PAGE8-2.原子的核式結構模型[學習目標]1.了解α粒子散射試驗器材、試驗原理和試驗現象．(重點)2.知道盧瑟福的原子核式結構模型的主要內容．(重點、難點)3.了解盧瑟福的試驗和科學方法，培育抽象思維實力．(重點)4.知道經典理論無法說明原子的穩定性和電磁波頻譜的分立特征．一、α粒子散射試驗1．湯姆孫原子模型1904年，J.J.湯姆孫提出了影響較大的“棗糕模型”，假想正電荷構成一個密度勻稱的球體，電子“浸浮”其中，并分布在一些特定的同心圓環或球殼上．2．α粒子散射試驗(1)試驗裝置：α粒子源、金箔、可移動探測器．(2)試驗現象①絕大多數的α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進．②少數α粒子發生了大角度的偏轉．③極少數α粒子的偏轉角大于90°，甚至有極個別α粒子被反彈回來．(3)試驗意義：盧瑟福通過α粒子散射試驗，否定了湯姆孫的原子模型，建立了核式結構模型．二、核式結構模型及與經典理論的沖突1．核式結構模型盧瑟福提出的新的原子結構模型，在原子中間有一個體積很小、帶正電荷的核，而電子在核外繞核運動，這種結構稱為原子的“核式結構模型”．2．原子核的電荷與尺度3．原子的核式結構模型與經典理論的沖突用經典電磁理論在說明原子結構的穩定性和電磁波譜的分立特征時遇到了困難．1．正誤推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)盧瑟福為了證明湯姆孫原子模型的正確性進行了α粒子散射試驗． (√)(2)α粒子散射試驗中大多數α粒子發生了大角度偏轉或反彈． (×)(3)盧瑟福否定了湯姆孫模型，建立了原子核式結構模型． (√)(4)原子的質量幾乎全部集中在原子核上． (√)(5)原子中全部正電荷都集中在原子核內． (√)(6)核電荷數等于質子數，也等于中子數． (×)2．(多選)由α粒子的散射試驗可以得出的正確結論有()A．原子中絕大部分是空的B．原子中全部正電荷都集中在原子核上C．原子內有中子D．原子的質量幾乎全部都集中在原子核上ABD[盧瑟福由α粒子散射試驗得到的結論有：在原子中心有一個很小的核叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核內，帶負電的電子在核外的空間運動．]3．(多選)關于原子的核式結構模型，下列說法正確的是()A．原子中絕大部分是“空”的，原子核很小B．電子在核外繞核旋轉的向心力是原子核對它的庫侖力C．原子的全部電荷和質量都集中在原子核里D．原子核的直徑的數量級是10－10mAB[因為原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核內，而原子核又很小，所以原子內絕大部分區域是“空”的，A正確，C錯誤；電子繞原子核做圓周運動時，原子核與電子間的庫侖引力供應向心力，B正確；原子核直徑的數量級是10－15m，原子直徑的數量級是10－10m，D錯誤．]對α粒子散射試驗現象的分析1．試驗背景α粒子散射試驗是盧瑟福指導他的學生做的一個聞名的物理試驗，試驗的目的是想驗證湯姆孫原子模型的正確性，試驗結果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據．在此基礎上，盧瑟福提出了原子核式結構模型．2．裝置放射源、金箔、可移動探測器等，如圖所示．3．大角度偏轉的試驗現象分析(1)由于電子質量遠小于α粒子質量，所以電子不行能使α粒子發生大角度偏轉．(2)使α粒子發生大角度偏轉的只能是原子中帶正電的部分．