( )
A．使α粒子产生偏转的力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．能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子
【答案】B、C、D【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，故B对，A错；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。
卢瑟福
欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)1871年8月31日出生于新西兰的一个偏辟乡村，其父是一个诚实而正直的农民和手工业工匠，其母是一位乡村教师。自幼受到母亲的良好教育和影响，中学阶段在纳尔逊学院是表现最拔尖的学生，在坎特伯雷学院的四年大学生活中，数学教授库克和化学、物理教授毕克顿对他的学习和后来的发展影响很大，引导他走上了科学研究的道路。1895年卢瑟福有幸获得新西兰唯一的一个“大博览会奖学金”名额赴英国剑桥大学师从J.J.汤姆孙读研究生，先在无线电通讯方面崭露头角，后又沿着气体导电、放射性、原子物理、核物理的顺序做出一系列划时代的重大发现。他一生的工作主要可分为加拿大的麦克吉尔大学时期(1898—1907)、英国曼彻斯特大学时期(1907—1919)和英国剑桥大学卡文迪许实验室时期(1919—1937)。1908年卢瑟福由于研究放射性物质及对原子科学的杰出贡献荣获诺贝尔化学奖，1925年当选为英国皇家学会主席，1930年被英国女皇封为勋爵，1937年10月19日在英国不幸去世。1897年，J.J.汤姆孙发现了电子，其后，汤姆孙提出了“葡萄干布丁模型”，认为电子是原子的基本单位，正电均匀分布在原子内，电子则由于与其他电子相排斥与正电体相吸引而处于原子内的平衡位置。这一模型缺乏实验根据。为了探索原子的秘密，卢瑟福及其学生做了用高能α粒子束穿透金箔的实验。实验表明，α粒子束在通过金箔时，绝大多数都保持原来的运动方向，没有受到阻挡，“如入无人之境”。这表明原子内部存在着相当大的空旷空间。但是，实验还表明，约有1/8 000的α粒子通过金箔时改变了原来的运动方向，发生明显的偏转，个别的α粒子甚至被反弹回来。很明显，原子中一定存在着体积极小但集中了全部正电荷的“核”，α粒子束通过金箔时，有极少数碰上了这个“核”，受到正电斥力的作用发生了散射；而绝大多数则没有碰上这个“核”，顺利地按原来的运动方向通过了金箔。通过反复的实验观测和对实验数据的理论计算，一幅真实的原子图景在卢瑟福的脑海里出现了：在原子的中心，有一个带正电荷核，其半径约为3×10－13 cm, 它差不多集中了原子的全部质量：原子中的电子则围绕这个核以极高的速度旋转，轨道半径为10－8 cm左右。卢瑟福把这个带正电荷的核命名为“原子核”。这就是卢瑟福根据α粒子散射实验于1911年提出的原子有核模型。1913年，卢瑟福的学生玻尔(Bohr,1885—1962)把量子理论引入这个模型，从理论上解释了原子的稳定性和原子线光谱。科学界把这个经玻尔进一步完善了的原子模型称为“卢瑟福——玻尔模型”。
自从发现了原子核以后，人类对物质世界的认识便进入了一个新的层次——原子核层次。课时作业11 原子的核式结构模型
1．如图11－1为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，关于观察到的现象，下述说法不正确的是( )
图11－1
A．相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多
B．相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多
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粒子散射实验的现象，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上沿原方向前进，因此在A位置观察到闪光次数最多，故A正确，少数α粒子发生大角度偏转，因此从A到D观察到的闪光会逐渐减小，因此B、D正确，C错。
答案：C
2．关于α粒子散射实验，下列说法正确的是( )
A．该实验在真空环境中进行
B．带有荧光屏的显微镜可以在水平面内的不同方向上移动
C．荧光屏上的闪光是散射的α粒子打在荧光屏上形成的
D．荧光屏只有正对α粒子源发出的射线方向上才有闪光
解析：由α粒子散射实验装置及其作用，可选A、B、C；对于C项，考虑到有少数的α粒子因为靠近金原子核，受到斥力而改变了运动方向，故D错。
答案：A、B、C
3．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．原子的正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
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，极少数偏转角几乎到180°，可知A、C不正确，而实验结果不能判定原子的大小为10－10 m，只有D项才是上述实验结果，故答案选D。
答案：D
4．在α粒子的散射实验中，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
解析：在α 粒子散射实验中，粒子间的主要作用力是库仑力。
答案：B
5．α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子的碰撞影响，这是因为( )
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
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，碰撞时电子对α粒子的运动影响极小，几乎不改变其运动方向，故C正确。
答案：C
6．在α粒子散射实验中，当在α粒子最接近原子核时，关于描述α粒子的有关物理量情况正确的是( )
A．动能最小
B．势能最小
C．α粒子与金原子核组成的系统能量最小
D．α粒子所受金原子核的斥力最大
