18.2 原子的核式结构模型

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18.2 原子的核式结构模型
教学目标
（1）了解原子结构模型建立的历史过程及各种模型建立的依据；
（2）知道粒子散射实验的实验方法和实验现象，原子核式结构模型的主要内容。
引入新课
汤姆生发现电子，根据原子呈电中性，提出了原子的葡萄干布丁模型。用动画展
示原子葡萄干布丁模型。
一、汤姆孙原子模型
1、理论分析
物质中性——原子中性
电子带负电——有带正电部分 原子中带正电部分和电子组成原子模型
电子质量小——正电部分质量大
2、汤姆孙原子模型
在二十世纪前十年，科学家们根据已发现的事实，对原子结构提出了许多模型，
其中最著名的是汤姆生提出的枣糕式原子模型。
①勒纳德的动力子模型：
1902-1903年勒纳德通过作阴极射线透过金属箔的实验表明，金属中的原子并不是
相互紧靠着的刚性小球，其中存在大量空隙，刚性球约占全部空间的10-9。于是他提出：
原子内的每个电子与每个正电荷组成一个中性的“刚性配偶体”，并取名为“动力子”，无
数动力子漂浮于空旷的原子太空中。
②长岗的土星模型
1904年，提出土星卫环模型。这一模型实际已经提出了原子的有核结构模型，只
是未对核的大小的数量级及原子的稳定性等问题给予明确的阐述。
③J·J·汤姆逊西瓜模型（面包和葡萄干模型）正电荷像西瓜瓤，负电荷像西瓜子分
布其上。在这个模型里：
原子是一个球体
正电荷均匀地分布在整个球内
电子象枣糕里的枣糕那样镶嵌在球内
汤姆生的原子模型能够解释一些实验事实，如原子受激发以后，电子开始振动
发光，产生原子光谱，因而为大多数人所接受。可是他的学生卢瑟福认为，要了解
原子内部到底有什么东西，最好用一个“炮弹”打到里面去试探一下，根据“炮弹”
穿过原子后的偏转情况来获得原子内部结构的真实情况。为此他选用他最熟悉的α
粒子作为“炮弹”轰击金箔，进行了著名的α粒子散射实验。
二、粒子散射实验原理、装置
1、粒子散射实验原理：
原子的结构非常紧密，用一般的方法是无法探测它的内部结构的，要认识原子的
结构，需要用高速粒子对它进行轰击。而粒子具有足够的能量，可以接近原子中心。
它还可以使荧光屏物质发光。如果粒子与其他粒子发生相互作用，改变了运动方向，
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荧光屏就能够显示出它的方向变化。研究高速的粒子穿过原子的散射情况，是研究
原子结构的有效手段。
研究原子内部结构要用到的方法：黑箱法、微观粒子碰撞方法。
2、粒子散射实验装置
放射源：放射性元素镭置于铅盒内，只开一个小孔，使α粒子只沿一个确定方向
高速出来，α粒子具有足够的能量，可以接近原子中心，还可以使荧光物质发光。
金箔：在放射源和荧光屏之间放入金箔，根据荧光屏上出现亮点的位置可以知道α
粒子穿过原子后的偏转情况。
显微镜：在荧光屏的后面，起放大作用，更容易观察
显微镜和荧光屏可以在以金箔为中心的一个圆周上运动，统计在各个不同位置相同
时间内接收到的光子数就可以确定α粒子穿过金原子后的偏转情况。
整个装置置于一抽成真空的容器中，是为了减小空气分子对α粒子的阻碍作用。
3、实验过程：
α粒子从铅盒射出，形成细射线穿过金箔后打在荧光屏上产生闪光，用可转的显
微镜从不同角度观察。
4、实验现象：
绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进
少数a粒子却发生了较大的偏转；
极少数a粒子偏转角超过了900，有的甚至偏转角几乎达到了1800（即大角度偏转）。
像是被金箔反弹回来。
注意加着重号的字，极其严格的措词体现了科学性和卢瑟福严谨的态度。极少数
的粒子能够观察到的机率是1/8000，即有8000个α粒子轰击金箔，才可能有一个α粒
子发生大角度偏转，在这个实验中卢瑟福和他的学生共记录下十万次以上的闪光照片，
才发现了少数的α粒子发生大角度偏转。这一方面向我们展示了科学家们的锲而不舍、
严谨务实的科学态度，同时也告诉我们，在任何成功的背后都付出巨大的艰辛。
5、实验分析：
①由于电子质量远小于α粒子质量所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转
②使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分。按照汤姆生原子模
型，正电荷在原子内是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到两侧斥力大部分抵消，
因而也不可能使α粒子发生大角度偏转，更不可能使α粒子反向弹回，这与α粒子的
