1、第2节原子的核式结构模型(对应学生用书页码P20)一、粒子散射实验1汤姆孙的原子模型(如图221)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。图221汤姆孙的原子模型，小圆点代表正电荷，大圆点代表电子。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，但后来被粒子散射实验否定了。2粒子散射实验(1)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)实验结果绝大多数粒子穿过金箔后，基本沿原方向前进。少数粒子发生大角度偏转，偏转角甚至大于90。(3)卢瑟福通过粒子散射
2、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11911年由卢瑟福提出：在原子的中心有一个很小的核叫原子核 ，原子的所有正电荷和几乎所有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。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1015_m。而整个原子的半径的数量级是1010_m，两者相差十万倍之多。可见原子内部是十分“空旷”的。三、经典理论的困难卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了粒子散射实验，但是，经典的物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子发光频
3、谱的分立特征。1判断：(1)粒子散射实验中大多数粒子发生了大角度偏转或反弹。()(2)卢瑟福否定了汤姆孙模型，建立了原子核式结构模型。()(3)粒子大角度的偏转是电子造成的。()答案：(1)(2)(3)2思考：粒子散射实验中用的金箔大约1 m厚，1 m厚的金箔大约有33 00层原子，绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，这说明了什么？提示：金箔的厚度相当于几千层金原子的厚度，而绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，说明原子中的绝大部分是空的。(对应学生用书页码P20)对粒子散射实验的认识与理解1.实验装置如图222所示，由放射源、金箔、荧光屏等组成。图2222注意事项(1)从粒子源到荧光
4、屏这段路程处于真空中。(2)粒子是氮核，本身很小，金箔需很薄，粒子才能很容易穿过。(3)实验中用的是金箔而不是铝箔，这是因为金的原子序数大，粒子与金核间库仑力大，偏转明显；另外金的延展性好，容易做成极薄的金箔。3实验结果粒子穿过金箔时，绝大多数不发生偏转，仍沿原来的方向前进，少数发生较大的偏转，偏转的角度甚至大于90，也就是说它们几乎被“撞”了回来。4卢瑟福对粒子散射现象的分析核式结构模型(1)分布情况：所有正电荷和几乎全部质量集中在原子核内，原子中绝大部分是空的。(2)受力情况：少数粒子靠近原子核时，受到的库仑斥力大；大多数粒子离原子核较远，受到的库仑斥力较小。(1)实验中的荧光屏是可以移动
5、的，通过移动可探测到粒子散射到不同角度的数目。(2)粒子散射实验为原子的核式结构学说奠定了实验基础，在核式结构模型中认为电子在原子核对它的库仑力作用下做匀速圆周运动。1卢瑟福的粒子散射实验说明了下列哪些情况()A原子内的正电荷全部集中在原子核里B原子内的正电荷均匀分布在它的全部体积上C原子内的正负电荷是一对一整齐排列的D原子的几乎全部质量都集中在原子核里解析：选AD卢瑟福的粒子散射实验中，少数粒子发生了大角度偏转，这是原子中带正电部分作用的结果。由于大角度偏转的粒子数极少，说明原子中绝大部分是空的，带正电部分的体积很小。带负电的电子绕核运动的向心力即是原子核对它的引力，而电子质量极小，故原子核
6、集中了原子全部正电荷和几乎全部质量，故选项A、D正确。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，大小为Fk。粒子离原子核越近，库仑斥力越大，它的加速度越大，反之则越小，粒子的受力方向沿原子核与粒子的连线指向粒子。2库仑力对粒子的做功情况及能量转化情况(1)当粒子靠近原子核时，库仑斥力做负功，电势能增加；远离时，库仑斥力做正功，电势能减小。(2)仅有库仑力做功，只是电势能和动能相互转化，而总能量保持不变。处理卢瑟福原子模型、粒子散射实验等问题，经典电磁学理论和经典力学理论仍适用。粒子接近原子核时，原子核外电子对它的作用可忽略。2粒子在金原子核电场作用下的散射
