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4.2　原子的核式结构模型
学习目标
1.通过任务1及其活动,知道汤姆孙原子模型及其特征。(物理观念、科学态度与责任)
2.通过任务2及其活动,知道α粒子散射实验,知道实验现象,知道汤姆孙原子模型无法解释α粒子的大角度散射现象。(科学探究、科学态度与责任)
3.通过任务3及其活动,知道卢瑟福原子模型——原子的核式结构模型,及其对α粒子散射实验现象的解释。(科学思维、科学态度与责任)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:α粒子散射实验为什么用的是金箔、铂箔等重金属箔,而不用轻金属箔


思考2:汤姆孙的“枣糕模型”与卢瑟福的“核式结构模型”的主要区别是怎样的


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)汤姆孙的原子模型不能解释α粒子散射实验中少数α粒子发生大角度偏转甚至被反向弹回的现象。 (　　)
(2)原子中心有一个很小的核,原子的全部正电荷和全部质量都集中在这个核里。 (　　)
(3)α粒子散射实验是估算原子核半径的最简单的方法。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　汤姆孙原子模型
电子是原子的组成部分。我们知道,原子是中性的,而电子带负电,所以原子必定还有带正电的部分。“原子中的正电荷是怎样分布的 ”“原子中的正电荷与电子之间如何相互作用 ”等问题,构成了所谓原子的结构问题。
20世纪初,科学家们提出了几种原子模型,其中最有影响的是J.J.汤姆孙于1904年提出来的原子模型。汤姆孙在发现电子后,便投入了对原子内部结构的探索,他通过丰富的想象,提出了原子的“枣糕”模型(如图)。
1.请你据图描述汤姆孙原子模型。


2.请你查阅资料,说说汤姆孙原子模型的成功与局限性。

汤姆孙原子模型
1904年汤姆孙根据已知的实验现象和认识提出了影响较大的“枣糕模型”。假想正电荷构成一个密度①　　的球体,电子“镶嵌”其中,并分布在一些特定的②　　。汤姆孙的“枣糕模型”在解释电子轨道半径与电子数目的关系、元素的周期性方面取得了一定的成功,也能定性地解释原子的光辐射现象。
应用　对汤姆孙原子模型的理解
(多选)下列说法符合汤姆孙原子结构模型观点的是 (　　)
A.任何原子都呈电中性
B.原子像带正电的海洋,电子漂在正电荷的海洋中
C.原子是由带正电的物质和电子构成的
D.阴极射线产生的原因是电子很小,在原子受打击时电子就容易跑出去
任务2　α 粒子散射实验
汤姆孙的学生卢瑟福,本想用一个实验来证明他的老师——汤姆孙的原子模型,不料正是这个著名的实验,彻底推翻了汤姆孙的原子模型。
1.α粒子是什么


2.卢瑟福做的是什么实验 实验装置有哪些


3.α粒子散射实验的实验结果怎样


α粒子散射实验
(1)1902年,勒纳德所做的电子穿过金属箔的实验,显示高速电子很③　　穿过金属中的原子,这表明原子不像是正电荷均匀分布的实心球体。
(2)1909~1911年,卢瑟福和他的合作者做了用α粒子轰击金箔的实验,实验装置由④　　、⑤　　、环状荧光屏、望远镜和转动圆盘组成。
(3)实验结果表明,绝大多数α粒子穿过金箔后⑥　　,但是少数α粒子发生了⑦　　,有极少数α粒子偏转角⑧　　,有的甚至被原路弹回。大量实验发现,被反射回来的概率竟然为。
(4)汤姆孙原子结构模型无法解释α粒子的⑨　　现象。
应用1　α粒子散射实验的现象
卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验装置的示意图如图所示,荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置。关于观察到的现象,下列说法正确的是 (　　)
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.放在C位置时屏上观察不到闪光
C.相同时间内放在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
D.放在D位置时屏上不能观察到闪光
应用2　α粒子散射实验中的能量变化
(多选)在 α粒子散射实验中,当α粒子最接近金原子核时,关于α粒子的有关物理量,下列描述正确的是 (　　)
A.α粒子的动能最小
B.α粒子的电势能最小
C.α粒子与金原子组成的系统能量最小
D.α粒子所受金原子核的斥力最大
(1)α粒子和金原子核间的库仑力是引力还是斥力
(2)α粒子向金原子核靠近过程,库仑力做正功还是负功

