1、2.原子的核式结构模型 必备知识自主学习一、汤姆孙的原子模型【情境思考】汤姆孙的原子模型有什么特点?(1)汤姆孙于1904年提出了原子模型,他认为正电荷构成一个密度均匀的_,_“浸浮”其中,并分布在一些特定的同心圆环或球壳上。(2)汤姆孙的原子模型,小圆点代表_,大圆点代表_。汤姆孙的原子模型被称为“_模型”。该模型能解释一些实验现象。球体电子正电荷电子枣糕二、粒子散射实验【情境思考】用粒子散射实验探究原子结构,通过该实验会观察到什么现象?能说明什么问题?1.实验装置:(1)放射源:钋放在带小孔的铅盒中,能放射_。粒子:带正电,q=_,质量约为氢原子的4倍,射出速度可达107 m/s。(2)探
2、测器:能够围绕金箔在_内转动,粒子打在探测器上会发出_。粒子+2e水平面荧光2.实验现象:(1)绝大多数的粒子穿过金箔后_的方向前进。(2)少数粒子发生了_的偏转。(3)极少数粒子的偏转角度超过_,个别甚至接近180。3.实验意义:卢瑟福通过粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了_模型。仍沿原来较大90核式结构三、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,在原子中间有一个体积很小带正电的核,而_在核外绕核运动。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_,非常接近于它们的原子序数。(2)原子核的大小:实验确定的原子核半径R的
3、数量级为_,而原子半径的数量级是_。因而原子内部十分“空旷”。电子相等10-15 m10-10 m四、原子核式结构模型与经典电磁理论相矛盾卢瑟福的原子核式结构模型能很好地解释_,但不能解释原子光谱是_和_。粒子散射实验线状的原子的稳定性【易错辨析】(1)汤姆孙原子模型能解释原子显示电中性。()(2)汤姆孙原子模型说明原子内是空的。()(3)原子的全部正电荷和质量都集中在原子核里。()(4)原子核半径的数量级是10-10 m。()(5)电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力。()提示:(1)。汤姆孙模型显示电子和原子内其他物质带电量相等,电性相反,故原子显中性,(1)正确。(2)。汤姆孙
4、模型是指带正电物质均匀分布于“球”内,即“球”内不是空的,(2)错误。(3)。原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,而电子也是有质量的,故(3)错误。(4)。原子核的直径约是10-15 m,原子的直径约是10-10 m,故(4)错误。(5)。电子绕原子核的圆周运动需要向心力,向心力是由原子核与电子间的库仑力提供的,故(5)正确。关键能力合作学习 知识点一 粒子散射实验与核式结构模型1.粒子散射实验与汤姆孙的原子模型的冲突分析:(1)实验现象分析。由于电子质量远小于粒子质量,所以电子不可能使粒子发生大角度偏转。汤姆孙模型不能使粒子大角度偏转,与实验结果相矛盾。实验现象表明原子绝大部分是
5、空的,除非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,粒子大角度散射是不可能的。(2)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.原子的核式结构模型对粒子散射实验结果的解释:(1)当粒子穿过原子时,如果离核较远,受到原子核的斥力很小,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,所以绝大多数粒子不发生偏转。(2)只有当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)如果粒子正对
6、着原子核射来,偏转角几乎达到180,这种机会极少,如图所示。【特别提醒】(1)原子的核式结构模型能解释原子的很多现象,是关于原子模型方面的理论,但它仍有局限性。(2)由原子“枣糕模型”到原子核式结构论是对原子认识的一种进步,随着科技的发展将会有对原子更进一步的认识。【问题探究】原子的核式结构模型中的原子核占据整个原子的多大的空间?如何由此模型解释粒子的散射实验?提示:原子核非常小,原子核占据整个原子空间的;粒子通过的绝大部分空间是空的,所以大部分粒子几乎不受任何作用直线通过,只有少数接近原子核的粒子才受到原子核的作用而发生偏转,极少数与原子核对心碰撞的粒子才原路返回。【典例示范】【典例】(多选
7、)如图所示为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四个位置时观察到的现象,下述说法中正确的是()A.放在A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B.放在B位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些C.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A、B、D。根据粒子散射现象,绝大多数粒子沿原方向前进,少数粒子发生偏转,极少数偏转超过90,甚至有的被反向弹回,则:放在A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多,选项A正确;放在B位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些,选项B正
