3.2 原子模型的提出
学习目标
重点难点
1．知道α粒子散射实验的方法和实验结果。
2．记住卢瑟福原子核式结构模型的内容
3．知道原子和原子核大小的数量级。
重点：α粒子散射实验过程和结论。
难点：利用核式结构解释α粒子散射实验。
一、汤姆生模型
枣糕模型是汤姆生于1904年提出的，他认为原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子像枣糕上的枣子一样嵌在球中。汤姆生的模型是第一个有一定科学依据的原子结构模型。
二、出人意料的结果
1．实验方法：用由放射源射出的α粒子束轰击金箔，利用荧光屏接收、探测通过金箔后的α粒子分布情况。
2．实验结果：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进；有少数α粒子发生较大的偏转，有的α粒子偏转角超过90°，极少数α粒子甚至被弹回。
预习交流1
做α粒子散射实验时为什么要用金箔？
答案：一是金原子的质量、电荷比α粒子的质量和电荷大得多，α粒子靠近金原子核时受的作用力比较大，α粒子容易偏转；二是金的延展性比较好，可以做得很薄，接近单原子层。
三、卢瑟福的原子核式结构模型
在原子的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上，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。
预习交流2
在α粒子散射实验中，偏转角大的α粒子与偏转角小的α粒子相比，哪种α粒子离金原子核近？
答案：偏转角大的α粒子离金原子核近。因为离原子核越近，α粒子受到的库仑斥力越大，偏转角度就越大。
四、原子核的电荷与尺度
1．原子内的电荷关系：各种元素的原子核的电荷数非常接近它们的原子序数。
2．原子核的大小：原子核半径的数量级为10－15 m，原子半径的数量级为10－10 m。
一、α粒子散射实验
α粒子散射实验装置是怎样的？实验注意事项有哪些？
答案：1.实验装置（如图）由放射源、金箔、荧光屏等组成。
2．实验注意事项：
（1）整个实验过程需在真空中进行。
（2）α粒子是氦核，本身很小，金箔需很薄，α粒子才能很容易穿过。
（3）实验中用的是金箔而不是铝箔，这是因为金的原子序数大，可以使α粒子与金核间产生较大的库仑力，偏转明显；另外金的延展性好，容易做成极薄的金箔。
卢瑟福提出原子的核式结构模型的根据是α粒子轰击金箔的散射实验，在实验中他发现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：在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，有少数α粒子却发生了较大的偏转，有的α粒子偏转角度超过了90°，极少数α粒子甚至被反弹回来。
分析α粒子散射实验的两个要点
1．熟记装置及原理
α粒子散射实验是一个非常重要的实验，因此对实验器材、现象、现象分析、结论都必须弄明白，才能顺利解答有关问题。
2．理解建立核式结构模型的要点
①汤姆生模型不能解释α粒子的大角度散射。
②核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。
③少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个很小范围内受到较大的作用力，在这个范围内集中的质量、电荷量均比α粒子大得多。
④绝大多数α粒子在穿过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。原子的质量、电荷量都集中在体积很小的核上。
二、原子的核式结构模型
卢瑟福的核式结构是如何解释α粒子散射实验的？
答案：（1）当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的库仑斥力小，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。
（2）只要当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑斥力作用，偏转角才很大，而这种机会很少。
（3）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。
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里
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里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转，由此可见，B错，A、C、D正确。
α粒子散射实验中常用的规律
（1）库仑定律：F＝k，用来分析α粒子和原子核间的相互作用力。
（2）牛顿第二定律：该实验中α粒子只受库仑力，可根据库仑力的变化分析加速度的变化。
（3）功能关系：根据库仑力做功，可分析动能的变化，也能分析电势能的变化。
（4）原子核带正电，其周围的电场相当于正点电荷的电场，注意应用其电场线和等势面的特点。
1．在α粒子的散射实验中，并没有考虑α粒子跟电子碰撞所产生的效果，这是由于（ ）。
A．α粒子跟电子相碰时，损失的动量很小，可忽略
B．电子体积实在太小，α粒子完全碰不到
C．α粒子跟各电子碰撞的效果互相抵消
D．由于电子是均匀分布的，α粒子受电子作用力的合力为零
答案：A
解析：少数α粒子发生大角度散射的原因仅是因为它和带正电的原子核之间强大的库仑斥力的作用，而α粒子碰撞到电子上好像飞行中的子弹碰到尘埃上，几乎不受影响。
2．在α粒子散射实验中，引起α粒子散射的力量是（ ）。
A．万有引力 B．电场力
C．磁场力 D．强相互作用力
答案：B
3．在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是（ ）。
A．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
B．正电荷在原子中是均匀分布的
C．原子中存在着带负电的电子
D．金箔中的金原子间存在很大的空隙，只有极少数碰到金原子
答案：A