归纳总结 　　电场力做正功,消耗了电势能,电势能减少,反之,电场力做负功,粒子克服电场力做功,消耗了动能,电势能增加。
任务3　原子核式结构模型
按照汤姆孙模型,正电荷是均匀地分布在原子内的,α粒子穿过原子时受到的各方向的斥力基本上会相互平衡,因此对α粒子运动的影响不会很大。所以汤姆孙模型无法解释α粒子大角度散射的实验现象。卢瑟福分析了实验数据后发现,事实应该是:占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质集中在很小的空间范围。这样,α粒子才会在穿过原子时受到很强的斥力,才能发生大角度的偏转。阅读课本“原子核式结构模型”部分内容,回答下列问题。
1.为什么α粒子散射实验的结果否定了汤姆孙的原子模型 卢瑟福又建立了怎样的原子模型


2.卢瑟福的核式结构模型如何解释α粒子散射现象


3.怎么理解原子内部是十分“空旷”的


原子核式结构模型
(1)1911年,根据α粒子散射实验,卢瑟福提出原子的核式结构模型。在原子的中心有一个很小的核,叫作原子核,原子的全部⑩　　和几乎全部　　都集中在这个核里,带负电的电子在核外空间里绕着核高速旋转。
(2)现代科学研究表明,原子核直径的数量级为　　m,原子直径的数量级大约为　　m,原子核的直径只相当于原子直径的十万分之一。
应用1　卢瑟福原子核式结构
(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,叫作原子核
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
应用2　电子绕核运动有关计算
氢原子的核外电子绕核运动,相当于一环形电流,已知电子的质量为m,电荷量为e,在离核最近的轨道上运动,轨道半径为r1,求环形电流的电流大小。
解决电子绕核运动有关量的计算问题时,需注意两点:一是电子绕核做匀速圆周运动,二是库仑力提供电子绕核做匀速圆周运动的向心力。

