第十八章 2
基础达标
1．卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，提出了原子内部存在( )
A．电子
B．中子
C．质子
D．原子核
【答案】D 解析：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核式结构模型：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，故A、B、C错误，D正确．
2．(2018姜堰期中)在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数的α粒子发生了大角度的偏转，其原因是( )
A．原子中有带负电的电子，电子会对α粒子有引力的作用
B．正电荷在原子中是均匀分布的
C．原子的正电荷和绝大部分的质量都集中在一个很小的核上
D．原子是可再分的
【答案】C 解析：α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转说明三点：一是原子内有一质量很大的粒子存在；二是这一粒子带有较大的正电荷；三是这一粒子的体积很小，故C正确，A、B、D错误．
3．(多选)α粒子散射实验中，当α粒子最接近原子核时，α粒子符合下列哪种情况( )
A．动能最小
B．势能最小
C．α粒子与金原子组成的系统的能量小
D．所受原子核的斥力最大
【答案】AD 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，电势能增加，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．
4．(2018北京名校二模)卢瑟福的α粒子散射实验的结果表明( )
A．原子还可再分
B．原子核还可再分
C．原子具有核式结构
D．原子核由质子和中子组成
【答案】C 解析：卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出了原子具有核式结构．故A、B、D错误，C正确．
5．如图所示，X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它们的入射时的动能相同，其偏转轨道可能是图中的( )
A
B C
D
【答案】D 解析：α粒子离金核越远，其所受斥力越小，轨道弯曲就越差，故D对．
6．(多选)在α粒子散射实验中，当α粒子穿过金箔时，下列理解正确的是( )
A．与金原子核相距较远的α粒子，可能发生大角度偏转
B．与金原子核相距较近的α粒子，可能发生大角度偏转
C．α粒子与金原子核距离最近时，系统的能量最小
D．α粒子与金原子核距离最近时，系统的势能最大
【答案】BD 解析：对α粒子散射现象，卢瑟福的核式结构学说做出了圆满的解释，并推算了原子核半径的数量级为10－15m，只相当于原子半径的十万分之一．α粒子穿过金箔时，只有少数α粒子可能离核较近，金原子核对α粒子的库仑力较大，使α粒子发生大角度偏转，故A错，B对；α粒子与金原子核之间的作用力是库仑力，在α粒子向金原子核靠近时，要克服库仑力做功，α粒子的动能减小，电势能增加；在α粒子远离金原子核时，库仑力对粒子做功，α粒子的动能增加，电势能减小．α粒子与金原子核组成的系统总能量不变．它们距离最近时，系统的势能最大，故C错，D对．
7．根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型．图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹．在α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中，下列说法中正确的是( )
A．动能先增大，后减小
B．电势能先减小，后增大
C．电场力先做负功，后做正功，总功等于零
D．加速度先变小，后变大
【答案】C 解析：α粒子从a到b，受排斥力作用，电场力做负功，动能减少，电势能增大；α粒子从b再运动到c，电场力做正功，动能增加，电势能减少；到达c点时，由于a、c在同一等势面上，所以从a到c，总功为零，故A、B错，C对；α粒子从a到b，场强增大，加速度增大；从b到c，场强减小，加速度减小，故D错．
8．在卢瑟福的α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图中实线所示，图中P、Q为轨迹上的点，虚线是过P、Q两点并与轨迹相切的直线，两虚线和轨迹将平面分为四个区域．不考虑其他原子核对该α粒子的作用，那么关于该原子核的位置，下列说法中正确的是( )
A．可能在①区域
B．可能在②区域
C．可能在③区域
D．只能在④区域
【答案】D 解析：α粒子带正电，原子核也带正电，对靠近它的α粒子产生斥力，如原子核在②③区，α粒子会向①区偏；如原子核在①区，α粒子会向②区偏转，故应选D．本题是原子物理和静电场的综合题，它利用图示的形式给出信息，所以同学们在做题时，要从图中找出隐含的信息，以便准确解题．
能力提升
9．卢瑟福提出的原子核式结构模型认为：在原子的中心有一个很小的核，如果把原子看作半径为1
000
m的大球，请你估算原子核的大小．
【答案】半径为1
cm 解析：由α粒子散射实验测出原子核的半径约为10－15
m，而原子的半径约为10－10
m，原子核的半径与原子的半径之比为，由此知题中所说的原子核的半径约为r核＝
m＝1.0×10－2
m＝1
cm.
