2019届高中物理第十八章原子结构第2节原子的核式结构模型讲义含解析选修 10页

原子的核式结构模型汤姆孙的原子模型[探新知·基础练]1．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，电子镶嵌在球中。2．汤姆孙的原子模型，小圆点代表正电荷，大圆点代表电子。3．汤姆孙的原子模型被称为“西瓜模型”或“枣糕模型”，该模型能解释一些实验现象，但后来被α粒子散射实验否定了。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．卢瑟福提出了原子的枣糕模型。(×)2．汤姆孙认为原子是由原子核和电子组成的。(×)[释疑难·对点练]汤姆孙认为原子是一个球体，正电荷均匀分布，电子像枣糕一样镶嵌在原子里。均匀分布和镶嵌都没有说它是固定的，实验证明它是高速运转的。这虽是一个错误的模型推论，但汤姆孙通过阴极射线的研究，发现了电子，并提出原子由电子和带正电的物质两部分组成。这是对物理学做出的重大贡献。[试身手]1．以下说法中符合汤姆孙原子模型的是(　　)A．原子中的正电部分均匀分布在原子中B．原子中的正电部分集中在很小的体积内C．电子在原子内可以自由运动D．电子在原子内不能做任何运动解析：选A　在汤姆孙原子模型中，正电荷均匀分布在原子中，电子镶嵌在原子中，但并不是完全固定的，它可以振动，故只有选项A正确。α粒子散射实验[探新知·基础练]n1．α粒子α粒子是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍。2．实验方法用α粒子源发射的α粒子束轰击金箔，用带有荧光屏的放大镜，在水平面内不同方向对散射的α粒子进行观察，根据散射到各方向的α粒子所占的比例，可以推知原子中正、负电荷的分布情况。3．实验结果绝大多数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(约占八千分之一)发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”。4．汤姆孙模型的困难(1)α粒子的大角度偏转不可能是电子造成的。(2)α粒子偏转的主要原因应是具有原子的大部分质量的带正电部分的作用，但正电荷的均匀分布对α粒子运动的影响不会很大。所以，汤姆孙模型无法解释大角度散射的实验结果。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．α粒子散射实验中，大部分α粒子穿过金箔后发生了大角度偏转。(×)2．卢瑟福根据α粒子散射实验估测了原子核的大小。(√)[释疑难·对点练]对α粒子散射实验的认识1．装置放射源、金箔、荧光屏等，如图所示。2．现象及解释(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。大多数α粒子离金原子核较远。(2)少数α粒子发生较大的偏转。发生较大偏转的α粒子是由于离金原子核较近，库仑斥力较大。(3)极少数α粒子偏转角度超过90°，有的几乎达到180°。正对或基本正对着金原子核入射的α粒子在库仑斥力作用下先减速至较小速度然后加速远离金原子核。3．实验的注意事项(1)整个实验过程在真空中进行。(2)金箔需要做得很薄，α粒子才能穿过。n(3)使用金箔的原因是金的延展性好，可以做得很薄。另外一点就是金的原子序数大，α粒子与金核间的库仑斥力大，偏转明显。[试身手]2．当α粒子穿过金箔发生大角度偏转的过程中，下列说法正确的是(　　)A．α粒子先受到原子核的斥力作用，后受原子核的引力作用B．α粒子一直受到原子核的斥力作用C．α粒子先受到原子核的引力作用，后受到原子核的斥力作用D．α粒子一直受到原子核的斥力，速度一直减小解析：选B　α粒子与金原子核带同种电荷，两者相互排斥，故A、C错误，B正确；α粒子在靠近金原子核时斥力做负功，速度减小，远离时做正功，速度增大，故D错误。卢瑟福的核式结构模型[探新知·基础练]1．核式结构模型(1)内容：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。正电体的尺度是很小的，被称为原子核。卢瑟福的原子模型因而被称为核式结构模型。(2)对α散射实验的解释正电体很小，当α粒子进入原子区域后，大部分离正电体很远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎不改变，只有极少数α粒子在穿过时距离正电体很近，受到很强的库仑斥力，发生大角度散射。2．原子核的电荷与尺度(1)原子内的电荷关系：各种元素的原子核的电荷数与含有的电子数相等，非常接近于它们的原子序数。(2)原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。(3)原子核的大小：实验确定的原子核半径R的数量级为10－15m，而原子的半径的数量级是10－10m。原子内部是十分“空旷”的。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型。(√)2．卢瑟福认为原子核很小，集中了原子所有质量和正电荷。(×)3．卢瑟福提出的原子的核式结构模型已经完美了。(×)[释疑难·对点练]原子的核式结构模型的依据1．电子不可能使α粒子发生大角度散射。α粒子跟电子碰撞过程中，两者动量的变化量相等。由于α粒子的质量是电子质量的7n300倍，在碰撞前后，质量大的α粒子速度几乎不变，而质量小的电子速度要发生改变。因此，α粒子与电子正碰时，不会出现被反弹回来的现象。发生非对心碰撞时，α粒子也不会有大角度的偏转。