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1、第 2 节原子的核式结构模型第 2 节原子的核式结构模型 1. 粒子散射实验结果：绝大多数 粒子穿过金箔后， 基本上仍沿原来的方向前进，但有少数 粒子发生 了大角度偏转，偏转的角度甚至大于 90。 2原子结构模型：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核旋转。 3原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子 核中的质子数。 4原子半径的数量级为 1010m，原子核半径的数量级为 1015 m。 一、汤姆孙的原子模型 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
2、子镶嵌在球中。 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。 二、 粒子散射实验 1 粒子 粒子是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，含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 粒子源发射的 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 粒子进行观察，根据散射到各方向的 粒子所占的比例，可以推知原子中正、 负电荷的分布情况。 3实验装置 4实验现象 (1)绝大多数的 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进。 (2)少数 粒子发生了
3、大角度偏转 ； 偏转的角度甚至大于 90，它们几乎被“撞了回来” 。 5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，建立了核式结构模型。 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，原子中带正电的部分体积很小，但几乎占有全 部质量，电子在正电体的外面运动。 2原子核的电荷与尺度 1自主思考判一判 (1)汤姆孙的枣糕式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) 粒子带有一个单位的正电荷，质量为氢原子质量的 2 倍。() (3) 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
4、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。() 2合作探究议一议 由原子的半径和原子核的半径数值可推知，原子核体积只占原子体积的，其空旷程度 1 1015 可想而知。据此，你能否说明产生 粒子散射现象的原因？可得到怎样的启示？ 提示：由于 粒子的质量远大于电子质量，电子不可能使其发生大角度偏转，产生大角 度偏转的原因应该是原子核，由于原子核非常小，入射的 粒子绝大多数距原子核很远。只 有极少数 粒子靠近原子核，由于其库仑斥力而使 粒子发生大角度偏转。由 粒子散射 现象可知，原子核非常小；能够使 粒子
5、发生大角度偏转，说明原子核聚集了原子的绝大部 分质量且带正电。 对 粒子散射实验现象的分析 1实验背景 粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是想验证 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否定汤姆孙的原子结构模型 (1)质量远小于原子的电子， 对 粒子的运动影响完全可以忽略， 不应该发生大角度偏转。 (2) 粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对 粒子运动 方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转。 (3) 粒子的大角度偏转，否定汤姆孙的原子结构模型。 3大角度偏
6、转的实验现象分析 (1)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。 (2)使 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， 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 粒子发生大角度偏转，更不能使 粒子反向弹回，这与 粒子散射实验相矛盾。 (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， 粒子大角度散射是不可能的。 4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
7、 “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，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。 (3)如果 粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到 180，这种机会极少，如图所示， 所以极少数粒子的偏转角度甚至大于 90。 1(2016上海高考)卢瑟福通过对 粒子散射实验结果的分析，提出了原子内部存在 ( ) A电子 B中子 C质子 D原子核 解析：选 D 卢瑟福在 粒子散射实验中观察到绝大多数 粒子穿过金箔后几乎不改变 运动方向，只有极少数的 粒子发生了大角度的