依據湯姆孫原子模型，正電荷在原子內是勻稱分布的，α粒子穿過原子時，它受到的兩側斥力大部分抵消，因而也不行能使α粒子發生大角度偏轉，更不能使α粒子反向彈回，這與α粒子散射試驗相沖突．(3)試驗現象表明原子絕大部分是空的，原子的幾乎全部質量和全部正電荷都集中在原子中心的一個很小的核上，否則，α粒子大角度散射是不行能的．4．原子的核式結構模型對α粒子散射試驗結果的說明(1)當α粒子穿過原子時，假如離核較遠，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿過“一片空地”一樣，無遮無擋，運動方向變更很小．因為原子核很小，所以絕大多數α粒子不發生偏轉．(2)只有當α粒子特別接近原子核穿過時，才受到很大的庫侖力作用，發生大角度偏轉，而這種機會很少，所以有少數粒子發生了大角度偏轉．(3)假如α粒子正對著原子核射來，偏轉角幾乎達到180°，這種機會極少，如圖所示，所以極少數粒子的偏轉角度甚至大于90°.【例1】(多選)如圖所示為盧瑟福和他的同事們做α粒子散射試驗的裝置示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中A、B、C、D四個位置時視察到的現象，下述說法中正確的是()A．放在A位置時，相同時間內視察到屏上的閃光次數最多B．放在B位置時，相同時間內視察到屏上的閃光次數只比A位置稍少些C．放在B位置時，相同時間內視察到屏上的閃光次數要比A位置少許多D．放在C、D位置時，屏上視察不到閃光AC[在盧瑟福α粒子散射試驗中，α粒子穿過金箔后，絕大多數α粒子仍沿原來的方向前進，故A正確；少數α粒子發生較大偏轉，極少數α粒子偏轉角度超過90°，極個別α粒子被反射回來，故B、D錯誤，C正確．](1)分析α粒子散射試驗中的現象時，應留意是“絕大多數”“少數”還是“極少數”粒子的行為．“大角度偏轉”只是少數粒子的行為．(2)α粒子散射試驗是得出原子核式結構模型的試驗基礎，對試驗現象的分析是建立盧瑟福核式結構模型的關鍵．通過對α粒子散射試驗這一宏觀探測，間接地構建出原子結構的微觀圖景．1．盧瑟福利用α粒子轟擊金箔的試驗探討原子結構，正確反映試驗結果的示意圖是()ABCDD[原子的中心是體積很小的原子核，原子的絕大部分質量和全部正電荷都集中在原子核上，當α粒子接近原子核的時候，就會發生大角度散射，甚至被彈回．所以D選項正確．]原子的核式結構模型及與經典理論的沖突1．原子的核式結構與原子的棗糕模型的區分核式結構棗糕模型分布狀況原子內部是特別空曠的，正電荷集中在一個很小的核里，電子繞核高速旋轉原子是充溢了正電荷的球體，電子勻稱嵌在原子球體內受力狀況少數靠近原子核的α粒子受到的庫侖力大，而大多數離核較遠的α粒子受到的庫侖力較小α粒子在原子內部時，受到的庫侖斥力相互抵消，幾乎為零偏轉狀況絕大多數α粒子運動方向不變，少數α粒子發生大角度偏轉，極少數α粒子偏轉角度超過90°，有的甚至被彈回不會發生大角度偏轉，更不會被彈回分析狀況符合α粒子散射現象不符合α粒子散射現象[特殊提示]盧瑟福把原子的結構跟太陽系比較，他認為帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像圍著太陽運轉的行星．在這個“太陽系”中，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力．因而這個模型又被稱為“行星模型”．這是科學家利用類比方法的又一佐證．2．原子核的電荷與尺度[特殊提示]原子很小，原子核更小，假如將原子比作足球場，那么原子核僅相當于一只螞蟻大小．【例2】在α粒子散射試驗中，依據α粒子與原子核發生對心碰撞時能達到的最小距離可以估算原子核的大小．