7、情况如图223所示，虚线表示粒子的运动轨迹，实线表示金核电场的等势面。设粒子通过a、b、c三点时速率分别为va、vb、vc，电势能分别为Ea、Eb、Ec，则下列选项中正确的是()图223AvavbvcEbEaEcBvbvcvaEbEavavcEbEaEcDvbvaEaEc解析：选D粒子在金原子核周围散射运动规律类同于q检验电荷在Q点电荷形成的电场中的运动规律。在离金原子核越近处，电势越高，电势能越大，动能越小，电势能和动能总和保持不变，故D正确。(对应学生用书页码P21)粒子散射实验现象分析例1如图224所示为卢瑟福和他的学生们做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
8、、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下列说法中正确的是()图224A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，但次数极少解析由粒子散射实验的结论：绝大多数粒子仍沿原方向运动，少数粒子运动方向发生改变，个别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粒子打到A位置的荧光屏上，少数粒子打到B位置的荧光屏上，而极少数粒子能打到C、D位置的荧光屏上，故选项A、D正确。答案AD要认识和理解粒子散射实验：(1)熟练记忆粒子散射
9、实验的实验结果，重点把握几个关键词：“绝大多数”“少数”“极少数”等。(2)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，所以对于该实验，不但要理解该实验的目的、原理，还要掌握实验的结果说明了什么。对粒子的运动轨道的分析例2当粒子被金核散射时，如图225所示A、B、C、D四条运动轨迹中不可能存在的是()图225解析粒子在靠近金原子核时，所受库仑力为斥力，A、D的轨迹是可能存在的。而从B、C的轨迹可以判断，B、C受的力是吸引力，与核式结构模型不符，所以B、C的轨迹是不可能的。答案BC当粒子靠近金核发生散射现象时，其运动轨迹要发生偏转做曲线运动，而做曲线运动的物体所受
10、合外力的方向总是指向曲线的凹侧。(对应学生用书页码P21)1对粒子散射实验装置的描述，下列说法正确的是()A主要实验器材有：放射源、金箔、荧光屏、显微镜B金箔的厚薄对实验无影响C如果改用铝箔就不能发生散射现象D实验装置放在真空中解析：选AD粒子散射实验是指用粒子轰击很薄的金箔(或铝箔)物质层，通过观察粒子穿过物质层后的偏转情况，获得原子结构的信息，为准确观察粒子的偏转情况，荧光屏和显微镜能够围绕金箔转，且整个装置放在真空环境中。2根据汤姆孙原子模型预测粒子散射实验结果是()A绝大多数粒子穿过金箔后都有显著偏转B绝大多数粒子穿过金箔后都有小角度偏转C极少数粒子偏转角很大，有的甚至沿原路返回D不可
11、能有粒子偏转角很大，更不可能沿原路返回解析：选D电子的质量很小，比粒子的质量小得多，粒子碰到金箔原子内的电子运动方向不会发生明显变化，汤姆孙模型认为正电荷在原子内是均匀分布的，因此，当粒子穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部分互相抵消，使粒子偏转的力不会很大，不会有大角度偏转。3关于原子结构理论与粒子散射实验的关系，下列说法正确的是()A卢瑟福做粒子散射实验是为了验证汤姆孙的枣糕模型是错误的B卢瑟福认识到汤姆孙“枣糕模型”的错误后提出了“核式结构”理论C卢瑟福的粒子散射实验是为了验证核式结构理论的正确性D卢瑟福依据粒子散射实验的现象提出了原子的“核式结构”理论解析：选D由于卢瑟福设计
12、的粒子散射实验是为了探究原子内电荷的分布，并非为了验证汤姆孙模型，A错误；卢瑟福并不是认识到“枣糕模型”的错误而提出“核式结构”理论的，B错误；卢瑟福做了粒子散射实验后，由实验现象提出了“核式结构”理论，C错误，D正确。4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。如图226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能的运动轨迹为虚线中的()图226A轨迹aB轨迹bC轨迹c D轨迹d解析：选A粒子靠近中心时会受到更大的排斥力，故A正确，其他三项错误。5卢瑟福的粒子散射实验结果表明了()A原子核是可分的B原子核是由质子
