2020-2021学年鲁科版选修3-5 2.2原子的核式结构模型 课件（55张PPT）

第2节　原子的核式结构模型
一、α粒子散射实验
【情境思考】
如图是α粒子散射实验装置图,在实验中会有哪些现象?
必备知识·自主学习
1.实验方法:
用由放射源发射的α粒子束轰击_____,利用荧光屏接收,探测通过_____后的
α粒子分布情况。
2.实验结果:
_________α粒子穿过金箔后,仍沿_______方向前进,但有_____α粒子发生了
较大的偏转,有_______α粒子偏转角超过了90°,有的甚至被_________,α粒
子被反射回来的概率竟然有 。
金箔
金箔
绝大多数
原来的
少数
极少数
原路弹回
二、卢瑟福原子模型
【情境思考】
根据α粒子散射实验现象,卢瑟福是如何解释的?建立了什么原子模型?
1.核式结构模型:原子内部有一个很小的核,叫作_______,原子的___________
以及_______________都集中在_______内,带负电的_____绕核运动。原子的
核式结构模型又被称为_____模型。
2.原子的大小:
(1)原子直径数量级:_____ m。
(2)原子核直径数量级:_____ m。
原子核
全部正电荷
几乎全部的质量
原子核
电子
行星
10-10
10-15
【易错辨析】
(1)α粒子散射实验证明了汤姆孙的原子模型是符合事实的。 (　　)
(2)α粒子散射实验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹。 (　　)
(3)卢瑟福否定了汤姆孙模型,建立了原子核式结构模型。 (　　)
(4)原子的质量几乎全部集中在原子核上。 (　　)
(5)原子中所有正电荷都集中在原子核内。 (　　)
提示:(1)×。α粒子散射实验否定了汤姆孙的原子模型,汤姆孙的原子模型无法解释α粒子的大角度散射。
(2)×。α粒子散射实验中大多数α粒子仍沿原方向前进,只有少数发生了大角度偏转或反弹。
(3)√。卢瑟福否定了汤姆孙模型,建立了原子核式结构模型。
(4)√。原子中几乎全部的质量都集中在原子核内。
(5)√。原子中所有正电荷都集中在原子核内。
关键能力·合作学习
知识点一　α粒子散射实验
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.实验的注意事项:
(1)整个实验装置及实验过程必须在真空中进行。
(2)α粒子是氦核,穿透能力很弱,因此金箔必须很薄,α粒子才能穿过。
3.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,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
反射回来的概率可达 。
4.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。
5.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。
6.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。
【问题探究】
情境:
如图所示,用α粒子轰击金箔的实验装置图。
讨论:
(1)用金箔作“靶子”的原因。
提示:①金原子核电荷Q=79e,对α粒子有库仑力的作用;
②金原子核比α粒子的质量大得多,α粒子不会使金原子核发生明显的运动;
③金的延展性好,可制成很薄的箔,能减少α粒子与金原子核发生二次碰撞的可能性。
(2)α粒子散射实验是观看到了原子的核式结构吗?
提示:不是观看到了,而是由实验现象推断出来的。
【典例示范】
【典例】(多选)图为卢瑟福和他的同事们做的α粒子散射实验装置示意图,以下说法中正确的是 (　　)

A.选择金箔的理由是“金”这种原子具有较大的核电荷数和优良的延展性能
B.观察到α粒子多数进入A,少数进入B,没有进入C和D的
C.原子的直径大小约为原子核的直径大小的10万倍
D.实验装置可以不抽成真空
【解析】选A、C。α粒子散射实验中,选用金箔是因为金原子具有很好的延展性,可以做成很薄的箔,α粒子很容易穿过,还有其原子序数大,α粒子与金核间的库仑力大,发生偏转时明显,故A正确;大多数α粒子基本不偏转,少数α粒子发生大角度的偏转,所以有α粒子进入C和D,故B错误;原子直径的数量级为10-10 m,原子核直径的数量级为10-15 m,所以原子的直径大小约为原子核的直径大小的10万倍,故C正确;实验装置一定要抽成真空,原因主要是α粒子的电离作用,若在空气中由于电离粒子只能前进几厘米,故D错误。
【素养训练】
1.(2020·天津等级考)在物理学发展的进程中，人们通过对某些重要物理实验的深入观察和研究，获得正确的理论认识。下列图示的实验中导致发现原子具有核式结构的是（ ）
【解析】选D。由图可知，A、B、C、D四幅图像分别代表：双缝干涉实验、光电效应实验、电磁波的发射和接收实验和α粒子散射实验。其中α粒子散射实验导致发现原子具有核式结构，故D正确，A、B、C错误。
2.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粒子撞击到金箔原子后产生的反弹
【解析】选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处观察到的粒子多,B处观察到的粒子少,所以选项A、B错误。α粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用,所以选项D错误、C正确。
知识点二　卢瑟福原子模型
1.两种原子模型:
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.原子核式结构的含义:
(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10-10m,原子核半径的数量级是10-15m,两者相差十万倍之多。
【问题探究】
情境:卢瑟福无法用汤姆孙原子结构模型解释α粒子发生大角度散射现象,卢瑟福经过严谨的理论推导,于1911年提出了原子的核式结构模型。
讨论:(1)电子为什么不会因库仑力而落到核上?
