高中物理选修3-5优质学案：18.2原子的核式结构模型

2 原子的核式结构模型
[学习目标] 1.知道汤姆孙的原子结构模型.2.了解α粒子散射实验的原理、现象和结论.3.知道卢瑟福的原子核式结构内容和意义.4.知道原子和原子核大小的数量级以及原子核的电荷数和核外电子数的关系.5.领会卢瑟福原子核式结构实验的科学方法，培养学生的抽象思维能力和想象力．
一、汤姆孙的原子模型
1．汤姆孙原子模型：汤姆孙于1898年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中，有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”，如图1.
图1
2．α粒子散射实验：
(1)α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、放大镜、荧光屏等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中．
(2)实验现象
①绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进；
②少数α粒子发生了大角度偏转；偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”．
(3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型．
二、卢瑟福的核式结构模型
1．核式结构模型：1911年由卢瑟福提出．在原子中心有一个很小的核，叫原子核．它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动．
2．原子核的电荷与尺度
[即学即用]判断下列说法的正误．
(1)汤姆孙的枣糕模型认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内．(√)
(2)α粒子带有一个单位的正电荷，质量为氢原子质量的2倍．(×)
(3)α粒子散射实验证实了汤姆孙的枣糕式原子模型．(×)
(4)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．(√)
(5)原子核的电荷数等于核中的中子数．(×)
(6)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷．(√)
一、对α粒子散射实验的理解与分析
[导学探究]如图2所示为1909年英籍物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：
图2
(1)什么是α粒子？
(2)实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？
(3)实验现象如何？
(4)少数α粒子发生大角度散射的原因是什么？
[答案](1)α粒子(42He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核，带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7300倍．
(2)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．
实验过程：α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子会改变原来的运动方向．带有放大镜的荧光屏可以沿题图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目．
(3)α粒子散射实验的实验现象：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°.
(4)α粒子带正电，α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射．
[知识深化]
1．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°，有的几乎达到180°.
2．理解
(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．
(2)汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射．
(3)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．
(4)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，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内．
例
1如图3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()
图3
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．卢瑟福选用不同重金属箔片作为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
[答案] C
[解析]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处观察到的粒子数多，B处观察到的粒子数少，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．
解决这类问题的关键是理解并熟记以下两点：
(1)明确实验装置的组成及各部分的作用．
(2)弄清实验现象，知道“绝大多数”、“少数”和“极少数”α粒子的运动情况及原因．
二、原子的核式结构模型与原子核的组成
[导学探究]如图4所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景．
图4
(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？
[答案](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，发生大角度偏转，而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转．
[知识深化]
1．原子的核式结构模型与原子的枣糕模型的对比：
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．原子核的大小：原子的半径数量级为10－10m，原子核半径的数量级为10－15m，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.
例
2(多选)根据卢瑟福的原子的核式结构理论，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．电子在核外运动，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．原子核的直径大约为10－10m
[答案]ABC
[解析]卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核半径的数量级为10－15m，原子半径的数量级为10－10m，原子半径是原子核半径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以A、B、C正确，D错误．
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，其中比较有名的是枣糕模
型和核式结构模型，它们的模型示意图如图5所示．下列说法中正确的是()
图5
A．α粒子散射实验与枣糕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枣糕模型，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，建立了枣糕模型
D．科学家通过α粒子散射实验否定了枣糕模型和核式结构模型
[答案] B
[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，否定了枣糕模型，建立了核式结构模型．
2．(α粒子散射实验现象的认识)(多选)如图6为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，下述说法中正确的是()
图6
A．相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多
B．相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时稍少些
C．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少
D．放在C、D位置时屏上观察不到闪光
[答案]AC
[解析]在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对；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，C对．
3．(α粒子散射实验现象的解释)(多选)关于α粒子的散射实验，下列说法中正确的是() A．该实验说明原子中正电荷是均匀分布的
B．α粒子发生大角度散射的主要原因是原子中原子核的作用
C．只有少数α粒子发生大角度散射的原因是原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上
D．卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子核式结构理论
[答案]BCD
[解析]在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物质存在；二是这一物质带有较大的正电荷；三是这一物质的体积很小，但不能说明原子中正电荷是均匀分布的，故A错误，B、C正确；卢瑟福依据α粒子散射实验的现象提出了原子的核式结构理论，D正确．
4．(原子的核式结构模型)(多选)卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有()
A．原子的中心有个核，叫原子核
B．原子的正电荷均匀分布在整个原子中
C．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内
D．带负电的电子在核外绕着核旋转
[答案]ACD
[解析]卢瑟福原子核式结构理论的主要内容是：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，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空间绕着核
高中物理选修3-5
旋转，由此可见，B选项错误，A、C、D选项正确．
5．(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()
[答案] D
[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．
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