【随堂检测·精评价】
1.(任务1、3)关于原子模型及其建立过程,下列说法正确的是 (　　)
A.阴极射线是电子流,J.J.汤姆孙测出了电子的比荷,并精确测定了电子电荷量
B.J.J.汤姆孙认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布于球内,电子镶嵌其中;该理论无法解释α粒子散射现象,后被卢瑟福核式结构模型所取代
C.通过α粒子散射实验可以估算出原子核直径的数量级为10-10 m
D.卢瑟福根据α粒子散射实验指出原子的全部正电荷和全部质量都集中在一个很小的区域——原子核
2.(任务2)1909年,物理学家卢瑟福和他的学生用α粒子轰击金箔,研究α粒子被散射的情况,其实验装置如图所示。关于α粒子散射实验,下列说法正确的是 (　　)
A.大部分α粒子发生了大角度的偏转
B.α粒子大角度散射是由于它跟电子发生了碰撞
C.α粒子散射实验说明原子中有一个带正电的核几乎占有原子的全部质量
D.α粒子散射实验证明了汤姆孙的枣糕模型是正确的
3.(任务2)根据α粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。原子核式结构模型的α粒子散射图如图所示,图中实线表示α粒子的运动轨迹。下列说法正确的是 (　　)
A.卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子
B.α粒子出现较大角度偏转的原因是α粒子接近原子核时受到的库仑斥力较小
C.α粒子出现较大角度偏转的过程中电势能先变小后变大
D.α粒子出现较大角度偏转的过程中加速度先变大后变小
4.(任务3)卢瑟福做α粒子散射实验时用的“靶”是金箔,这是由于金是延展性最好的金属,薄的金箔可以做到只有几十纳米厚。例如某金箔的厚度是80 nm,并认为其中的金原子是紧密排列的,那么α粒子在穿过这金箔的过程中,需要穿过的金原子数最接近 (　　)
A.2 000　　B.200　　C.20　　D.2
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:因为重金属原子质量比α粒子大得多,且几乎全部集中在其原子核内。当α粒子穿过该金属原子区域,靠近该原子核时,其作用力对α粒子运动影响很大,而对该原子影响很小。
思考2:“枣糕模型”认为带正电物质均匀分布在原子里,“核式结构模型”认为带正电的物质集中在原子中心很小的空间里。
判断　(1)√　(2)×　(3)√
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.在这个模型里,汤姆孙把原子看作一个密度均匀的球体,正电荷均匀地分布在整个球内,电子像枣糕上的枣子一样嵌在球中,被正电荷吸引着。原子内正、负电荷相等,因此原子的整体呈中性。
2.汤姆孙的原子“枣糕”模型是第一个有一定科学依据的原子结构模型。汤姆孙的“枣糕”模型在解释电子轨道半径与电子数目的关系、元素的周期性方面取得了一定的成功,也能定性地解释原子的光辐射现象,但不能解释α粒子散射实验现象与光谱现象。
知识生成　①均匀　②同心圆环或球壳上
应用探究
例1　ABC　【解析】原子中正负电荷总量相等,任何原子都呈电中性,A项正确;由汤姆孙原子模型可知带正电的物质均匀地分布于球体内,带负电的电子一颗一颗地镶嵌在球内各处的一个个同心环上,即原子像带正电的海洋,电子漂在正电荷的海洋中,B、C两项正确;在原子受到击打时,电子会离开原子,产生阴极射线,不是因为电子很小,D项错误。
任务2
问题引领
1. α粒子是从放射性物质(如铀和镭)中发射出来的快速运动的粒子,质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7300 倍,为氦原子核 He。
2.这是著名的α粒子散射实验,实验装置,主要由放射源、金箔、荧光屏、放大镜(探测器)和转动圆盘组成。荧光屏和放大镜能够围绕金箔在一个圆周上运动,从而可以观察到穿透金箔后偏转角度不同的粒子。
3.实验结果表明,绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了较大的偏转,并有极少数α粒子的偏转超过90°,有的甚至几乎达到180°而被反弹回来,这就是α粒子的散射现象。
知识生成　③容易　④α粒子源　⑤金箔　⑥仍沿原来的方向前进　⑦较大的偏转　⑧超过了90°　⑨大角度散射
应用探究
例2　A　【解析】放在A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多,说明大多数粒子基本不偏折,可知金箔原子内部很空旷,A项正确;放在C位置时,屏上仍能观察一些闪光,但次数极少,说明极少数粒子发生较大偏折,可知原子内部带正电的体积小且质量大,B项错误;放在B位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数较少,比放在A位置时少得多,C项错误;放在D位置时,屏上可以观察到闪光,只不过极少,说明极少粒子发生大角度的偏折,D项错误。
例3　AD　【解析】α粒子和金原子核都带正电,库仑力表现为斥力,当两者距离减小时,库仑力做负功,α粒子的动能减小,电势能增加,系统的能量守恒,A项正确,B、C两项错误;由库仑定律F=k可知,随着距离的减小,库仑力逐渐增大,当α粒子最接近原子核时,r最小,则F最大,D项正确。
任务3
问题引领
1.根据汤姆孙的原子模型,正电荷是均匀分布的,α粒子穿过原子时,它所受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消,使α粒子偏转的力就不会很大。α粒子如果遇到电子,由于电子的质量与α粒子的质量相比可以忽略,就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样,运动方向不会发生明显的改变。因此,不会有大角度偏转现象的发生。事实上却出现了极少数α粒子大角度偏转的现象,汤姆孙的原子模型无法解释这一现象。
卢瑟福根据α粒子散射实验的实验结果,提出了原子的核式结构模型:在原子的中心有一个很小的核,叫作原子核,原子核的体积很小,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。按照原子的核式结构,很好地解释了α粒子散射现象。
2.α粒子穿过原子时,电子对α粒子运动的影响很小,但原子核对α粒子的影响却不同,由于原子核很小,绝大多数的α粒子穿过原子时离核较远,受到的库仑斥力很小,运动方向几乎没有改变,只有极少数α粒子可能与核十分接近,受到较大的库仑斥力,才会发生大角度的偏转。
3.原子核的直径的数量级为10-15 m,原子直径的数量级为10-10 m,两者相差十几万倍之多,所以原子内部十分“空旷”。
知识生成　⑩正电荷　质量　10-15　10-10
应用探究
例4　ACD
例5　【解答】根据电流的定义有I=
电子绕核转动时由库仑力提供向心力,所以向心力
F向=k=k
根据圆周运动规律知F向=mr1
解得T=
所以I==。
随堂检测·精评价
1.B　
2.C　【解析】当α粒子穿过原子时,电子对α粒子的影响很小,影响α粒子运动的主要是原子核,离核远,则α粒子受到的库仑斥力很小,运动方向改变小。只有当α粒子与核十分接近时,才会受到很大的库仑斥力,而原子核很小,α粒子接近它的机会很少,所以只有极少数α粒子发生大角度的偏转,而绝大多数基本按原来方向前进,A项错误。α粒子大角度散射是由于它受到原子核库仑斥力的作用,而不是与电子发生碰撞,B项错误。从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,可以推测使粒子受到排斥力的核体积极小,实验表明原子中心的核带有原子的全部正电荷和几乎全部质量,C项正确;α粒子散射实验证明了汤姆孙的枣糕模型是错误的,D项错误。
3.D　【解析】卢瑟福通过α粒子散射实验提出原子核式结构模型,汤姆孙发现了电子,A项错误。α粒子在接近金原子核的过程中,库仑斥力越来越大,加速度越来越大,库仑斥力做负功,势能增大;在远离金原子核的过程中,斥力越来越小,加速度越来越小,斥力做正功,势能减小,D项正确,B、C两项错误。
4.B　

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