4．α粒子散射实验中，不考虑金原子核外电子与α粒子的碰撞的影响，是因为（ ）。
A．α粒子与核外电子根本就无相互作用力
B．因为核外电子是均匀分布的，故电子对α粒子的合力为0
C．α粒子的质量远大于电子的质量，故α粒子与电子碰撞时，α粒子的速度基本上不受影响
D．电子体积很小，α粒子根本就碰不到
答案：C
解析：α粒子与电子间存在库仑引力，故A错。卢瑟福的核式结构说明核在中心，电子在外绕其运动，而不是均匀分布，故B错。α粒子与电子的碰撞遵循动量守恒定律，mα≥me时，α粒子的运动基本不受影响，因此C正确。α粒子与电子碰撞的几率小，但并不是碰不到，故D错。
5．在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时，α粒子符合下列哪些情况（ ）。
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．所受原子核库仑斥力最大
答案：AD
自我小测
1原子结构学说，是卢瑟福根据以下哪个实验现象提出的( )
A．光电效应实验 B．α粒子散射实验
C．测定射线比荷的实验 D．杨氏双缝干涉实验
2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
3下列关于原子核结构说法正确的是( )
A．电子的发现说明了原子核内部还有复杂的结构
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粒子与原子核发生碰撞所致
4关于α粒子散射实验，下列说法正确的是( )
A．α粒子穿过原子时，由于α粒子的质量比电子大的多，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了对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
5在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时，α粒子符合下列哪种情况( )
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．所受金原子核的斥力最大
6在α粒子散射实验中，如果一个α粒子跟金箔中的电子相撞，则( )
A．α粒子的动能和动量几乎没有损失
B．α粒子将损失部分动能和动量
C．α粒子不会发生显著的偏转
D．α粒子将发生较大角度的偏转
7α粒子散射实验结果表明( )
A．原子中绝大部分是空的
B．原子中的全部正电荷都集中在原子核上
C．原子内有中子
D．原子的质量几乎全部集中在原子核上
8在图中画出了α粒子散射实验中的一些曲线，这些曲线中可能是α粒子的径迹的是 ( )
A．a B．b C．c D．d
9如图为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，下述说法正确的是( )
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
10卢瑟福的原子核式结构模型认为，核外电子绕核运动。设想氢原子的核外电子绕核做匀速圆周运动，氢原子中电子离核最近的轨道半径为r1，已知电子电量为e，静电力恒量为k，用经典物理学的知识。
(1)计算电子在半径为r1的轨道运动时的动能。
(2)设轨道2的半径r2＝4r1，计算电子在轨道2运动时的动能。
(3)比较电子在轨道1与轨道2的动能，E______E(选填“＞”“＜”或“＝”)，电势能E______E (选填“＞”“＜”或“＝”)。
11氢原子核外电子的电量为e，它绕核运动的最小轨道半径为r0，试求出电子绕核做圆周运动时的动能，以及电子所在轨道处的电场强度的大小。若已知电子质量为m，则电子绕核运动的向心加速度为多大？
参考答案
1解析：光电效应说明了光的粒子性，测定比荷的实验是研究阴极射线的确定电子的实验，杨氏双缝干涉实验说明了光的波动性，只有α粒子散射实验说明了原子的结构。
答案：B
2解析：电荷之间的万有引力是很微弱的，可以不计；核力是在核子之间的作用力，故B正确。
答案：B
3解析：电子的发现，证明了原子内部有带正电的物质，α粒子散射实验说明了原子内部很空，揭示了原子结构。
答案：BD
4解析：电子的质量很小，当和α粒子作用时，对α粒子不起作用，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集中在一个很小的区域内，所以B、C正确，D错误。
答案：ABC
5解析：该题考查了原子的核式结构、动能、电势能、库仑定律及能量守恒等知识点。α粒子在接近金原子核的过程中，要克服库仑斥力做功，动能减少，电势能增大；两者相距最近时，动能最小，电势能最大，总能量守恒；根据库仑定律，距离最近时斥力最大。
答案：AD
6答案：AC
7解析：在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔时运动方向基本不变，只有少数α粒子发生较大角度偏转，这说明原子的全部正电荷和几乎所有的质量都集中在一个很小的核上，这个核就叫原子核。原子核很小，只有少数α粒子穿过金箔时接近原子核，受到较大库仑力而发生偏转；而绝大多数α粒子在穿过金箔时，离核很远，所受库仑力很小，故它们的运动方向基本不变，所以本题正确选项为A、B、D。
答案：ABD
8解析：α粒子与金属原子均带正电，互相排斥，故不可能沿轨迹c运动；a轨迹弯曲程度很大，说明受到的库仑力很大，但α粒子离核较远，故a轨迹不可能存在，而b轨迹正确；d轨迹是α粒子正对金原子核运动时的情况。
答案：BD
9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：ABD
10解析：(1)据库仑力充当向心力有
k＝m
故Ek＝mv2＝k。
(2)由(1)知Ek＝k 当r2＝4r1时有
E′k＝K＝k
(3)由(2)知由轨道1运动至轨道2，电子动能减小，故E＞E
由轨道1至轨道2过程中，电子克服库仑引力做功，电势能增大，故E＜E。
答案：见解析
11解析：建立经典原子模型，电子绕原子核做匀速圆周运动的向心力由库仑力提供
由牛顿第二定律：k＝m，得Ek＝mv2＝k
由点电荷的场强公式，得E＝k
由牛顿第二定律知k＝ma，所以有a＝
答案：Ek＝ E＝k a＝