提示:因为电子绕核运转,正如地球绕太阳运转一样,库仑力提供向心力。
(2)两种原子模型的主要区别是什么?
提示:汤姆孙原子模型认为:正电荷和质量均匀分布,负电荷镶嵌在其中;卢瑟福原子模型认为:正电荷以及几乎全部质量都集中在原子中心的一个极小的核内,电子质量很小,分布在很大空间内。
【典例示范】
【典例】(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
【思维·建模】
【解析】选B、D。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。
【素养训练】
1.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,建立了玻尔的原子模型
【解析】选B。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。
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.A　　　　　B.B　　　　　
C.C　　　　　D.D
【解析】选A。卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型,正电荷全部集中在原子核内,α粒子带正电,同种电荷相互排斥,所以沿③所示方向射向原子核的α粒子可能的运动轨迹为A。
【拓展例题】考查内容:由α粒子散射实验估算原子核的大小
【典例】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
的最小距离就可以估算原子核的大小,现有一个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,求该α粒子与金原子核之间的最近距
离。(已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为Ep=k ,α粒子质量
为6.64×10-27kg)
【解析】α粒子散射实验使人们认识到原子的核式结构,从能量转化角度看,
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,可以估算原子核的大小。
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,由能量守恒有
mv2=k
d= m
=2.7×10-14m。
答案:2.7×10-14m
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构,正确反映实验结果的示意图是 (　　)
【解析】选D。实验结果是:离金原子核远的α粒子偏转角度小,离金原子核近的α粒子偏转角度大,正对金原子核的α粒子原路返回,故A、B、C错误,D正确。
2.卢瑟福和他的助手做α粒子轰击金箔实验,获得了重要发现,关于α粒子散射实验的结果,下列说法正确的是 (　　)
A.证明了质子的存在
B.证明了原子核是由质子和中子组成的
C.证明了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
D.说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动
【解析】选C。α粒子散射实验发现了原子内存在一个集中了全部正电荷和几乎全部质量的核。数年后卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子,所以C对,A、B错;α粒子散射实验只能证明原子的核式结构,无法证明电子具体的运动形态,D错。
3.(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处的速度小
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
【解析】选C、D。由能量守恒定律可知,对于A、B、C三点,A、C位于原子核形成的同一等势面上,电势能相同,故动能也相同,则A、C两点速率相同,C正确;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,A、B错误。
【加固训练】
　　(多选)在α粒子散射实验中,当α粒子最接近金原子核时,符合下列哪种情况 (　　)
A.动能最小
B.电势能最小
C.α粒子和金原子核组成的系统的能量最小
D.加速度最大
【解析】选A、D。α粒子带正电,金原子核也带正电,二者互相排斥,因此距离越近,速度越小,距离最近的时候动能最小,库仑力最大,所以加速度也最大,故A、D正确;全程库仑力做负功,因此电势能增加,距离最近时达到最大值,故B错误;α粒子和金原子核组成的系统的能量不变,故C错误。
4.关于卢瑟福的α粒子散射实验,下列说法中正确的是　 (　　)
A.全部α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进
B.根据α粒子散射实验可以估测原子的大小
C.α粒子散射实验揭示了原子核由质子和中子构成
D.α粒子散射实验揭示了原子的核式结构模型
【解析】选D。卢瑟福的α粒子散射实验中,大多数的α粒子穿过金箔后仍按原来的方向前进,选项A错误; 根据α粒子散射实验可以估测原子核的大小,选项B错误;α粒子散射实验揭示了原子的核式结构模型,但不能揭示原子核由质子和中子构成,选项D正确,C错误;故选D。
5.(多选)用α粒子轰击金箔,α粒子在接近金原子核时发生偏转的情况如图所示,则α粒子的路径可能是 (　　)
A.a B.b
C.c D.a、b、c都是不可能的
【解析】选A、C。α粒子在穿过金箔时轨迹发生大角度偏转的主要原因是金原子核对α粒子的静电力作用。由于电子质量太小,对α粒子的运动影响甚微,α粒子和金原子核均带正电,故应相互排斥,轨迹a、c是符合实验情况的轨迹。α粒子与原子核(金核)通过库仑力发生作用,二者表现为斥力,而b路径表现为引力,故B不正确。
6.已知电子质量为9.1×10-31 kg,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大小、动能、周期和形成的等效电流。
【解析】由卢瑟福的原子模型可知:电子绕核做圆周运动所需的向心力由核对电子的库仑引力来提供。
根据
=1.6×10-19× m/s
≈2.19×106 m/s;
其动能Ek= mv2= ×9.1×10-31×(2.19×106)2 J
≈2.18×10-18 J;
运动周期T=
= s≈1.52×10-16 s;
电子绕核运动形成的等效电流
I= A≈1.05×10-3 A。
答案:2.19×106 m/s　2.18×10-18 J　1.52×10-16 s
1.05×10-3 A