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word版含答案

第2节　原子的核式结构模型
学习目标：1.[物理观念]知道α粒子散射实验的现象、方法和结果．　2.[科学思维]知道原子的核式结构模型．　3.[物理观念]知道原子和原子核大小的数量级．
一、α粒子散射实验
1．实验目的
α粒子通过金箔时，用这些已知的粒子与金属内的原子相互作用，根据粒子的偏转情况来获得原子内部的信息．
2．实验方法
用由放射源发射的α粒子束轰击金箔，利用荧光屏接收，探测通过金箔后的α粒子偏转情况．
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，但是有少数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竟然有．
二、卢瑟福原子结构模型
1．核式结构模型
(1)原子的内部有一个很小的核，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内，带负电的电子在核外绕核运动．
(2)原子的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．
1．思考判断(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)原子内部正电荷是均匀分布的． (×)
(4)原子的质量是均匀分布的． (×)
(5)原子的质量几乎全部都集中在原子核内． (√)
2．(多选)如图所示是英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔的实验装置．下列关于该实验的描述正确的是(　　)
A．α粒子轰击金箔的实验需在真空条件下完成
B．该实验揭示了原子有复杂的核式结构
C．实验结果表明绝大多数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转
D．该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性
AB　[α粒子轰击金箔的实验需在真空条件下完成，故A正确；α粒子的散射实验揭示了原子具有复杂的核式结构，卢瑟福提出了原子核式结构模型，同时否定了汤姆孙原子模型，故B正确，D错误；实验结果表明绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，故C错误．]
3．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
D　[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粒子的偏转角度超过90°，有的甚至被反弹回来．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核旋转．故A、B、C错误，D正确．]
α粒子散射实验分析
(1)如图所示为α粒子散射的实验装置．实验过程中，α粒子为什么会发生大角度散射？
(2)由α粒子散射实验的结果为何可以说明原子核尺度很小，但几乎占有全部质量？
提示：(1)α粒子受到原子核的库仑力．
(2)绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，说明带正电荷部分很小，少数α粒子被“撞了回来”说明遇到了质量很大的部分．
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．否定汤姆孙的原子结构模型
(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，否定汤姆孙的原子结构模型．
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】　如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况．下列说法中正确的是(　　)
A．在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多
B．在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光
C．卢瑟福选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似
D．α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金原子核后产生反弹
C　[α粒子散射实验现象：绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子有大角度散射．所以A处观察到的α粒子多，B处观察到的α粒子少，所以选项A、B错误；α粒子发生散射的主要原因是受到金原子核库仑斥力的作用，所以选项D错误，C正确．]
解决α粒子散射实验问题的技巧
(1)熟记实验装置及原理．
(2)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．
(3)汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射．
(4)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地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用．
(5)绝大多数α粒子在穿过厚厚的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内．
[跟进训练]
1．根据汤姆孙原子结构模型预测α粒子散射实验结果是(　　)
A．绝大多数α粒子穿过金箔后都有显著偏转
B．绝大多数α粒子穿过金箔后都有小角度偏转
C．极少数α粒子偏转角很大，有的甚至沿原路返回
D．不可能有α粒子偏转角很大，更不可能沿原路返回
D　[电子的质量很小，比α粒子的质量小得多，α粒子碰到金箔原子内的电子，运动方向不会发生明显变化，汤姆孙原子结构模型认为正电荷在原子内是均匀分布的，因此，当α粒子穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力基本上相互平衡，α粒子基本不偏转．]
卢瑟福原子结构模型
汤姆孙发现电子后建立了“葡萄干面包”模型，卢瑟福根据α粒子散射实验推翻了“葡萄干面包”模型，建立了核式结构模型．