13、、中子组成C原子是由均匀带正电的物质和带负电的电子构成D原子内部有一个很小区域，集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量解析：选D据粒子散射实验的结果，卢瑟福提出了原子核式结构模型，故D正确。题中C项是汤姆孙提出的原子模型，而粒子散射实验否定了这一模型，故C错，此实验也说明原子是可分的，故A错，B虽然正确，但不是由粒子散射实验得出的，故B不选。6如图227所示卢瑟福粒子散射实验的原子核(黑点表示)和两个粒子的径迹，其中正确的是()图227解析：选A粒子是氦核，带正电，金核也带正电，则粒子与金核的作用力为库仑斥力，因此粒子靠近金核时应向远离金核的方向运动，故A正确，B、C、D错。7下列对原子结构的
14、认识中，正确的是()A原子中绝大部分是空的，原子核很小B电子在核外旋转，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原子核的直径大约是1010 m解析：选ABC原子是由位于原子中心带正电的原子核和核外带负电的电子构成的，电子在核外绕核高速旋转，库仑力提供向心力，由此可判定B、C正确；根据散射实验知原子核直径数量级为1015 m，而原子直径的数量级为1010 m，故A正确，D错误。8在卢瑟福的粒子散射实验中，有少数粒子发生大角度偏转，其原因是()A原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上B正电荷在原子中是均匀分布的C原子中存在着带负电的电子D金箔中的金原子间存在很大的空隙，只有极少
15、数碰到金原子解析：选A卢瑟福的粒子散射实验中少数粒子发生了较大角度的偏转，说明只有少数粒子受到很强的斥力，大多数粒子受到的斥力很小，这反映出在原子内部正电荷分布在很小的空间，且质量很大，A正确，B错误；实验中所用金箔尽管很薄，但也有上千层原子，由此可知，有少数粒子偏转显然不是由于碰到金原子，而是被金原子核散射的缘故。由此知C、D错误。9如图228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()图228A粒子从K到R的过程中动能逐渐增加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加D粒子从K到R的过程中电势能先增
16、加后减小解析：选CD由题目可获取以下信息：金原子核外有两个等势面。粒子经过原子核附近的过程，可分为粒子靠近原子核和远离原子核的过程，由动能定理依据库仑斥力做功的情况判断动能的变化，同样由库仑斥力做功的情况判断势能的变化。在粒子从K到离原子核最近的过程中，库仑斥力做负功，动能逐渐减小，电势能逐渐增加；在粒子从离原子核最近到R的过程中，库仑斥力做正功，动能增加，电势能减小，由此可知，C、D正确。101911年卢瑟福依据粒子散射实验中粒子发生了_(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1 MeV的粒子轰击金箔，则其速度约为_ m/s。(质子和中子的质量均为1.67102
17、7 kg,1 MeV1106 eV)解析：卢瑟福在粒子散射实验中发现了大多数粒子没有大角度偏转，少数发生了较大的偏转，卢瑟福抓住了这个现象进行分析，提出了原子的核式结构模型。1 MeV11061.61019 Jmv2，解得v6.9106 m/s。答案：大6.910611已知金的原子序数为79，粒子离金原子核的最近距离设为1013 m，则粒子离金核最近时受到的库仑斥力是多大？对粒子产生的加速度是多大？(已知粒子的电荷量q2e，质量m6.641027 kg)解析：粒子离核最近时受到的库仑斥力为Fkk9109 N3.64 N金核对粒子的库仑力对粒子产生的加速度大小为a m/s25.481026 m/
18、s2。答案：3.64 N5.481026 m/s212在粒子散射试验中，根据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，求该粒子与金原子核之间的最近距离(己知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为Epk，粒子质量为6.641027 kg)。解析：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，可以估算原子核的大小。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mv2kd m2.71014 m。答案：2.71014 m