8、偏转，说明在原子的中央存在一个体积很小 的带正电的物质，将其称为原子核。故选项 D 正确。 2在 粒子散射实验中，极少数的 粒子出现了大角度的散射，其原因是( ) A组成金箔的原子的粒子均匀分布， 粒子轰击金箔，正好碰撞到某个粒子，出现了大 角度的散射 B组成金箔的原子由质子和中子、电子组成， 粒子轰击金箔，正好碰撞到质子，受到 质子斥力的作用，出现了大角度的散射 C原子核的存在， 粒子在十分靠近它时，受到很强的斥力 D 粒子与金箔中的电子发生碰撞，偏离原来的运动方向 解析：选 C 只有极少数的 粒子出现了大角度的散射，说明带正电荷部分体积很小， 但几乎占原子全部质量，所以选项 C 正确。 3
9、多选如图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、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 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 AD 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， 极少数 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
10、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。 原子的核式结构模型与原子核的组成 1原子的核式结构模型与原子的枣糕模型的对比： 核式结构模型枣糕模型 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原子核的大小：原子的半径数量级为 1010 m，原子核半径的数量级为 1015 m，原子 核的半径只相当于原子半径的十万分之一，
11、体积只相当于原子体积的 1015。 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。 现在一个 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Epk，r为距点电荷的距离。 粒子质量为 6.641027kg)。 q1q2 r 思路点拨 (1) 粒子的运动方向沿 粒子和金原子核的连线。 (2)当 粒子的动能减为零时，电势能最大，离原子核最近。 (3)原子核的大小应比最近距离小一些。 解析 当 粒子靠近原子核运动时， 粒子的动能转化为电势能，
12、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 mv2k， 则d m 1 2 q1q2 d 2kq1q2 mv2 2 9.0 109 2 79 1.6 10192 6.64 1027 2.0 1072 2.71014 m。 答案 2.71014 m 解答原子结构问题的三大规律 (1)库仑定律 ：Fk，可以用来确定电子和原子核、 粒子和原子核间的相互作用力。 q1q2 r2 (2)牛顿运动定律和圆周运动规律，可以用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题。 (3)功能关系：可以分析由于库仑力做功引起的带电粒子在原子核周围运动时动能、电势 能之间的
13、转化问题。 1多选关于原子的核式结构模型，下列说法正确的是( ) A原子中绝大部分是“空”的，原子核很小 B电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力 C原子的全部电荷和质量都集中在原子核里 D原子核的直径的数量级是 1010 m 解析：选 AB 因为原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，而原子核又很 小，所以原子内绝大部分区域是“空”的，A 正确，C 错误；电子绕原子核做圆周运动时，原 子核与电子间的库仑引力提供向心力，B 正确；原子核直径的数量级是 1015 m，原子直径的 数量级是 1010 m，D 错误。 2关于 粒子散射实验( ) A绝大多数 粒子经过金箔后，发生了角度
14、不太大的偏转 B 粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少 C 粒子离开原子核的过程中，动能增加，电势能也增加 D对 粒子散射实验的数据进行分析，可以估算出原子核的大小 解析：选 D 由于原子核很小， 粒子十分接近它的机会很少，所以绝大多数 粒子基 本上仍沿原方向前进。只有极少数发生大角度的偏转，从 粒子的散射实验的数据可以估算 出原子核直径的大小约为 1015 m1014 m。由此可知 A 错，D 正确 ； 粒子向原子核射去， 当 粒子接近原子核时，克服电场力做功，所以其动能减少，电势能增加；当 粒子远离 原子核时，电场力做正功，其动能增加，电势能减少，所以选项 B、C 都错。 3根据
15、 粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，图 中虚线表示原子核所形成的电场的等势线， 实线表示一个 粒子的运动 轨迹。 在 粒子从a运动到b、 再运动到c的过程中，下列说法中正确的 是( ) A动能先增大，后减小 B电势能先减小，后增大 C电场力先做负功，后做正功，总功等于零 D加速度先变小，后变大 解析 ： 选 C 粒子从a点经b点到达等势点c的过程中电场力先做负功，后做正功， 粒子的电势能先增加，后减小，回到同一等势线上时，电场力做的总功为零，故 C 项正确。 1多选卢瑟福的 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