8、确;放在C、D位置时,屏上也能观察到闪光,只是比在B位置少得多,选项C错误;放在D位置时,屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少,选项D正确。【规律方法】关于粒子散射实验题目的解法(1)熟记装置及原理。粒子散射实验是一个非常重要的实验,因此对实验器材、现象、现象分析、结论都必须弄明白,才能顺利解答有关问题。(2)理解建立核式结构模型的要点。核外电子不会使粒子的速度发生明显改变。汤姆孙模型不能解释粒子的大角度散射。少数粒子发生了大角度偏转,甚至反弹回来,表明这些粒子在原子中的某个地方受到了质量、电量均比它本身大得多的物体的作用。绝大多数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
9、分是空的。原子的质量、电量都集中在体积很小的核上。【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粒子散射实验。其中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.英国物理学家卢瑟福用粒子轰击金箔,为了解释实验结果,提出了原子的核式结构学说,图中,O表示金原子核的位置,曲线ab和cd表示经过金原子核附近的粒子的运动轨迹,能正确反映实验结果的图是(
10、)【解析】选D。在粒子的散射现象中粒子所受原子核的作用力是斥力,故斥力指向轨迹的内侧,显然A中cd轨迹粒子受力指向轨迹的外侧,在粒子的散射现象中绝大多数的粒子都照直穿过薄金箔,偏转很小,但有少数粒子发生角度很大的偏转,极少数的粒子偏转角大于90,甚至个别粒子沿原方向弹回。原因是粒子的散射现象中粒子所受原子核的作用力是斥力,故越靠近原子核的粒子受到的斥力越大,轨迹的偏转角越大,故A、B、C项与题意不相符;D项与题意相符。知识点二 粒子散射实验中的能量转化问题1.粒子的受力特点:粒子与原子核间的作用力是库仑斥力,大小:F=k (1)式中Q为原子核的电荷量,q为粒子所带电量,r为粒子与原子核间的距离
11、。(2)粒子离原子核越近,库仑力越大,运动加速度越大;反之,则越小。方向:粒子的受力沿原子核与粒子的连线,由原子核指向粒子。2.库仑力对粒子的做功情况:3.粒子的能量转化:仅有库仑斥力做功,只是电势能和动能之间相互转化,而总能量保持不变。【特别提醒】(1)粒子与原子核之间的万有引力远小于两者之间的库仑斥力,因而可以忽略不计。(2)在处理粒子等微观粒子时一般不计重力。【问题探究】在散射实验中,粒子接近原子核时粒子的动能和电势能如何变化?当粒子远离原子核时粒子的动能和电势能如何变化?提示:粒子与原子核都带正电,它们之间的力为库仑斥力,粒子接近原子核时库仑力做负功,动能减少,电势能增加;粒子远离原子
12、核时库仑力做正功,动能增加,电势能减少。【典例示范】【典例】(多选)如图所示,Q为金原子核,M、N为两个等势面,虚线为粒子经过原子核附近的运动轨迹,关于粒子,下列说法正确的是()A.粒子从K到R的过程中动能逐渐增大B.粒子从K到R的过程中动能逐渐减小C.粒子从K到R的过程中动能先减小后增大D.粒子从K到R的过程中电势能先增大后减小【解题指南】解答本题可按以下思路分析:(1)根据粒子的运动轨迹判断库仑力对粒子做功的情况。(2)由库仑力对粒子做功的特点判断粒子的动能及电势能间的变化。【解析】选C、D。以粒子和金原子核为研究对象,分析粒子的变化情况【规律方法】粒子散射实验中常用的规律(1)库仑定律:
13、F=k ,用来分析粒子和原子核间的相互作用力。(2)牛顿第二定律:该实验中粒子只受库仑力,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。【素养训练】1.(多选)在粒子散射实验中,如果两个具有相同能量的粒子,从不同大小的角度散射出来,则散射角度大的粒子()A.更接近原子核B.更远离原子核C.受到一个以上的原子核作用D.受到原子核较大的冲量作用【解析】选A、D。由于原子的体积远远大于原子核的体积,当粒子穿越某一个原子的空间时,其他原子核距粒子相对较远,
14、而且其他原子核对粒子的作用力也可以近似相互抵消,所以散射角度大的这个粒子并非由于受到多个原子核作用造成的,C错;由库仑定律可知,粒子受到的斥力与距离的二次方成反比,粒子距原子核越近,斥力越大,运动状态改变得越大,即散射角越大,A对,B错;当粒子受到原子核较大的冲量作用时,动量的变化量就大,即散射角度大,D对。2.粒子的质量大约是电子质量的7 300倍,如果粒子以速度v跟电子发生弹性正碰(假设电子原来是静止的),则碰撞后粒子的速度变化了多少?【解析】设电子质量为m,碰后粒子速度为v1,电子速度为v2,由弹性正碰中动量守恒和能量守恒有:7 300mv2=7 300m +m 7 300mv=7 30
