高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 原子的核式结构模型导学案

第3节原子的核式结构模型

自主学习·必备知识

教材研习

教材原句

要点原子的核式结构模型

1911年，卢瑟福提出了自己的原子结构模型①，原子中带正电部分的体积很小，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，称为原子核。

自主思考

①在探究原子内部结构的过程中，卢瑟福说:“我知道了，原子到底是什么样的……可以将它想象成一个小的太阳系。”怎样理解这段话？

答案：提示在原子的中心有一个很小的核，叫作原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核，带负电的电子在核外空间运动，这就像行星绕太阳运转一样，原子内部就像一个小型的太阳系。

名师点睛

理解建立核式结构模型的要点：

（1）汤姆孙的原子模型不能解释粒子的大角度散射。

（2）原子核外电子不会使粒子的速度发生明显改变。

（3）少数粒子发生了大角度偏转，极少数甚至反弹回来，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）绝大多数粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内。

互动探究·关键能力

探究点一电子的发现

情境探究

1.在如图所示的演示实验中，和之间加上高电压后，玻璃管壁上观察到淡淡的荧光及管中物体在玻璃管壁上的影，这说明阴极能够发出某种射线，并且撞击玻璃引起荧光。

（1）人们对这种阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为是电磁辐射，另一种观点认为是带电微粒，如何用实验判断哪种观点正确？

（2）根据带电粒子在电、磁场中的运动规律，哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的电性？

答案：（1）提示可以让阴极射线通过电场或磁场，比如射线沿垂直于磁场方向通过磁场后发生了偏转，则说明该射线是由带电微粒组成的。

（2）提示判断粒子所带电荷的正负，可以让粒子以一定的初速度垂直于电场线的方向进入一匀强电场，如果粒子沿着电场线的方向偏转，则粒子带正电。也可以让粒子以一定的速度垂直于磁感线的方向进入一匀强磁场，由左手定则也可以判断粒子的电性。

探究归纳

1.对阴极射线本质的认识——两种观点

2.阴极射线带电性质的判断方法

（1）方法一：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点的变化和电场的情况确定阴极射线带电性质。

如图所示带电粒子在电场中运动，受电场力作用运动发生改变（粒子重力忽略不计）。带电粒子在不受其他力时，沿电场线方向偏转时，粒子带正电，逆电场线方向偏转时，粒子带负电。

（2）方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质。

如图所示粒子将受到洛伦兹力作用，速度方向始终与洛伦兹力方向垂直，利用左手定则，即可判断粒子的电性。如果粒子按图示方向进入磁场，且做顺时针的圆周运动，则粒子带正电；如做逆时针的圆周运动，则粒子带负电。

3.电子比荷（或电荷量）的测定方法

（1）让粒子通过正交的电磁场（如图），让其做直线运动，根据二力平衡，即得到粒子的运动速度。

（2）在其他条件不变的情况下，撤去电场，保留磁场让粒子在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力即，根据粒子运动的轨迹由几何知识求出其半径，得。

（3）当电子在匀强电场中偏转时，，测出电场中的偏转量也可以确定比荷。

4.电子发现的意义

电子是人类发现的第一个比原子小的粒子。电子的发现，打破了原子不可再分的传统观念，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有内部结构。从此，原子物理学飞速发展，人们对物质结构的认识进入了一个新时代。汤姆孙也由于发现了电子，不仅荣获了1906年诺贝尔物理学奖，而且被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。

探究应用

例（多选）关于电子的发现，下列叙述中正确的是(      )

A. 电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的

B. 电子的发现，说明原子具有一定的结构

C. 电子被人类发现前，人们认为原子是组成物质的最小微粒

D. 电子的发现，比较好地解释了物体的带电现象

答案： ; ;

解析：发现电子之前，人们认为原子是不可再分的最小粒子，电子的发现，说明原子有一定的结构，、两项正确；物体带电的过程，就是电子的得失和转移的过程，项正确。

迁移应用

1.关于电荷的电荷量下列说法错误的是(      )

A. 电子的电荷量是由密立根通过油滴实验测得的

B. 物体所带电荷量可以是任意值

C. 物体所带电荷量最小值为

D. 物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍

答案：

解析：密立根的油滴实验测出了电子的电荷量为，并提出了电荷量子化的观点，任何带电体的电荷都是的整数倍。

2.（★）如图所示为汤姆孙用来测定电子比荷的装置。当极板和间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心点处，形成一个亮点；加上偏转电压后，亮点偏离到点，点到点的竖直距离为，水平距离可忽略不计；此时在与之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场，调节磁感应强度，当其大小为时，亮点重新回到点。已知极板水平方向长度为，极板间距为，极板右端到荧光屏的距离为。

