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111 第3單元 人類對原子結構的認識 第1課時 原子結構模型的演變 一、學習目標 1. 通過原子結構模型演變的學習，了解原子結構模型演變的歷史，了解科學家探索原子結構的艱難過程。認識實驗、假說、模型等科學方法對化學研究的作用。體驗科學實驗、科學思維對創(chuàng)造性工作的重要作用。 2.了解鈉、鎂、氯等常見元素原子的核外電子排布情況，知道它們在化學反應過程中通過得失電子使最外層達到8電子穩(wěn)定結構的事實。通過氧化鎂的形成了解鎂與氧氣反應的本質。了解化合價與最外層電子的關系。 3.知道化學科學的主要研究對象，了解化學學科發(fā)展的趨勢。 二、重點、難點 重點：原子結構模型的發(fā)展演變 鎂和氧氣發(fā)生化學反應的本質 難點：鎂和氧氣發(fā)生化學的本質 三、設計思路 本課設計先讓學生描繪自己的原子結構模型，繼而追隨科學家的腳步，通過交流討論，逐步探討各種原子結構模型存在的問題，并提出改進意見，讓學生主動參與人類探索原子結構的基本歷程，同時也可體會科學探索過程的艱難曲折。通過鎂和氧氣形成氧化鎂的微觀本質的揭示，初步認識化學家眼中的微觀物質世界。 四、教學過程 [導入] 觀看視頻：掃描隧道顯微鏡下的一粒沙子。今天我們還將進入更加微觀的層次，了解人類對于原子結構的認識。你認為我們可以通過什么樣的方法去認識原子的內部結構呢？ 直接法和間接法，直接法努力的方向是觀察技術的提高和觀察工具的改進，而間接法則依賴精巧的實驗和大膽的假設。事實上直到今天即使借助掃描隧道顯微鏡也無法觀察到原子的內部結構，所以在人們認識原子結構的過程中，實驗和假設以及模型起了很大的作用。 一、中國古代物質觀 [提出問題]我們通常接觸的物體，總是可以被分割的（折斷粉筆）。但是我們能不能無限地這樣分割下去呢？ [介紹]《中庸》提出：“語小，天下莫能破焉”。惠施的人也說道“其小無內，謂之小一”。墨家則提出：“端，體之無序最前者也?！? 在英文里，如今被譯成“原子”的Atom一詞，源于希臘語，它的字面上的意思是indivisible“不可分割”。第一個把Atom介紹到我國的是嚴復翻譯的《穆勒名學》，他將其譯為“莫破”。 二、西方原子鼻祖 [介紹]德謨克利特認為就像用一塊塊磚頭砌墻一樣，物質是由不可分割的原子構成。 道爾頓在《化學哲學的新體系》一書中指出：“化學的分解和化合所能做到的，充其量只是使原子彼此分離和再結合起來。正如我們不可在太陽系中放進一顆新的行星或消滅一顆現(xiàn)存的行星一樣，我們不可能創(chuàng)造出或消滅一個氫原子?！边@種觀點換作現(xiàn)在更有趣的說法，在化學反應中原子既不會產(chǎn)生，也不會被消滅，他們只是被分開，再重新組合，你鼻尖上的某個碳原子可能正是億萬年前恐龍尾巴上的呢。書中他系統(tǒng)地闡述了其原子學說。 道爾頓的原子學說是建立在大量實驗事實基礎上的，成功地解釋了化學定律。當然我們現(xiàn)在知道受當時的科學發(fā)展水平限制，這個理論仍有一些不完善的地方。 三、湯姆生模型 [介紹]到了19世紀末，由于電的發(fā)現(xiàn)，化學家們有條件去研究物質在通電條件下的性質了。他們發(fā)現(xiàn)將一些氣體裝在密封的玻璃管中，再抽氣使之比較稀薄，然后通上高壓電，會有一束射線從玻璃管的陰極通過氣體到達陽極，人們稱之為陰極射線。這種射線是什么呢？英國科學家湯姆生做了一系列實驗：他發(fā)現(xiàn)在電場或磁場的作用下該射線會發(fā)生偏轉（這就是現(xiàn)在我們家里電視機中的電子管的工作原理）；他通過研究電場和磁場對該射線的作用，發(fā)現(xiàn)這種射線帶負電，并測出了其電荷與質量之比，這個比值很大；Thomson又使用了不同的電極材料、在玻璃管中充入不同的氣體，發(fā)現(xiàn)所得射線的電荷與質量之比都一樣。 [提出問題]這些電子是那兒來的呢？為什么不管什么電極材料、什么氣體所得到的射線都一樣呢？其電荷與質量之比很大又說明什么？ 這樣湯姆生提出了葡萄干面包模型，面包代表均勻分布的正電荷，電子則像葡萄干一樣嵌于其中。 四、盧瑟福模型 [介紹]幾乎是在湯姆生實驗的同時，居里夫人以及英國科學家盧瑟福等人開始了對放射現(xiàn)象的研究。