第二节 原子的结构
[学习目标] 1.了解α粒子散射实验器材、实验原理和实验现象．(重点)2.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容．(重点)3.知道原子和原子核大小的数量级，原子和原子核的组成及带电情况．(重点)4.了解卢瑟福的实验和科学方法，培养抽象思维能力．
一、α粒子散射实验
1．汤姆生原子模型(葡萄干布丁模型)
汤姆生于1898年提出了原子模型，他设想原子是一个球体，带正电的部分均匀地分布在其中，质量很小的电子则像布丁中的葡萄干一样镶嵌在内(如图所示)．
2．α粒子散射实验
(1)实验装置：α粒子源、金箔、显微镜和荧光屏．
(2)实验现象：
α粒子散射实验现象：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，但少数α粒子发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至几乎达到180°.
二、原子的核式结构的提出
1．核式结构模型
原子的核式结构：原子的中心有一个带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电子则在核外空间绕核旋转．
2．原子核的电荷与尺度
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)金箔的厚薄对实验无影响． (×)
(2)α粒子大角度的偏转是电子造成的． (×)
(3)原子的质量几乎全部集中在原子核上． (√)
(4)原子中所有正电荷都集中在原子核内． (√)
(5)核电荷数等于质子数，也等于中子数． (×)
2．(多选)关于α粒子散射实验的现象，下列说法正确的是( )
A．绝大部分α粒子穿过金箔后，都不同程度发生了偏转
B．极少数α粒子偏转角度超过90°
C．α粒子发生偏转的原因是金原子核对它的库仑力
D．α粒子发生偏转的原因是金原子核与它发生碰撞时的碰撞力
BC [α粒子散射实验的现象是绝大多数α粒子几乎不发生偏转，少数α粒子发生了较大的角度偏转，极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°，有的甚至几乎达到180°，被反弹回来)，A选项错误，B选项正确；造成α粒子散射角度大的原因，是受到的原子核的斥力比较大，C选项正确，D选项错误．]
3．(多选)α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都集中在原子核上
ABD [α粒子散射实验现象为：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来．卢瑟福根据该实验现象提出了原子具有核式结构模型：原子中绝大部分是空的，全部正电荷都集中在原子核上，质量几乎全部都集中在原子核上，A、B、D选项正确，C选项错误．]
α粒子散射实验现象分析
1.实验背景
α粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是想验证汤姆生原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆生原子模型的有力证据．在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型．
2．否定汤姆生的原子结构模型
(1)质量远小于原子的电子，对α粒子的运动影响完全可以忽略，不应该发生大角度偏转．
(2)α粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对α粒子运动方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转．
(3)α粒子的大角度偏转，否定汤姆生的原子结构模型．
3．大角度偏转的实验现象分析
(1)由于电子质量远小于α粒子质量，所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转．
(2)使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分．按照汤姆生原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分抵消，因而也不可能使α粒子发生大角度偏转，更不能使α粒子反向弹回，这与α粒子散射实验相矛盾．
(3)实验现象表明原子绝大部分是空的，原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则，α粒子大角度散射是不可能的．
【例1】 (多选)如图为卢瑟福所做的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，下列说法中正确的是( )
A．相同时间内在A时观察到屏上的闪光次数最多
B．相同时间内在B时观察到屏上的闪光次数比放在A时稍少些
C．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光
D．放在C、D位置时屏上观察不到闪光
AC [在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故A正确．少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度大于90°，极个别α粒子反弹回来，所以在B位置只能观察到少数的闪光，在C、D两位置能观察到的闪光次数极少，故B、D错误，C正确．]
1．分析α粒子散射实验中的现象时，应注意是“绝大多数”“少数”还是“极少数”粒子的行为．“大角度偏转”只是少数粒子的行为．
2．α粒子散射实验是得出原子核式结构模型的实验基础，对实验现象的分析是建立卢瑟福核式结构模型的关键．通过对α粒子散射实验这一宏观探测，间接地构建出原子结构的微观图景．
1．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粒子和电子碰撞时受力极小，可忽略不计
D．电子很小，α粒子碰撞不到电子
C [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，碰撞时对α粒子的运动影响极小，就像一颗子弹撞上一粒尘埃一样，几乎不改变α粒子的运动方向，故选C.]
原子的核式结构模型与原子核的组成
1.两种根本区别
核式结构
葡萄干布丁模型
原子内部是非常空旷的，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，非常接近它们的原子序数．
3．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．
4．原子半径的数量级是10－10m，原子核半径的数量级是10－15 m，两者相差10万倍之多．
【例2】 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能达到的最小距离可以估算原子核的大小．现在一个α粒子以2.0×107m/s的速度去轰击金箔，若金原子的核电荷数为79.求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，r为距点电荷的距离．α粒子质量为6.64×10－27 kg)．
思路点拨：(1)α粒子的运动方向沿α粒子和金原子核的连线．
(2)当α粒子的动能减为零时，电势能最大，离原子核最近．
(3)原子核的大小应比最近距离小一些．
[解析] 当α粒子靠近原子核运动时，α粒子的动能转化为电势能，达到最近距离时，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为d，则mv2＝k，则d＝＝ m＝2.7×10－14 m.
[答案] 2.7×10－14 m
解决原子结构问题的三大规律
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．
训练角度1：卢瑟福对α粒子散射实验的解释
2．(多选)卢瑟福对α粒子散射实验的解释正确的是( )
A．使α粒子产生偏转的主要原因是原子中电子对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
BCD [原子核带正电，与α粒子之间存在库仑力，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．]
训练角度2：α粒子散射过程中的功能关系
3．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．动能最大
B．势能最小
C．势能最大
D．α粒子与金原子核组成的系统能量最小
C [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．故选项C正确，A、B、D错误．]
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.α粒子散射实验结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°.
2.原子结构模型：在原子的中心有一个很小的核叫原子核，原子的所有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核旋转.
3.原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子核中的质子数.
4.原子半径的数量级为10－10 m，原子核半径的数量级为10－15 m.
1．英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箱，发现了α粒子的散射现象．如图所示中，O表示金原子核的位置，则能合理表示该实验中经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹的图是( )
D [α粒子散射实验中，α粒子受到金原子核的斥力作用，故A、B、C选项错误；越靠近原子核的粒子受到的斥力越大，轨迹的偏转角越大，且库仑力指向轨迹的内侧．故D选项正确．]
2．α粒子散射实验中，使α粒子发生散射的原因是( )
A．α粒子与原子核外电子碰撞
B．α粒子与原子核发生接触碰撞
C．α粒子发生明显衍射
D．α粒子与原子核的库仑力作用
D [α粒子和电子之间存在库仑引力，电子的质量只有α粒子质量的，粒子与电子碰撞就像一颗子弹与一个灰尘碰撞一样，α粒子质量大，其运动方向几乎不改变．α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转的原因是α粒子与原子核之间的库仑力作用，D选项正确，A、B、C选项错误．]
3．(多选)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．电子在核外旋转，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．原子核的直径大约是10－10 m
ABC [原子由位于原子中的带正电的原子核和核外带负电的电子构成，电子在核外绕核高速旋转，库仑力提供向心力，由此可判定B、C正确．原子中绝大部分是空的，原子核很小，原子核半径的数量级为10－15 m，而原子半径的数量级为10－10 m，故A正确，D错误．]
4．如图所示，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)．
[解析] α粒子在由A到B的过程中，满足
－2eUNM＝mαv2－mαv
由此得v＝≈2.3×105 m/s.
[答案] 2.3×105 m/s
