鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第4章 第2节 原子的核式结构模型学案word含解析

第2节　原子的核式结构模型
核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任
1.了解α粒子散射实验的实验装置、实验原理和实验现象。
2.理解卢瑟福的原子核式结构模型。
3.知道原子和原子核大小的数量级。 用卢瑟福的原子核式结构模型解释α粒子散射实验的实验现象。 领会卢瑟福α粒子散射实验的科学方法，培养学生的抽象思维能力和想象力。
知识点一　α粒子散射实验
[观图助学]
如图所示，汤姆孙的“葡萄干面包”原子模型认为，原子带正电的部分充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置。已知电子的质量不到α粒子的，当α粒子与电子相互作用时，α粒子的运动方向会发生明显的变化吗？
1.实验装置
2.实验方法
在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po)，它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上。α粒子穿过金箔后，打到环形荧光屏上，产生一个个闪烁的光点，这些光点可用显微镜观察到。
3.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，但有少数α粒子发生了较大的偏转，有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被原路弹回，α粒子被反射回来的概率有。
[思考判断]
(1)α粒子大角度的偏转是电子造成的。(×)
(2)α粒子散射实验中，绝大多数α粒子不能穿过金箔。(×)
(3)α粒子散射实验证实了汤姆孙的枣糕式原子模型。(×)
为了避免气体分子对实验的影响，该实验要在真空的环境中进行。
该实验之所以选择用α粒子轰击金箔，是因为金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔，以及金原子核质量大。
不同方向上α粒子的多少是通过荧光屏上光点的数目判断的。
知识点二　卢瑟福原子模型
1.核式结构模型
(1)原子内部有一个很小的核，称为原子核，原子的全部正电荷及几乎全部的质量都集中在原子核内，电子在原子核外面运动。
(2)原子核式结构模型又被称为行星模型。
2.原子的大小
(1)原子直径数量级：10－10__m。
(2)原子核直径数量级：10－15__m。
[思考判断]
(1)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面运动。(√)
(2)原子的核式结构认为，α粒子散射试验中，原子核使α粒子发生了大角度偏转。(√)
(3)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷。(√)
原子核的直径只相当于原子直径的十万分之一，所以用α粒子轰击金箔时，α粒子与金原子原子核相撞的机会很小。
核心要点 　对α粒子散射实验的理解与分析
[问题探究]
如图所示为1909年英籍新西兰物理学家卢瑟福及盖革进行α粒子散射实验的实验装置。
(1)实验装置中各部件的作用是什么？
(2)少数α粒子发生大角度散射是因为与电子的相互作用吗？
答案　(1)①α粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子。
②带荧光屏的放大镜：观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光。
③金箔：阻挡α粒子。
(2)不是电子的质量很小，不到α粒子的，与α粒子发生作用时不会使α粒子的运动方向发生大角度的改变。
[探究归纳]
1.实验背景
α粒子散射实验是卢瑟福和他的合作者做的一个著名的物理实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙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.实验现象
(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。
(2)少数α粒子发生较大的偏转。
(3)极少数α粒子偏转角度超过90°，有的甚至被原路弹回。
3.α粒子散射实验对汤姆孙原子模型的否定
根据汤姆孙原子结构模型，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度应该很小，因为
(1)电子的质量很小，不到α粒子的，α粒子碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变。
(2)当α粒子在原子的外面时，由于原子呈电中性，而且是球形对称分布，原子对α粒子没有作用力，α粒子运动方向不会发生明显的改变。
(3)当α粒子接近原子或进入原子内部时，由于正电荷均匀分布在整个原子球体中，越靠近球心，其受到的电场力
越小，α粒子也不应发生大角度的散射。
所以汤姆孙原子结构模型无法解释α粒子的大角度散射现象。
[经典示例]
[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位置时屏上仍能观察到一些闪光，只是在D处观察到的闪光次数比在C处还要少
解析　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错误，C、D正确。
答案　ACD
