（浙江专版）2019年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）新人教版选修3_5.doc

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1、- 1 -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 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

2、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。 粒子散射实验探新知基础练- 2 -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，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 粒子源发射的 粒子束轰

3、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(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) 粒子的大角度偏转不可能是电子造成的。(2) 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 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 粒子散射实验中，大部分

4、 粒子穿过金箔后发生了大角度偏转。()2卢瑟福根据 粒子散射实验估测了原子核的大小。()释疑难对点练对 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 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。大多数 粒子离金原子核较远。(2)少数 粒子发生较大的偏转。发生较大偏转的 粒子是由于离金原子核较近，库仑斥力较大。(3)极少数 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 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 -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， 粒子才能穿过。(3)使用

5、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， 粒子与金核间的库仑斥力大，偏转明显。试身手2当 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 粒子先受到原子核的斥力作用，后受原子核的引力作用B 粒子一直受到原子核的斥力作用C 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 粒子一直受到原子核的斥力，速度一直减小解析：选 B 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； 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

6、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 散射实验的解释正电体很小，当 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 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 1015 m，而原子的半

7、径的数量级是 1010 m。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 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。()- 4 -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 粒子发生大角度散射。 粒子跟电子碰撞过程中，两者动量的变化量相等。由于 粒子的质量是电子质量的 7 300 倍，在碰撞前后，质量大的 粒子速度几乎不变，而质量小的电子速度要发生改变。因此， 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， 粒子也不会有大角度的偏转。可见，电子

8、使 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， 粒子穿过原子时，由于 粒子两侧正电荷对它的斥力有相当大一部分互相抵消，使 粒子偏转的力也不会很大。 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 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 1 m，金原子的直径大约是 31010 m。绝大多数 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 粒子在穿

9、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 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 粒子散射

10、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( )- 5 -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 位置的荧光屏上，少数 粒子打到

11、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。(1)熟练记忆 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) 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

12、荷数等于原子核的质子数。4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，体积只相当于原子体积的 1015 。典例 2 (多选)如图所示表示 粒子散射实验中，某个 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 a、 b和 c， a b c，一个 粒子射 入电场中，其运动轨迹如实线 KLMN 所示，由图可知( )A 粒子从 K 到 L 的过程中，电场力做负功B 粒子从 L 到 M 的过程中，电场力做负功- 6 -C 粒子从 K 到 L 的过程中，电势能增加D 粒子从 L 到

13、 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：(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

14、周运动规律列方程求解。解析 (1)根据牛顿第二定律得 k me2r2 v2r故电子的动能 Ek mv2 。12 ke22r(2)电子绕核运动的频率 f v2 r e2 kmr3(3)该环形电流的大小为 I ef 。eT e22 kmr3答案 (1) (2) (3) ke22r e2 kmr3 e22 kmr3课堂对点巩固1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

15、 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，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- 7 -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 1010 m解析：选 D 卢瑟福 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 1015 m，原子直径的数量级为1010 m，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

16、应选 D 项。 3(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 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

17、家通过 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 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 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 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- 8 -一、单项选择题1对 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C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， 粒子穿过金箔时必然受较

18、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 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 粒子的运动会产生影响，故 D 错。只有 A 对。2卢瑟福利用 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 粒子轰击金箔的实验研究原子结构，即 粒子散射实验，实验结果显示：绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数 粒子发生了较大角度的偏转，极少数 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 粒子散射实验中，某一 粒子

19、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 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可能在区域B可能在区域C可能在区域D可能在区域解析：选 A 粒子带正电，原子核也带正电，对靠近它的 粒子产生斥力，故原子核不会在区域；若原子核在、区域， 粒子会向区域偏 ；若原子核在区域，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 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 粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的

20、是( )解析：选 C 粒子与原子核均带正电荷，所以 粒子受到原子核的作用力为斥力，- 9 -据此可排除选项 A、D； 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 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能量最小D所受金原子核的斥力最大解析：选 AD 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 粒子散射实验的解释是( )A使 粒子产生偏转的

21、力主要是原子中电子对 粒子的作用力B使 粒子产生偏转的力是库仑力C原子核很小， 粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的 粒子仍沿原来的方向前进D能产生大角度偏转的 粒子是穿过原子时离原子核近的 粒子解析：选 BCD 原子核带正电且很小，与 粒子之间存在库仑力，当 粒子靠近原子核时受库仑力作用而偏转。绝大多数的 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71911 年，卢瑟福依据 粒子散射实验中 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 1 MeV 的 粒子轰击金箔， 粒子的速度约为_ m/s。(质子和中子的质量均为 1.67

22、1027 kg,1 MeV110 6 eV)解析：设 粒子的速度为 v， Ek mv2，则 v 12 2Ekmm/s6.910 6 m/s。211061.610 1941.6710 27答案：大 6.910 68速度为 107 m/s 的 粒子从很远的地方飞来，与铝原子核发生对心碰撞，若 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 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m v0( m m 铝 )v- 10 -解得 v v0，所以 。m v0m m铝 431 Ek铝Ek12m铝 v212m v02 108961答案：108961919

23、11 年前后，物理学家卢瑟福用 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 ， k9.010 9 Nm2/C2。金原子序数为 79， 粒子的质量kQRm 6.6410 27 kg，质子的质量 mp1.6710 27 kg， 粒子的速度 v 1.6010 7 m/s，电子电荷量 e1.6010 19 C。解析：设 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 m v 2 q 12又 ， Q 为金原子核电荷量，则 RkQR 2q kQm v 2其中 q 2 e， Q79 e，代入上式及已知数据可得R 410 14 m4ek79em v 2V R32.6810 40 m3。43答案：2.6810 40 m3