這其中對原子結構的認識貢獻最大的是盧瑟福的α粒子散射實驗。α粒子帶兩個單位正電荷，相對質量為4（現(xiàn)在我們知道它是氦原子核）。盧瑟福將一束α粒子射向一張非常薄的金箔，又將涂有硫化鋅的屏幕放在其周圍，α粒子撞在屏幕會產(chǎn)生熒光，通過觀察各個方向的熒光，盧瑟福發(fā)現(xiàn)大多數(shù)α粒子穿過了金箔，方向幾乎沒有任何變化；但有一些α粒子在穿過后方向發(fā)生了偏轉，還有大約0.1％的α粒子甚至以不同角度被彈向金箔的前面。 [提出問題]如果按照湯姆生的葡萄干面包模型，會這樣嗎？那該如何解釋實驗現(xiàn)象呢？1.為什么會被彈回來？應該是由于同種電荷間的斥力。2.為什么只有0.1%？只有少數(shù)α粒子靠近了正電荷，也就是說原子內的正電荷不可能均勻分布，它占據(jù)的空間必然很小，原子應該有一個帶正電的核。3.α粒子被彈回來了，核卻沒有被彈出，可見金原子的原子核的質量一定很大。 盧瑟福的結論：原子內大部分是空的，所以大多數(shù)α粒子得以穿過金箔。原子所有的正電荷和幾乎全部質量集中在一個很小的區(qū)域，即原子核。 盧瑟福的原子模型很像行星圍繞著太陽，因此當時年僅27歲的盧瑟福就和他的行星模型一起載入了化學史。 五、波爾模型 [介紹]根據(jù)經(jīng)典的電磁場理論，電子繞核運動時會不斷產(chǎn)生電磁波，從而輻射出能量，離核越來越近，最終落在原子核上。行星模型不能穩(wěn)定存在？ 波爾研究了氫原子的光譜，看著這些不連續(xù)的譜線，也就是特定的能量，他受到啟發(fā)，意識到這是由電子的運動產(chǎn)生的，電子遠離或者靠近原子核時應該是跳躍式變化，也就是說，電子只能在一些特定的不連續(xù)的軌道上運動。舉個例子，你從樓梯上扔硬幣，它只能落在某個臺階上，而不會停留在兩個臺階之間。 波爾認為在能量最低的軌道，電子運動可以看成是在“平地”上的狀態(tài)，這時不會釋放能量。一旦電子獲得了特定的能量，它就獲得了動力，向上“攀登”一個或幾個臺階，到達一個新的軌道。當然，如果沒有了能量的補充，它又將從那個能量較高的軌道上掉落下來，回到較低的軌道上。同時釋放出相應能量，對應于其光譜線。而從第二個臺階下來，或者從第三個臺階下來放出的能量不同，也就對應著一根根不同的譜線。波爾將量子理論引入原子結構，掃清了原子穩(wěn)定性的問題。 六、結構決定性質 [提出問題]研究原子結構是為了更好地理解元素的性質，解釋化學反應的原理。比如說，鈉能與氯氣劇烈反應，生成白色的氯化鈉顆粒。為什么鈉能在氯氣中燃燒？該如何解釋該反應的原理呢？我們首先從微觀的角度來看這個反應。這個反應是如何進行的呢？每個鈉原子一共有多少電子？為什么每個鈉原子失去一個電子？每個氯原子一共有多少電子？為什么每個氯原子得到一個電子？（核外電子分層排布）（8電子穩(wěn)定結構）元素的化合價和什么有關？現(xiàn)在我們知道了化學反應中元素化合價的變化與電子轉移有關。大家有沒有注意原子得失電子后體積的變化？原子得電子變?yōu)殛庪x子后體積變大，原子失電子變成陽離子后體積變小。為什么參加反應的鈉原子和氯原子個數(shù)比是1∶1？ 那么，如何解釋鎂和氧氣的反應呢？鎂與氯氣反應，生成的產(chǎn)物氯化鎂化學式應該是怎樣的？為什么是1∶2？ 七、神秘的夸克 [介紹]其實，人類對于原子結構的認識仍在發(fā)展。后來，又有科學家提出電子等微觀粒子就像光一樣，既是一種粒子，又有波的性質，電子等微觀粒子具有波粒二象性，電子在核外運動像是一團帶負電的云霧。 而原子核內的質子和中子又分別由夸克構成?？煽淇撕碗娮泳褪腔玖Ｗ訂?？它們會不會也是由其它更基本的粒子組成呢？ 為進一步探求原子的內部結構，現(xiàn)在的科學家們又在使用著什么樣的手段呢？由于我們仍然無法直接觀察，那就只能通過“打靶”、“轟擊”來改變對象的狀態(tài)，再分析改變后的結果，以了解其更微觀的結構。其實原理仍然類似于盧瑟福的α粒子轟擊原子的實驗，只不過盧瑟福實驗用的粒子源是天然射線。而要想更深入地進行研究，就需要速度更快、能量更高和束流更強的粒子，更快、更高、更強。怎樣才能獲得這樣的粒子呢？我們的旅程到底有沒有盡頭呢？ 111