第十三章 第二节 原子的核式结构模型

本节按原子核式结构模型建立过程中重要的问题链为线索展开。

1．通过原子内部正电荷的分布以及与光谱有关的问题，呈现“枣糕模型”提出的背景和动因。

2．通过对“α 粒子散射”实验的介绍，揭示“枣糕模型”的谬误以及散射实验对探索原子结构的重要作用。

3．通过原子核式结构对“α 粒子散射”的解释反映科学探究中质疑、推理、论证、创新的过程。

4．通过原子核式结构与经典理论、原子光谱之间存在的矛盾，为玻尔原子模型的建立提供线索。

了解从“枣糕模型”的提出到原子核式结构建立过程中出现的矛盾和问题，有助于提升学生对科学探究过程中问题、证据和解释之间相互关系的认识。

引入部分简述由于电子的发现所引出的有关原子结构的问题，应引导学生关注其中的逻辑关系。

“拓展视野”提供了光谱学及其应用的选读材料。

J．J．汤姆孙不仅运用经典力学理论计算原子内的电子稳定分布所需满足的条件，还采用了美国物理学家迈耶（A．M．Mayer，1836—1897）所做的“磁针漂浮实验”结论。为了解释元素周期律，J．J．汤姆孙假设原子内部的电子分布在一些同心圆环上，每个环上最多可以容纳的电子数不同。这些电子能在各自的平衡位置上做简谐运动，原子光谱的各种频率就相当于这些振动的频率。“枣糕模型”在解释元素周期律方面确实取得了一定的成功，也能定性地解释原子的光谱，但不能解释实验观测到的氢原子光谱。

卢瑟福在确定 α 粒子的比荷和速度时发现了 α 粒子散射现象。

卢瑟福和他的学生盖革（H．Geiger，1882—1945）一起开创了 α 粒子的电气计数法。为了直接观测 α 射线通过物质时的散射程度，他们使用了闪烁法。在直径约 4 cm、长 2 m 的玻璃管的一端装上小截面的 α 射线源，中间放上狭缝，让置于另一端的荧光屏接收 α 射线，然后用显微镜数出屏上各点的闪光数。在狭缝后面，贴上不同金属（金、铝）箔，或者改变它们的厚度，或者什么也不贴。结果表明，α 射线以明显可见的角度偏转了。后来，又明确金属箔越厚或者用金箔来代替铝箔，α 射线的散射越明显。

盖革和卢瑟福的另一名学生马斯登（E．Marsden，1889—1970）一起通过实验研究了α 射线的最可几散射角与 α 射线所通过的金属箔厚度、金属原子量的关系。同时，他们也检查了是否有 α 粒子从金属表面直接被反弹回来。1909 年，他们用铂箔做实验时发现，约 \(\frac{1}{{8\;000}}\) 的 α 粒子散射角超过 90°。

“大家谈”引导学生从 α 粒子与电子的质量差异思考两者的碰撞对 α 粒子运动方向的影响。教师可以用铅球与乒乓球的碰撞作为类比，简要地说明 α 粒子与电子的碰撞对 α 粒子运动方向的影响几乎可以忽略。

α 粒子散射公式推导中包含两个假定：

（1）金属箔中的原子核前后不互相遮挡。

（2）通过金属箔的 α 粒子只经过一次散射。假设所用金属箔的厚度为 5×10−7 m，金原子的直径约 3×10−10 m。金属箔的厚度相当于一千多个原子的厚度，但原子核与原子半径之比至多是 10−4，原子核的几何截面至多是原子的 10−8。这说明原子核之间的空间很大，前后遮挡的机会不大。如果金属箔厚度增加，遮挡的机会当然就大起来。由于原子核间的空间很大，α 粒子接近原子核的机会仍然不大，较大的散射角可以设想是由一次大角散射和多次小角散射合成的，但多次小角散射的方向各异，合并起来会抵消一部分，合并产生的方向改变比一次大角散射要小。因此，对于很薄的金属箔，上述两个假设还是接近实际的。散射实验已经成为近代物理研究物质结构的重要手段。某个散射实验一旦表现出类似 α 粒子散射实验的特征，往往表明研究对象中可能存在点状的亚结构。

原子的稳定性和原子光谱使核式结构模型面临着严峻挑战，但卢瑟福本人坚信问题能够得到解决。原子核式结构模型建立的过程可以作为现代科学研究的典范，从中可以清晰地看到“科学”会被不断证伪。

1．参考解答：带正电的 α 粒子受到带正电的金原子核的库仑斥力作用而发生散射。

命题意图：简单情境下应用原子的核式结构模型。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；运动与相互作用观念（Ⅰ）。

2．参考解答：“枣糕模型”认为原子内部的正电荷和质量都均匀分布，电子镶嵌其中；而原子核式结构模型认为原子内部正电荷和质量集中分布在很小的原子核内，电子绕核运动。

命题意图：对比原子结构模型，深化理解。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；交流（Ⅰ）。

3．参考解答：若原子符合“枣糕模型”，当 α 粒子穿过原子时，原子内部正电荷均匀分布，因此对它的斥力大部分相互抵消，而原子内的电子也不会使“粒子发生明显偏转。这就与 α 粒子散射实验中部分 α 粒子发生大角度散射、甚至被弹回矛盾。

命题意图：联系事实与理论模型。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；解释（Ⅰ）。

4．参考解答：如果用半径为 5 cm 的苹果类比原子核，刚相应原子半径为 5 km。如果用边长为 100 m 的体育馆类比原子，则原子核相应边长为 1 mm，对应一粒芝麻。其他符合比例的类比均正确。

命题意图：类比宏观物体，感受原子结构模型。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；物质观念（Ⅰ）。