可见，电子使α粒子在速度的大小和方向上的改变都是十分微小的。2．按照汤姆孙的原子模型，正电荷在原子内部均匀地分布，α粒子穿过原子时，由于α粒子两侧正电荷对它的斥力有相当大一部分互相抵消，使α粒子偏转的力也不会很大。α粒子的大角度散射现象，说明了汤姆孙提出的“枣糕模型”不符合原子结构的实际情况。3．实验中发现少数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．金箔的厚度大约是1μm，金原子的直径大约是3×10－10m。绝大多数α粒子在穿过金箔时，相当于穿过几千个金原子的厚度，但它们的运动方向却没有发生明显的变化，这个现象表明了α粒子在穿过时基本上没有受到力的作用，说明原子中的绝大部分是空的，原子的质量和电荷量都集中在体积很小的核上。[试身手]3．(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，叫做原子核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里D．带负电的电子在核外绕着核旋转解析：选ACD　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里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转，由此可见B选项错误，A、C、D选项正确。对α粒子散射实验的理解[典例1]　(多选)如图所示为卢瑟福和他的学生们做α粒子散射实验的装置示意图。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，关于观察到的现象，下列说法中正确的是(　　)A．相同的时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多B．相同的时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数只比放在A位置时稍少些nC．放在C、D位置时屏上观察不到闪光D．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少[解析]选AD　由α粒子散射实验的结论：绝大多数α粒子仍沿原方向运动，少数α粒子运动方向发生改变，极少数α粒子运动方向发生大角度的偏转，甚至是180°。由A、B、C、D的位置可知绝大多数α粒子打到A位置的荧光屏上，少数α粒子打到B位置的荧光屏上，而极少数α粒子能打到C、D位置的荧光屏上，故选项A、D正确。(1)熟练记忆α粒子散射实验的实验结果，重点把握几个关键词，“绝大多数”“少数”“甚至”等。(2)α粒子散射实验的现象和结果，只能推测出原子的结构，不能证明原子及原子核的组成。原子的核式结构模型和原子核的组成1.原子的核式结构与原子的枣糕模型的根本区别核式结构枣糕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，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。[典例2]　(多选)如图所示表示α粒子散射实验中，某个α粒子经过原子核的情景，虚线a、b和c表示原子核形成的静电场中的三个等势面，它们的电势分别为φa、φb和φc，φa>φb>φc，一个α粒子射入电场中，其运动轨迹如实线KLMN所示，由图可知(　　)A．α粒子从K到L的过程中，电场力做负功B．α粒子从L到M的过程中，电场力做负功C．α粒子从K到L的过程中，电势能增加D．α粒子从L到M的过程中，动能减小[解析]选AC　从K到L时，电场力与运动方向的夹角大于90°，做负功，电势能增加，选项A、C正确；从L到M过程中，电场力先做负功，后做正功，动能先减小，后增大，选项B、D错误。[典例3]　氢原子的核外电子质量为m，电荷量为e，在离核最近的轨道上做圆周运动，轨道半径为r。试回答下列问题：n(1)电子运动的动能Ek是多少？(2)电子绕核运动的频率是多少？(3)电子绕核运动相当于环形电流，则该环形电流的大小为多少？[思路点拨]　根据题意可知，氢原子中的电子绕核做匀速圆周运动，电子和原子核间的库仑力提供电子所需的向心力，而轨道半径已知，可由牛顿第二定律和圆周运动规律列方程求解。[解析]　(1)根据牛顿第二定律得k＝m故电子的动能Ek＝mv2＝。(2)电子绕核运动的频率f＝＝(3)该环形电流的大小为I＝＝ef＝。[答案]　(1)　(2)　(3)[课堂对点巩固]1．在α粒子散射实验中，我们并没有考虑电子对α粒子偏转角度的影响，这是因为(　　)A．电子的体积非常小，以致α粒子碰不到它B．电子的质量远比α粒子的小，所以它对α粒子运动的影响极其微小C．α粒子使各个电子碰撞的效果相互抵消D．电子在核外均匀分布，所以α粒子受电子作用的合外力为零解析：选B　α粒子的质量是电子质量的7300倍，电子虽然很小，但数量很多，α粒子仍能碰到，但影响微乎其微。选项B正确。2．下列对原子结构的认识，错误的是(　　)A．原子中绝大部分是空的，原子核很小B．电子在核外绕核旋转，向心力为库仑力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解析：选D　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，提出了原子的核式结构学说，并估算出了原子核直径的数量级为10－15m，原子直径的数量级为10n－10m，原子直径是原子核直径的十万倍，所以原子内部十分“空旷”。核外带负电的电子绕核旋转，其向心力是由库仑力为其提供的，所以本题应选D项。