解析：α粒子和金原子核都带正电，库仑力表现为斥力，两者距离减小时，库仑力做负功，故α粒子动能减小，电势能增加；系统的能量守恒，由库仑定律可知随着距离的减小，库仑斥力逐渐增大。
答案：A、D
7．在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，后受到原子核的引力作用
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
解析：α粒子被金原子核散射的过程一直受到原子核对α粒子的库仑斥力作用，靠近过程库仑斥力做负功，电子动能减小，电势能增大；远离过程库仑斥力做正功，电子动能增大，电势能减小。所以散射过程中电子一直受到库仑斥力作用，电子的速度先减小后增大，即正确选项为B。
答案：B
8．关于原子的核式结构模型，下列说法正确的是( )
A．原子中绝大部分是“空”的，原子核很小
B．电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力
C．原子的全部电荷和质量都集中在原子核里
D．原子核的直径的数量级是10－10 m
解析：因为原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，而原子核又很小，所以原子内绝大部分区域是“空”的，A正确，C错误；电子绕原子核的圆周运动是原子核与电子间的库仑引力提供向心力，B正确；原子核直径的数量级是10－15 m，原子直径的数量级是10－10 m，D错误。
答案：A、B
9.用α粒子撞击金原子核发生散射，图11－2中关于α粒子的运动轨迹正确的是( )
图11－2
A．a
B．b
C．c
D．d
解析：α粒子受金原子核的排斥力，方向沿两者的连线方向，运动轨迹弯向受力方向的一侧，A、B均错误；离原子核越近，α粒子受到的斥力越大，偏转越大，C、D正确。
答案：C、D
10．如图11－3所示为α粒子散射实验中α粒子穿过某一金属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，则以下说法正确的是( )
图11－3
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处的速度大小相等
D．α粒子在B处速度比在C处速度小
解析：A、C两处在同一等势面上电场力不做功，动能不变，A到B电场力做负功，动能减少。
答案：C、D
11．假设α粒子以速率v0与静止的电子或金原子核发生弹性正碰，电子质量me＝mα，金原子核质量mAu＝49mα。求：
(1)α粒子与电子碰撞后的速度变化；
(2)α粒子与金原子核碰撞后的速度变化。
解析：α粒子与静止的粒子发生弹性碰撞，动量和能量均守恒，
由动量守恒mαv0＝mαv′1＋mv′2，由能量守恒mαv＝mαv′＋mv′，
解得v′1＝v0，速度变化Δv＝v′1－v0＝－v0。
(1)与电子碰撞，将me＝mα代入得Δv1≈－2.7×10－4v0；
(2)与金原子核碰撞，将mAu＝49mα代入，得Δv2＝－1.96v0。
答案：(1)－2.7×10－4v0 (2)－1.96v0
12．已知电子质量为9.1×10－31 kg，带电量为1.6×10－19 C，氢原子核外电子绕核旋转时的轨道半径为0.53×10－10 m，求电子绕核运动的线速度、动能、周期和形成的等效电流强度。
解析：由卢瑟福的原子模型可知，电子绕核做圆周运动，所需的向心力由核对电子的库仑引力来提供，根据＝k，得
r＝e
＝1.60×10－19× m/s
≈2.19×106 m/s
其动能：Ek＝mv2＝×9.1×10－31×(2.18×106)2 J≈2.17×10－18 J
运动周期：T＝＝ s≈1.52×10－16 s
电子绕核运动形成的等效电流强度：
I＝＝＝ A≈1.05×10－3 A。
答案：2.19×106 m/s 2.17×10－18 J 1.52×10－16 s 1.05×10－3 A
13．在α粒子散射实验中，根据α粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离可以估算原子核的大小。现有一α粒子以2.0×107 m/s的速度去轰击金箔，若金原子的核电荷数为79，求该α粒子与金原子核间的最近距离。(已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为Ep＝k，k为静电常量，mα＝6.64×10－27 kg)
解析：α粒子与金原子核发生对心碰撞时，α粒子在靠近原子核运动的过程中，α粒子的动能转化为电势能，达到最近距离时，其动能全部转化为电势能，所以α粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离d即为所求。
当α粒子与原子核对心碰撞，其全部的动能转化为电势能时，α粒子与原子核的距离最近，即有
mαv2＝k
d＝＝ m
＝2.7×10－14 m
答案：2.7×10－14 m
14．氢原子中电子离核最近的轨道半径r1＝0.53×10－10 m，试计算在此轨道上电子绕核运动的频率和加速度。
解析：因为电子在原子核外绕核高速运转，此时带负电的电子绕带正电的原子核做圆周运动，电子所需的向心力恰好由电子和原子核间的库仑引力来提供，所以利用F引＝F向来解决此问题。
电子绕核做匀速圆周运动，库仑引力作向心力。
设电子绕核转动的频率为f，加速度为a。
已知电子质量为me＝0.91×10－30 kg
电子电荷量和质子电荷量均为e＝1.6×10－19 C
因为F引＝F向，所以k＝mea
所以a＝k
＝ m/s2
＝9.01×1022 m/s2
根据向心加速度的公式
a＝ω2r＝4π2f2r
则f＝＝ Hz
＝6.6×1015 Hz
答案：9.01×1022 m/s2 6.6×1015 Hz
15．如图11－4所示，M、N为原子核外的两个等势面，已知UNM＝100 V。一个α粒子以2.5×105 m/s的速率从等势面M上的A点运动到等势面N上的B点，求α粒子在B点时速度的大小。(已知mα＝6.64×10－27 kg)
图11－4
解析：α粒子从A点运动到B点，库仑力做的功WAB＝qUMN＝－qUNM，
由动能定理WAB＝mv－mv，
故vB＝
＝ m/s
≈2.3×1010 m/s。
答案：2.3×1010 m/s