10．α粒子的质量大约是电子质量的7
300倍，如果α粒子以速度v跟电子发生弹性正碰(假设电子原来是静止的)，则碰撞后α粒子的速度变化了多少？
【答案】v 解析：设电子质量为m，碰后α粒子速度为v1，电子速度为v2，由弹性正碰中动量和能量守恒有
×7
300mv2＝×7
300mv＋mv，
7
300mv＝7
300mv1＋mv2，
解得v1＝v＝v.
因此碰撞后α粒子速度减少了v－v1＝v.(共39张PPT)
2 原子的核式结构模型
如今，我们生活在丰富多彩的电子时代，我们身边的家用电器都用到各式各样的电子元件，甚至最为简单的日光灯也与电子元件密不可分．如图所示为日光灯的原理图，那么日光灯是如何发光的呢？
答案：接通开关K后，由于镇流器的断电自感效应，如图所示，在灯管的两端产生了较高的自感电动势，它击穿了日光灯管中的水银蒸气，水银蒸气电离导电，产生的紫外线激发荧光粉发出柔和的光．
一、原子结构模型
1．汤姆孙的“枣糕”模型
(1)1897年汤姆孙发现了____________，使人们认识到________有复杂结构，揭开了研究原子的序幕．
(2)汤姆孙的“枣糕”模型：原子是一个____________，________均匀分布在整个球内．________像枣糕里的枣子一样镶嵌在原子里．(如图所示)
【答案】(1)电子 原子 (2)球体 正电荷 电子
2．α粒子散射实验
(1)实验现象：____________α粒子穿过金箔后，基本沿原方向前进；________α粒子发生较大偏转，________偏转超过90°；有的几乎达到180°
沿原路返回．
(2)实验意义：①否定了________的原子结构模型．
②提出了________________模型，明确了________________的数量级．
【答案】(1)绝大多数 少数 极少数 (2)①汤姆孙
②原子核式结构 原子核大小
3．卢瑟福的核式结构模型
1911年卢瑟福提出：在原子的中心有一个__________，叫做________，原子的全部________和几乎全部质量都集中在__________，带_______荷的________在核外空间绕核旋转．
【答案】很小的核 原子核 正电荷 原子核里 负电 电子
特别提醒：1.原子核所带单位正电荷数等于核外电子数，所以整个原子呈电中性．
2．电子绕核旋转所需向心力是核对它的库仑引力．
二、原子核的电荷与尺度
1．原子核的组成：原子核是由________和________组成的．原子核的电荷数就是质子数．中性原子的电荷数也等于其核外电子数．
【答案】质子 中子
2．原子核的大小：实验确定的原子核半径R的数量级为__________，而整个原子的半径数量级是__________，两者相差十万倍之多，可见原子内部是十分“空旷”的．
【答案】10－15
m 10－10
m
特别提醒：依据α粒子散射是估计核半径最简单的方法．
1．实验装置：放射源，金箔，显微镜，荧光屏．(如图所示)
α粒子散射实验的理解
2．实验注意事项：
(1)从α粒子源到荧光屏这段路程处于真空中．
(2)α粒子是氦原子核，本身很小，金箔需很薄，α粒子才容易穿过．
(3)实验中用的是金箔而不是铝箔，这是因为金原子序数大，α粒子与金核间库仑力大，偏转明显，同时，金的延展性好，容易做成极薄的金箔．
3．实验过程：α粒子从铅盒射出，形成细射线打在金箔上，被散射的α粒子打在荧光屏上产生闪光，用可转动的显微镜从不同角度进行观察．
5．实验分析：(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荷的部分，按照汤姆孙原子模型，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粒子的散射实验矛盾．
(3)实验现象说明原子绝大部分是空的，除非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发生的．
6．实验意义：(1)否定了汤姆孙的原子结构模型．
(2)提出了原子核式结构模型，明确了原子核大小的数量级，使人类对原子结构的认识发生了质的飞跃．
7．实验结果：卢瑟福通过分析，否定了汤姆孙的原子结构模型，提出了核式结构模型．
1．(多选)关于α粒子散射实验的下述说法中正确的是( )
A．在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过90°，有的甚至被弹回接近180°
B．使α粒子发生明显偏转的力是来自带负电的核外电子；当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转
C．实验表明原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分
D．实验表明原子中心的核带有原子的全部正电荷及全部质量
【答案】AC
【解析】A项是对该实验现象的正确描述，正确；B项，使α粒子偏转的力是原子核对它的静电排斥力，而不是电子对它的吸引力，故B错误；C项是对实验结论之一的正确分析；原子核集中了全部正电荷和几乎全部质量，因核外还有电子，故D错误．
卢瑟福之所以要选用金箔做α粒子散射实验，主要有五个方面的原因：一是金是重金属；二是金的延展性强，容易做成厚为1
μm的薄片，以使绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进；三是金的化学性质稳定，不易与荧光粉发生化学反应；四是金的原子序数大，带的正电荷就多，对α粒子的库仑斥力大，α粒子与其碰撞后的散射角也就很大；五是α粒子的散射角与靶材料的原子量成正比，金的原子量大，当α粒子与其碰撞时，α粒子的运动状态改变明显．
卢瑟福为什么选用金箔做α粒子散射实验
2．对α粒子散射实验装置的描述，你认为正确的有( )
A．实验器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜
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.