散射实验的现象矛盾
③现象说明原子绝大部分是空的，除非原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原
子中心的一个很小的核上，否则，α粒子大角度散射是不可能的。
6、实验意义：
①否定了汤姆生的原子结构模型
②提出了原子核式结构模型
三、原子的核式结构的提出
1、用汤姆生的葡萄干布丁模型能否解释粒子大角度散射？
按照葡萄干布丁模型：
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①碰撞前后，质量大的粒子速度几乎不变。只可能是电子的速度发生大的改变，
因此不可能出现反弹的现象，即使是非对心碰撞，也不会有大角散射。
②对于粒子在原子附近时由于原子呈中性，与粒子之间没有或很小的库仑力
的作用，正电荷在原子内部均匀的分布，粒子穿过原子时，由于原子两侧正电荷将
对它的斥力有相当大一部分互相抵消，使粒子偏转的力不会很大所以粒子大角度
散射说明葡萄干布丁模型不符合原子结构的实际情况。
2、卢瑟福的原子结构模型（行星模型）
①内容：
在原子中心有一个很小的核，叫原子核，
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绕核旋转。
②卢瑟福模型对α粒子散射实验的解释。
α粒子穿过原子时，对α粒子的影响很小，影响α粒子运动的主要是原子核，原
子核很小，大多数α粒子离核较远，受到 库仑力小，运动方向改变小，极少数粒子与
核十分接近，受到很大的库仑力，发生大角度偏转。
①绝大多数粒子不偏移→原子内部绝大部分是“空”的。
②少数粒子发生较大偏转→原子内部有“核”存在。
③极少数粒子被弹回 表明：作用力很大；质量很大；电量集中。
（实验现象）→（分析推理）→（构造模型）
3、卢瑟福的原子核式结构模型和汤姆生的枣糕式原子模型异同
共同点：
1.原子都由带负电的电子和带正电的物质组成，且正负电荷相等；
2.电子质量很小，原子的质量几乎全部集中在带正电的物质上。
不同点：
1.有核与无核； 2.空与实； 3.电子转与不转。
四、原子核的电荷与大小
根据卢瑟福的原子核式模型和α粒子散射的实验数据，可以推算出各种元素原子
核的电荷数，还可以估计出原子核的大小。
（1）原子的半径约为10-10米、原子核半径约是10-15～10-14m米，原子核的半径只
相当于原子半径的万分之一，原子核的体积只占原子的体积的万亿分之一。原子相比
足球场，原子核相比较一枚硬币。
知道α粒子的初动能和核电荷，就可以计算当α粒子与原子核发生对心碰撞时可
能达到的离原子核的最小距离（这时α粒子的动能完全转化为核电场中的电势能）这
个最小距离可达10-14m。可见原子核的大小应在10-14m以下。如果把原子比作直径100m
的大球，原子核只相当于大球中间的一粒米粒！
原子核虽小，却集中了原子几乎全部的质量。因此原子核的密度非常大，如果1
立方厘米的体积中完全充满原子核，那么它的质量将有107吨！（107吨，若用载重10
吨的汽车来运，需要106辆！）
（2）原子核所带正电荷数与核外电子数以及该元素在周期表内的原子序数相等。
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（3）电子绕核旋转所需向心力就是核对它的库仑力。
原子核式结构模型的建立，只肯定了原子核的存在，但还不知道原子核外电子的
情况。
研究原子结构的两种方法：
①利用原子发射光谱线的规律。
②用高能粒子轰击物质中的原子，使高能粒子穿到原子内部发生作用，从观察到
的现象解释原子内部结构。
2．卢瑟福的有核原子结构与经典理论的矛盾
按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能
量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。计算表明，原子的寿命将
仅有10-12秒。而实验表明原子相当稳定。
电子轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的， 原子光谱应是连续
的光谱。实验测得原子光谱是不连续的谱线。

总结：
从汤姆生的原子模型到卢瑟福提出的核式结构学说，人们对于原子结构的研究取
得了重大的进展。α粒子散射起了决定性作用。这一结果又一次说明了物理学是以实
验为基础发展起来的一门科学。当然科学理论的建立和完善往往要经过几代科学家的
努力。按原子的核式结构学说，从经典物理的角度看，电子绕核旋转，要不断向外辐
射能量，导致能量不断减少最终落入核内，这和原子的稳定性出现矛盾，问题到底出
现在哪呢？在以后的学习中我们将来研究这一问题。