(1)卢瑟福的核式结构模型是最科学的吗？
(2)如何理解原子内绝大部分是空的？
提示：(1)卢瑟福的核式结构模型是比汤姆孙的“葡萄干面包”模型更科学的模型，但不是最科学的模型，随着人们认识水平的不断提高，原子结构模型也在不断更新．
(2)原子核的半径数量级为10－15 m，原子的半径数量级为10－10 m，原子核的体积只相当于原子体积的10－5，故原子内部绝大部分是空的．
1．两种原子模型
汤姆孙原子模型　　卢瑟福原子模型
卢瑟福的原子模型有些像太阳系，电子绕核运动就像太阳系的行星绕太阳运动一样，因此，卢瑟福的核式结构模型又被称为行星模型．
2．两种原子模型的对比
汤姆孙的葡萄干面包模型 卢瑟福的原子核式模型
分布 情况 正电荷和质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中 正电荷以及几乎全部质量集中在原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内
受力 情况 α粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零 少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小
偏转 情况 不会发生大角度偏转，更不会弹回 绝大多数α粒子运动方向不变，少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，有的甚至被弹回
分析 结论 不符合α粒子散射现象 符合α粒子散射现象
3．原子核式结构的理解
(1)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．
(2)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．
(3)原子半径的数量级是10－10 m，原子核半径的数量级是10－15 m，两者相差十万倍之多．
【例2】　(多选)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型．如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景，图中实线表示α粒子运动轨迹．其中一个α粒子在从a运动到b，再运动到c的过程中，α粒子在b点时距原子核最近．下列说法正确的是(　　)
A．卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子
B．α粒子出现较大角度偏转的原因是α粒子运动到b时受到的库仑斥力较大
C．α粒子从a到c的运动过程中电势能先减小后变大
D．α粒子从a到c的运动过程中加速度先变大后变小
BD　[汤姆孙对阴极射线的探究使他发现了电子，A错；α粒子出现较大角度偏转的原因是靠近原子核时受到较大的库仑斥力作用，B对；α粒子从a到c受到的库仑力先增大后减小，加速度先变大后变小，电势能先增大后减小，C错，D对．]
分析α粒子散射实验中的力电问题常用的规律
(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．
[跟进训练]
2．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，已知电子电荷量为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，Ek1________ (选填“＞”“＜”或“＝”) Ek2，电势能Ep1________ (选填“＞”“＜”或“＝”) Ep2．
[解析]　(1)根据库仑力提供向心力有k＝m，
故Ek＝mv2＝k．
(2)由(1)知当r2＝4r1时有Ek′＝k＝k．
(3)由(2)知由轨道1运动至轨道2，电子动能减小，故Ek1＞Ek2，由轨道1至轨道2过程中，电子克服库仑力引力做功，电势能增大，故Ep1＜Ep2．
[答案]　(1)k　(2)k　(3)＞　＜
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
AB　[本题考查α粒子散射实验装置及其作用，只有在正确理解α粒子散射实验的基础上，才能选出正确选项．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．]
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．弹力
B　[原子核内有质子，质子与α粒子都带正电，库仑斥力使少数α粒子发生大角度偏转，选项B正确．]
3．在卢瑟福α粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是(　　)
A　　　B　　　　C　　　　　D
C　[α粒子与原子核均带正电荷，所以α粒子受到原子核的作用力为斥力，据此可排除选项A、D；α粒子不可能先受到吸引力，再受到排斥力，选项B错误．]
4．关于原子结构，下列说法正确的是(　　)
A．原子中原子核很小，核外很“空旷”
B．原子核的直径的数量级是10－10 m
C．原子的全部电荷都集中在原子核内
D．原子的全部的质量都集中在原子核内
A　[大多数α粒子不发生偏转，说明核外很“空旷”，A正确；原子核的直径的数量级为10－15 m，B错误；由卢瑟福核式结构模型知，C、D错误．]
5．如图所示，在α粒子散射实验中，图中实线表示α粒子运动轨迹，假定金原子核位置固定，a、b、c为某条轨迹上的三个点，其中a、c两点距金原子核的距离相等(　　)
A．卢瑟福根据α粒子散射实验提出了能量量子化理论
B．大多数α粒子击中金箔后几乎沿原方向返回
C．从a经过b运动到c的过程中α粒子的电势能先减小后增大
D．α粒子经过a、c两点时动能相等
D　[卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，普朗克根据黑体辐射的规律第一次提出了能量量子化理论，故选项A错误；根据α粒子散射现象可知，大多数α粒子击中金箔后几乎沿原方向前进，故选项B错误；α粒子受到电场力作用，根据电场力做功特点可知α粒子从a经过b运动到c的过程中电场力先做负功后做正功，所以α粒子的电势能先增大后减小，故选项C错误；由于a、c两点距金原子核的距离相等，根据能量守恒可知α粒子在a、c两点动能相等，故选项D正确．]
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