16、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 粒子散射实验并非证明原子是由什么构成的，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。 2多选在 粒子散射实验中，关于选用金箔的原因下列说法正确的是( ) A金具有很好的延展性，可以做成很薄的箔 B金原子核不带电 C金原子核质量大，被 粒子轰击后不易移动 D金这种材料比较昂贵 解析：选 AC 粒子散射实验中，选用金箔是因为金具有很好的延展性，可以做成很薄 的箔， 粒子很容易穿过，A 正确。金原子核质量大，被 粒子轰击后
17、不易移动，C 正确。 金 原子核带正电，B 错误。选用金箔做实验与金这种材料比较昂贵没有任何关系，D 项错误。 3 在粒子散射实验中， 我们并没有考虑电子对粒子偏转角度的影响， 这是因为( ) A电子的体积非常小，以致 粒子碰不到它 B电子的质量远比 粒子的小，所以它对 粒子运动的影响极其微小 C 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 粒子受电子作用的合外力为零 解析：选 B 粒子的质量是电子质量的 7 300 倍，电子虽然很小，但数量很多， 粒 子仍能碰到，影响微乎其微。选项 B 正确。 4.在卢瑟福的 粒子散射实验中，某一 粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图所示。
18、图中P、Q 为轨迹上的点，虚线是经过P、Q 两点并与轨迹相切的直线，两虚线将平面分为四 个区域。不考虑其他原子核对 粒子的作用，则关于该原子核的位置，正确的是( ) A一定在区域 B可能在区域 C可能在区域 D一定在区域 解析：选 A 根据曲线运动的条件可知选项 A 正确。 5多选关于 粒子散射实验及核式结构模型，下列说法正确的是( ) A带有荧光屏的显微镜可以在水平面内的不同方向上移动 B荧光屏上的闪光是散射的 粒子打在荧光屏上形成的 C荧光屏只有正对 粒子源发出的射线方向上才有闪光 D使 粒子散射的原因是 粒子与原子核发生接触碰撞 解析：选 AB 为观察 粒子穿过金箔后在各个方向上的散射情
19、况，显微镜必须能在水平 面内各个方向上移动，故 A 正确；荧光屏上的闪光是 粒子打在荧光屏上引起的，并且在各 个方向上都能观察到闪光，故 B 正确，C 错误； 粒子散射的原因是 粒子受到原子核的库 仑斥力，D 错误。 6.根据 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 粒子散射图。 图中实线表示 粒子的运动轨迹，则关于 粒子散射实验，下列说法正确的是( ) A图中发生大角度偏转的 粒子的电势能先减小后增大 B图中的 粒子反弹是因为 粒子与金原子核发生了碰撞 C绝大多数 粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小 D根据 粒子散射实验可以估算原子的大小 解析：
20、选 C 题图中发生大角度偏转的 粒子所受的库仑力先做负功后做正功，电势能 先增大后减小，故 A 错误； 粒子反弹是因为受金原子核的库仑斥力作用，并未发生碰撞， 故 B 错误；绝大多数 粒子沿原方向前进，说明带正电的原子核占据的空间很小，C 正确； 当 粒子最靠近原子核时，可以估算原子核的大小，无法估算原子的大小，D 错误。 7多选在 粒子散射实验中，当 粒子穿过金箔时，下列理解正确的是( ) A与金原子核相距较远的 粒子，可能发生大角度偏转 B与金原子核相距较近的 粒子，可能发生大角度偏转 C 粒子与金原子核距离最近时，系统的能量最小 D 粒子与金原子核距离最近时，系统的势能最大 解析：选 B
21、D 对 粒子散射现象，卢瑟福的核式结构学说作出了圆满的解释，并推算了 原子核半径的数量级为 1015 m，只相当于原子半径的十万分之一。 粒子穿过金箔时，只有 少数 粒子可能离核较近，金原子核对 粒子的库仑力较大，使 粒子发生大角度偏转， 故 A 错误，B 正确 ； 粒子与金原子核之间的作用力是库仑力，在 粒子向金原子核靠近时， 要克服库仑力做功， 粒子的动能减小，电势能增加；在 粒子远离金原子核时，库仑力对 粒子做功， 粒子的动能增加，电势能减小。 粒子与金原子核组成的系统总能量不变，它 们距离最近时，系统的势能最大，故 C 错误，D 正确。 8.多选如图所示为 粒子散射实验中 粒子穿过某一
22、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 粒子在A处的速率比在B处速率小 B 粒子在B处的速率最大 C 粒子在A、C处的速率相等 D 粒子在B处速率比在C处速率小 解析：选 CD 在A、B、C三点上，A、C位于原子核形成的同一等势面上，电势能和动能 均相同，则 粒子在A、C两点速率相同，C 正确；由A到B， 粒子克服库仑力做功，动能 减小，电势能增大，故 粒子在B点速率最小，D 正确。 9若氢原子的核外电子绕核做半径为r的匀速圆周运动，则其角速度是多少？电子 绕核的运动可等效为环形电流，则电子运动的等效电流I是多少？(已知电子的质量为m，电 荷量为e，静电力常量用k表示) 解析：电子绕核运动的向心力是库仑力， 因为m2r， ke2 r2 所以； e r k mr 其运动周期为T， 2 2r e mr k 其等效电流I 。 e T e2 2r k mr 答案： e r k mr e2 2r k mr