15、0mv1+mv2解得:v1=v因此碰撞后粒子速度减少了:v-v1=v答案:v【拓展例题】考查内容:粒子散射实验中的计算问题【典例】在粒子散射实验中,根据粒子与原子核发生对心碰撞时能达到的最小距离可以估算原子核的大小。现有一个粒子以2.0107 m/s的速度去轰击金箔,若金原子的核电荷数为79。求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 ,r为距点电荷的距离。粒子质量为6.6410-27 kg)。【解析】当粒子靠近原子核运动时,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,所以粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为d,则mv2=k 。
16、d=2.710-14 m。答案:2.710-14 m【课堂回眸】课堂检测素养达标1.(多选)粒子散射实验中,当粒子最接近金原子核时,粒子符合下列哪种情况()A.动能最小B.电势能最小C.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】选A、D。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,粒子动能最小,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。2.卢瑟福通过粒子散射实验,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模型。如图所示的平面示意图中,、两条实线表示粒子运动的轨迹,则沿所示方向射向原子核的粒子可
17、能的运动轨迹为虚线中的()A.轨迹aB.轨迹bC.轨迹cD.轨迹d【解析】选A。粒子受到库仑斥力产生偏转,应远离原子核,D错;粒子离原子核越近,受到的库仑力越大,偏转角度越大;所代表的粒子的运动比、两条实线代表的粒子的运动更靠近原子核,偏转角度更大,运动轨迹不可能沿虚线b和c,应为虚线a,B、C错;A对。3.(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10-10 m【解析】选A、B、C。卢瑟福粒子散射实验的结果否定了汤姆孙的原子模型,
18、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10-15 m,原子半径的数量级为10-10 m,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。4.高速粒子在重原子核电场作用下的散射现象如图所示,实线表示粒子运动的轨迹,虚线表示重核形成电场的等势面。设粒子经过a、b、c三点时的速度为va、vb、vc,则其关系为()A.vavbvcB.vcvbvaC.vbvavcD.vcvavb。当粒子远离重原子核时电场力做正功,动能增加,vcvb。又因为从a到c的整个过程中电场力对粒子做正功,故vava
19、vb,选项C正确。5.粒子与金核197Au发生正碰时,如果粒子能接近金核的最小距离为210-14 m,试估算金核的密度为多少。【解析】粗略地,可把金核看作一个球体,把粒子接近它的最小距离作为它的半径r,则金核的体积表示为V=r3,而金核的质量M=1971.6710-27 kg3.2910-25 kg,故其密度为=kg/m39.81015 kg/m3。答案:9.81015 kg/m3卢瑟福的科学成就卢瑟福关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化。放射性能使一种原子改变成另一种原子,而这是一般物理和化学变化所达不到的;这一发现打破了元素不会变化的传统观念,使人们对物质结构的研究进入到原子内
20、部这一新的层次,为开辟一个新的科学领域原子物理学,做了开创性的工作。1911年,卢瑟福根据粒子散射实验现象提出原子核式结构模型。该实验被评为“物理最美实验”之一。视野拓展趣味物理质子的发现:1919年,卢瑟福做了用粒子轰击氮核的实验。他从氮核中打出了一种粒子,并测定了它的电荷与质量,它的电荷量为一个单位,质量也为一个单位,卢瑟福将之命名为质子。他通过粒子为物质所散射的研究,无可辩驳地论证了原子的核模型,因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道,于是他被誉为“原子物理学之父”。由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾,才导致玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设,成为量子力学的先驱。人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献。自从元素的放射性衰变被确证以后,人们一直试图用各种手段,如用电弧放电,来实现元素的人工衰变,而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径。这种用粒子或射线轰击原子核来引起核反应的方法,很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。在卢瑟福的晚年,他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应。