[针对训练1] (多选)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.荧光屏上的闪光是散射的α粒子打在荧光屏上形成的
C.荧光屏只有正对α粒子源发出的射线方向上才有闪光
D.不用荧光屏也可用显微镜直接观察α粒子散射情况
解析　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，C错误，A、B正确；α粒子必须借助于荧光屏观察，D错误。
答案　AB
核心要点 　原子核式结构模型
[问题探究]
如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景。
(1)为什么绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来运动方向前进？
(2)为什么少数的α粒子穿过金箔后，发生了大角度的偏转？
[探究归纳]
1.原子的核式结构模型与原子的葡萄干面包模型的对比
核式结构模型 葡萄干面包模型
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，等于原子序数。
3.原子核的大小：原子的半径数量级为10－10 m，原子核半径的数量级为10－15 m，原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一，体积只相当于原子体积的10－15。
4.原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释
按照原子的核式结构模型，α粒子穿过原子时，电子对α粒子运动的影响很小，影响α粒子运动的主要因素是原子核。
(1)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。
(2)只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，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。
[经典示例]
[例2] 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
解析　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。
答案　A
[针对训练2] (多选)关于原子核式结构理论说法正确的是(　　)
A.是通过发现电子现象得出来的
B.原子的中心有个核，叫作原子核
C.原子的正电荷均匀分布在整个原子中
D.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
旋转
解析　原子的核式结构模型是在α粒子的散射实验结果的基础上提出的，A错误；原子中绝大部分是空的，带正电的部分集中在原子中心一个很小的范围，称为原子核，B正确，C错误；原子核集中了原子全部正电荷和几乎全部质量，带负电的电子在核外旋转，D正确。
答案　BD
1.(两种原子模型的认识)人们在研究原子结构时提出过许多模型，其中比较有名的是葡萄干面包模型和核式结构模型，它们的模型示意图如图所示。下列说法中正确的是(　　)
A.α粒子散射实验与葡萄干面包模型和核式结构模型的建立无关
B.科学家通过α粒子散射实验否定了葡萄干面包模型，建立了核式结构模型
C.科学家通过α粒子散射实验否定了核式结构模型，建立了葡萄干面包模型
D.科学家通过α粒子散射实验否定了葡萄干面包模型和核式结构模型
解析　α粒子散射实验与核式结构模型的建立有关，通过该实验，否定了葡萄干面包模型，建立了核式结构模型。
答案　B
2.(对α粒子散射实验的认识)(多选)关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　)
A.在实验中，观察到的现象是：绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，极少数发生了较大角度的偏转
B.使α粒子发生明显偏转的力来自带正电的核和核外电子，当α粒子接近核时，是核的斥力使α粒子发生明显偏转；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和全部原子的质量
解析　在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子沿原方向运动，说明α粒子未受到原子核明显的力的作用，也说明原子核相对原子来讲很小，原子内大部分空间是空的，故A、C正确；极少数发生大角度偏转，说明受到金原子核明显作用力的空间在原子内很小，α粒子偏转，而金原子核未动，说明金原子核的质量和电荷量远大于α粒子的质量和电荷量，电子的质量远小于α粒子，α粒子打在电子上，α粒子不会有明显偏转，故B、D错误。
答案　AC
3.(对α粒子散射实验的理解)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，其偏转轨道可能是下图中的(　　)
解析　α粒子离金原子核越远，其所受斥力越小，轨道弯曲程度就越小，故选项D正确。
答案　D
4.(原子的核式结构模型)α粒子散射实验中，α粒子经过某一原子核附近时的两种径迹如图所示。虚线为原子核的等势面，α粒子以相同的速率经过电场中的A处后，沿不同的径迹1和2运动，由径迹不能断定的是(　　)
A.原子核带正电
B.整个原子空间都弥漫着带正电的物质
C.粒子在径迹1中的动能先减小后增大
D.经过B、C两点，两粒子的速率相等
解析　两个径迹都显示α粒子受到的是斥力，所以原子核带正电。粒子在径迹1、2中原子核对它们先做负功，后做正功，动能先减小，后增大。同一等势面，势能相同，动能变化量也相同。
答案　B