例1 如图所示为卢瑟福和他的学生做α粒子散射实验的装置示意图，荧光屏和放大镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，观察到的现象描述正确的是( )
α粒子散射实验
解析：因为绝大多数α粒子穿过金箔后仍然沿原来方向前进，在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多，选项A对；因为少数α粒子穿过金箔后发生了较大偏转，在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数比在A位置时要少得多，选项B错；α粒子散射实验中有极少数α粒子偏转角超过90°，甚至接近180°，所以选项C错，选项D对．正确选项为A、D.
答案：
AD
反思领悟：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．(2018淄博一模)以下能说明原子核内具有复杂结构的实验或现象是( )
A．光电效应
B．阴极射线实验
C．α粒子散射实验
D．天然放射现象
【答案】D
解析：天然放射现象是原子核内部变化产生的，人类认识原子核的复杂结构并进行研究是从发现天然放射现象开始的，而光电效应现象说明光的粒子性，阴极射线实验说明电子是原子的组成部分，对于α粒子散射现象提出了原子的核式结构．故D正确，A、B、C错误．
例2 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
原子的核式结构模型
解析：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．根据α粒子散射实验知原子核半径数量级为10－15
m，而原子半径的数量级为10－10
m，故A正确，D错误．
答案：ABC
反思领悟：要理解并记住卢瑟福原子核式结构理论，并用它解释物理现象以提高解题能力．
2．(2018上海名校二模)在α粒子散射实验中，使α粒子发生大角度偏转的力是( )
A．磁场力
B．电场力
C．万有引力
D．弹力
【答案】B
例3 英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔，为了解释实验结果，提出了原子的核式结构学说，下列图中，O表示金原子核的位置，曲线ab和cd表示经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹，能正确反映实验结果的图是( )
α粒子散射的轨迹
解析：α粒子散射实验的原因是α粒子与金原子核间存在库仑斥力，因此仅有D图正确．
答案：D
反思领悟：理解α粒子散射实验现象，关键是弄清α粒子遇到金原子核时受到强大的斥力作用，才能发生大角度散射．这个斥力是α粒子与金原子核之间的库仑斥力，当然也就伴随着库仑斥力的做功问题．
3．(多选)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粒子的轨迹的是( )
A．a
B．b
C．c
D．d
【答案】BD
例4 已知电子质量为9.1×10－31kg，带电荷量为－1.6×10－19
C，若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．
α粒子散射实验中的分子、电子综合问题
答案：1.05×10－3
A
反思领悟：此类题目解题的关键是先找准原子核的结构，然后把力学及电学的相关定律、公式应用于原子物理上．
4．(多选)如图所示为α粒子散射实验中α粒子穿过某一金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( )
A．α粒子在A处的速度比在B处速度小
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
【答案】CD
【解析】由能量守恒定律可知，在A、B、C三点上，A、C位于原子核形成的同一等势面上，电势能和动能均相同，则A、C两点速率相同；由A到B，α粒子克服库仑力做功，动能减小，电势能增大，故B点速度最小，D正确．
估算法
根据实际情况来拟定某些物理量合理近似值，或在考虑现象(问题)的主要因素忽略次要因素的前提下，用自己熟悉的模型来模拟这一实际物理现象，从而进行计算的方法叫估算法，在原子分子等微观量计算和天体宏观量计算往往会用到．
创新 拓展 提升
例5 用α粒子轰击金箔时，测得α粒子能接近金箔的最小距离为2.0×10－14
m，问金原子核的平均密度为多少？(阿伏加德罗常数NA＝6×1023
mol－1，金元素的摩尔质量M＝197
g·mol－1)