現在一個α粒子以2.0×107m/s的速度去轟擊金箔，若金原子的核電荷數為79.求α粒子與金原子核間的最近距離(已知帶電粒子在點電荷電場中的電勢能表達式為Ep＝keq\f(q1q2,r)，r為距點電荷的距離．α粒子質量為6.64×10－27kg)．[思路點撥](1)α粒子的運動方向沿α粒子和金原子核的連線．(2)當α粒子的動能減為零時，電勢能最大，離原子核最近．(3)原子核的大小應比最近距離小一些．[解析]當α粒子靠近原子核運動時，α粒子的動能轉化為電勢能，達到最近距離時，動能全部轉化為電勢能，所以α粒子與原子核發生對心碰撞時所能達到的最小距離為d，則eq\f(1,2)mv2＝keq\f(q1q2,d)，則d＝eq\f(2kq1q2,mv2)＝eq\f(2×9.0×109×2×79×1.6×10－192,6.64×10－27×2.0×1072)m＝2．7×10－14m.[答案]2.7×10－14m分析α粒子散射試驗中的力電問題常用的規律(1)庫侖定律：F＝keq\f(q1q2,r2)，用來分析α粒子和原子核間的相互作用力．(2)牛頓其次定律：該試驗中α粒子只受庫侖力，可依據庫侖力的變更分析加速度的變更．(3)功能關系：依據庫侖力做功，可分析動能的變更，也能分析電勢能的變更．(4)原子核帶正電，其四周的電場相當于正點電荷的電場，留意應用其電場線和等勢面的特點．2．如圖所示，依據α粒子散射試驗，盧瑟福提出了原子的核式結構模型．圖中虛線表示原子核所形成的電場的等勢線，實線表示一個α粒子的運動軌跡．在α粒子從a運動到b，再運動到c的過程中，下列說法中正確的是()A．動能先增大，后減小B．電勢能先減小，后增大C．電場力先做負功，后做正功，總功等于零D．加速度先變小，后變大C[依據盧瑟福提出的核式結構模型，原子核集中了原子的全部正電荷，即原子核外的電場分布與正點電荷電場類似．α粒子從a運動到b，電場力做負功，動能減小，電勢能增大；從b運動到c，電場力做正功，動能增大，電勢能減小；a、c在同一條等勢線上，則電場力做的總功等于零，C正確，A、B錯誤；a、b、c三點的場強大小關系Ea＝Ec＜Eb，故α粒子的加速度先變大，后變小，D錯誤．]課堂小結知識網絡1.湯姆孫原子結構模型.2.α粒子散射試驗及試驗現象分析.3.原子核式結構模型及與經典電磁理論的沖突.1．(多選)關于原子核式結構理論說法正確的是()A．是通過發覺電子現象得出來的B．是通過α粒子散射現象得出來的C．原子的中心有個核，叫作原子核D．原子的正電荷勻稱分布在整個原子中BC[原子的核式結構模型是在α粒子的散射試驗結果的基礎上提出的，A錯誤，B正確．原子中絕大部分是空的，帶正電的部分集中在原子中心一個很小的范圍，稱為原子核，C正確，D錯誤．]2．X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它們入射時的動能相同，其偏轉軌道可能是下圖中的()D[α粒子離金核越遠其所受斥力越小，軌道彎曲程度就越小，故選項D正確．]3．(多選)以下論斷中正確的是()A．按經典電磁理論，核外電子受原子核庫侖引力，不能靜止，只能繞核運轉，電子繞核加速運轉，不斷地向外輻射電磁波B．按經典理論，繞核運轉的電子不斷向外輻射能量，電子將漸漸接近原子核，最終落入原子核內C．依據盧瑟福的核式結構理論，原子核外電子繞核旋轉，原子是不穩定的，說明該理論不正確D．經典電磁理論可以很好地應用于宏觀物體，也能用于說明原子世界的現象AB[盧瑟福的核式結構沒有問題，主要問題出在經典電磁理論不能用來說明原子世界的現象，故A、B正確，C、D錯誤．]4．1911年盧瑟福依據α粒子散射試驗中α粒子發生了____