基础过关
1.卢瑟福提出了原子的核式结构模型，这一模型建立的基础是(　　)
A.α粒子的散射实验 B.对阴极射线的研究
C.物质的化学反应 D.电子的发现
解析　卢瑟福根据α粒子的散射实验结果，提出了原子的核式结构模型：原子核聚集了原子的全部正电荷和几乎全部质量，电子在核外绕核运转。故正确答案
为A。
答案　A
2.卢瑟福通过α粒子散射实验，判断出原子的中心有一个很小的核，并由此提出了原子的核式结构。如图所示的平面示意图中，①、②两条实线表示α粒子运动的轨迹，则沿③所示方向射向原子核的α粒子可能的运动轨迹为虚线中的(　　)
A.轨迹a B.轨迹b
C.轨迹c D.轨迹d
解析　α粒子带正电，α粒子的偏转是由于受到原子核的库仑斥力作用，且离原子核越近，受到的斥力作用越大，所以轨迹b、c、d都是不可能的，正确选项
为A。
答案　A
3.关于α粒子散射实验(　　)
A.绝大多数α粒子经过金箔后，发生了角度不太大的偏转
B.α粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少
C.α粒子离开原子核的过程中，动能增加，电势能也增加
D.对α粒子散射实验的数据进行分析，可以估算出原子核的大小
解析　由于原子核很小，α粒子十分接近它的机会很少，所以绝大多数α粒子基本上仍沿原方向前进。只有极少数发生大角度的偏转，从α粒子的散射实验的数据可以估算出原子核直径的大小约为10－15 m～10－14 m。由此可知A错误，D正确；α粒子向原子核射去，当α粒子接近核时，克服电场力做功，所以其动能减少，电势能增加；当α粒子远离原子核时，电场力做正功，其动能增加，电势能减少，所以选项B、C错误。
答案　D
4.(多选)用α粒子撞击金原子核发生散射，图中关于α粒子的运动轨迹正确的是(　　)
A.a B.b
C.c D.d
解析　α粒子受金原子核的排斥力，方向沿两者连线方向，运动轨迹弯向受力方向的一侧，A、B错误；离原子核越近，α粒子受到斥力越大，偏转程度越大，C、D正确。
答案　CD
5.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，电子是均匀分布的
C.α粒子和电子碰撞损失的能量极少，可忽略不计
D.电子很小，α粒子碰撞不到电子
解析　在α粒子散射实验中，电子与α粒子存在相互作用，A错误；电子质量很小，不到α粒子的，电子与α粒子碰撞后，电子对α粒子的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可忽略不计，C正确，B、D错误。
答案　C
能力提升
6.(多选)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.电势能最小
C.α粒子与金原子核组成的系统的能量最小
D.所受金原子核的斥力最大
解析　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。
答案　AD
7.(多选)关于α粒子散射实验的解释有下列几种说法，其中正确的是(　　)
A.从α粒子的散射实验数据，可以估计出原子核的大小
B.极少数α粒子发生大角度的散射的事实，表明原子中有一个质量很大而体积很小的带正电的核
C.原子核带的正电荷数等于它的原子序数
D.绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，表明原子中正电荷是均匀分布的
解析　从α粒子的散射实验数据，可以估计出原子核的大小，A项正确；极少数α粒子发生大角度的散射的事实，表明原子中有一个质量很大而体积很小的带正电的核，B项正确；由实验数据可知原子核带的正电荷数等于它的原子序数，C项正确；绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，表明原子中是比较空旷的，D项错误。
答案　ABC
8.根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为α粒子散射图。图中实线表示α粒子的运动轨迹，则关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　)
A.图中发生大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大
B.图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞
C.绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间
很小
D.根据α粒子散射实验可以估算原子的大小
解析　题图中发生大角度偏转的α粒子所受的库仑力先做负功后做正功，电势能先增大后减小，故A错误；α粒子反弹是因为受金原子核的库仑斥力作用，并未发生碰撞，故B错误；绝大多数α粒子沿原方向前进，说明带正电的原子核占据的空间很小，C正确；当α粒子最靠近原子核时，可以估算原子核的大小，无法估算原子的大小，D错误。
答案　C
9.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。现有一个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＝9.0×109 N·m2/C2，电子电荷量e＝1.6×10－19 C，α粒子的质量为6.64×10－27 kg)
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d为mv2＝k
所以d＝＝ m≈2.7×10－14 m。
所以α粒子与金原子核间的最近距离为2.7×10－14 m。
答案　2.7×10－14 m