3．(多选)卢瑟福的α粒子散射实验结果表明了(　　)A．原子核是可分的B．汤姆孙的“枣糕”模型是错误的C．原子是由均匀带正电的物质和带负电的电子构成D．原子中的正、负电荷并非均匀分布解析：选BD　α粒子散射实验没有证明原子是由什么构成的，也没有证明原子核是否可分，而是证明了组成原子的正、负电荷在原子内部是如何分布的，由实验现象可知原子内部的正、负电荷并非均匀分布，证明了“枣糕模型”是错误的，故答案为B、D。4．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所示。下列说法中正确的是(　　)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，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，并通过该实验，否定了枣糕模型，建立了核式结构模型。B正确。[课堂小结][课时跟踪检测十]一、单项选择题1．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nC．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解析：选A　若金箔的厚度过大，α粒子穿过金箔时必然受较大的阻碍而影响实验效果，B错；若改用铝箔，铝核的质量仍远大于α粒子的质量，散射现象仍能发生，C错；若放置在空气中，空气中的尘埃对α粒子的运动会产生影响，故D错。只有A对。2．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　卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，即α粒子散射实验，实验结果显示：绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大角度的偏转，极少数α粒子的偏转角超过90°，有的几乎达到180°，也就是说它们几乎被“撞了回来”。能正确反映该实验结果的是选项D。3．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．可能在④区域解析：选A　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，故原子核不会在④区域；若原子核在②、③区域，α粒子会向①区域偏；若原子核在①区域，可能会出现题图所示的轨迹，故应选A。4．(福建高考)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(　　)解析：选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，C正确。二、多项选择题5．在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(　　)nA．动能最小B．电势能最小C．α粒子与金原子核组成的系统能量最小D．所受金原子核的斥力最大解析：选AD　α粒子在接近金原子核的过程中，要克服库仑斥力做功，动能减小，电势能增大；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。故A、D正确。6．卢瑟福对α粒子散射实验的解释是(　　)A．使α粒子产生偏转的力主要是原子中电子对α粒子的作用力B．使α粒子产生偏转的力是库仑力C．原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进D．能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子解析：选BCD　原子核带正电且很小，与α粒子之间存在库仑力，当α粒子靠近原子核时受库仑力作用而偏转。绝大多数的α粒子离原子核不太近，沿原来的方向前进，故B、C、D正确。三、非选择题7．1911年，卢瑟福依据α粒子散射实验中α粒子发生了________(选填“大”或“小”)角度散射现象，提出了原子的核式结构模型。若用动能为1MeV的α粒子轰击金箔，α粒子的速度约为__________m/s。(质子和中子的质量均为1.67×10－27kg,1MeV＝1×106eV)解析：设α粒子的速度为v，Ek＝mv2，则v＝＝m/s≈6.9×106m/s。答案：大　6.9×1068．速度为107m/s的α粒子从很远的地方飞来，与铝原子核发生对心碰撞，若α粒子的质量为4m0，铝核的质量为27m0，它们相距最近时，铝核获得的动能是原α粒子动能的多少？解析：当两者速度相同时相距最近，由动量守恒，得mαv0＝(mα＋m铝)v解得v＝＝v0，所以＝＝。n答案：9．1911年前后，物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔，获得惊人的发现。试由此实验并根据下面所给的公式或数据估算金原子核的大小。点电荷的电势φ＝，k＝9.0×109N·m2/C2。金原子序数为79，α粒子的质量mα＝6.64×10－27kg，质子的质量mp＝1.67×10－27kg，α粒子的速度vα＝1.60×107m/s，电子电荷量e＝1.60×10－19C。解析：设α粒子接近金原子核时最近的距离为R，则R可认为是金原子核的半径。由动能定理得mαvα2＝qαφ又φ＝，Q为金原子核电荷量，则R＝其中qα＝2e，Q＝79e，代入上式及已知数据可得R＝≈4×10－14mV＝πR3≈2.68×10－40m3。答案：2.68×10－40m3