（1）求打在荧光屏点的电子速度的大小；

（2）推导出电子比荷的表达式。

答案：（1）（2）

解析：（1）当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回到中心，设电子的速度为，则，得，即。

（2）当极板间仅有偏转电场时，电子以速度进入后，竖直方向做匀加速运动，加速度为。

电子在水平方向做匀速运动，在电场中的运动时间。

这样，电子在电场中，竖直向上偏转的距离为。

离开电场时竖直向上的分速度。

电子离开电场后做匀速直线运动，经时间到达荧光屏，。时间内向上运动的距离为。

这样，电子向上的总偏转距离为，可解得。

探究点二 α粒子散射实验和原子的核式结构模型

情境探究

1.如图为1909年英国物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行的粒子散射实验时的实验装置，阅读课本，完成以下探究。

（1）粒子是什么？

（2）实验装置由几部分组成？实验过程是怎样的？

（3）粒子散射实验的实验现象是什么？

（4）粒子射入金箔时，难免与电子碰撞，试分析这种碰撞对粒子速度影响的大小？

（5）按照汤姆孙的原子模型，正电荷是均匀分布在整个原子中的，粒子穿过金箔，受到电荷的作用力后，沿哪些方向前进的可能性较大，最不可能沿哪些方向前进？

（6）粒子散射实验能不能观察到原子的实际结构？

答案：（1）提示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7 300倍。

（2）提示实验装置有：粒子源、金箔、显微镜和荧光屏。其中粒子源是把放射性物质放在带小孔的铅盒中，放射出高能的粒子；金箔的特点是金原子的质量大，且易延展成很薄的箔，粒子很容易穿过；显微镜能绕金箔在水平面内转动；荧光屏装在显微镜上。整个实验过程需在真空中进行。

实验过程：粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对粒子有库仑力作用，一些粒子会改变原来的运动方向。带有显微镜的荧光屏可以沿图中虚线转动，以统计向不同方向散射的粒子的数目。

（3）提示绝大多数粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数粒子发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于。

（4）提示假设粒子与电子发生弹性正碰（电子原来是静止的），设粒子初速度为，质量为，与电子碰后速度为，电子质量为，与粒子碰后速度为，由动量守恒定律可得，

由能量守恒定律可得

联立解得碰撞后粒子速度为，

粒子速度变化量为，把代入上式得，可见粒子的速度变化只有万分之三，说明原子中的电子不能使粒子发生明显的偏转。

（5）提示按照汤姆孙的模型，正电荷是均匀分布在整个原子中的，当粒子穿过原子时受到的各个方向上的正电荷的斥力会相互抵消很多，沿直线运动的可能性最大，最不可能沿着很大的角度甚至角发生偏转，除非原子核的大部分质量和电荷集中在一个很小的核上，否则要发生大角度的偏转是不可能的。

（6）提示粒子散射实验并不能观察到原子的实际结构，它只能由粒子通过金箔时的散射情况，推断出金原子的核式结构模型。

探究归纳

1.对粒子散射实验的理解

（1）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，因为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，有的几乎达到，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。

（2）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。

（3）粒子的受力及能量转化情况

①粒子的受力情况

粒子与原子核间的作用力是库仑斥力。

粒子离原子核越近，库仑力越大，运动加速度越大；反之，则越小。

方向：粒子的受力沿原子核与粒子的连线，由原子核指向粒子。

②库仑力对粒子的做功情况

当粒子靠近原子核时，库仑力做负功，电势能增加；当α粒子远离原子核时，库仑力做正功，电势能减小。

③粒子的能量转化情况

仅有库仑力做功，能量只在电势能和动能之间相互转化，而总能量保持不变。

2.原子的核式结构模型

（1）原子的核式结构与原子的枣糕模型的比较

（2）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“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α粒子不发生偏转。

②只有当粒子十分接近原子核时，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。

③如果粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到，这种机会极少，如图所示。

3.原子核的电荷与尺度

探究应用

例（2021北京第四十三中学高三期中）关于粒子散射实验的下述说法中正确的是(      )

A. 实验表明原子中心的核带有原子的全部正电及全部质量

B. 实验表明原子中心有一个较大的核，它占有原子体积的较大部分

C. 在实验中观察到的现象是绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过，有的甚至被弹回接近

D. 使粒子发生明显偏转的力是来自带正电的核及核外电子，当粒子接近核时是核的斥力使粒子发生明显偏转，当粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转

答案：

解析：验表明原子中心的核带有原子的全部正电，但不是全部质量，故项错误；

粒子散射实验的内容是：绝大多数粒子几乎不发生偏转；少数粒子发生了较大的角度偏转；极少数粒子发生了大角度偏转（偏转角度超过，有的甚至几乎达到，被反弹回来），使粒子发生明显偏转的力是来自带正电的原子核，当粒子接近核时是核的推斥力使粒子发生明显偏转，当粒子接近电子时，由于电子质量远小于粒子质量，所以粒子几乎不发生偏转；从绝大多数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；故项正确，、两项错误。

迁移应用

1.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，其中符合实验事实的是(      )

A. B. C. D.

答案：

解析：粒子与原子核相互排斥，运动轨迹与原子核越近，力越大，运动方向变化越明显。