《人类对原子结构的认识》高中化学教案

《人类对原子结构的认识》高中化学教案

一、学习目标

1. 通过原子结构模型演变的学习，了解原子结构模型演变的历史，了解科学家探索原子结构的艰难过程。认识实验、假说、模型等科学方法对化学研究的作用。体验科学实验、科学思维对创造性工作的重要作用。

2.了解钠、镁、氯等常见元素原子的核外电子排布情况，知道它们在化学反应过程中通过得失电子使最外层达到8电子稳定结构的事实。通过氧化镁的形成了解镁与氧气反应的本质。了解化合价与最外层电子的关系。

3.知道化学科学的主要研究对象，了解化学学科发展的趋势。

二、重点、难点

重点：原子结构模型的发展演变

镁和氧气发生化学反应的本质

难点：镁和氧气发生化学的本质

三、设计思路

本课设计先让学生描绘自己的原子结构模型，继而追随科学家的脚步，通过交流讨论，逐步探讨各种原子结构模型存在的问题，并提出改进意见，让学生主动参与人类探索原子结构的基本历程，同时也可体会科学探索过程的艰难曲折。通过镁和氧气形成氧化镁的微观本质的揭示，初步认识化学家眼中的微观物质世界。

四、教学过程

[导入] 观看视频：扫描隧道显微镜下的一粒沙子。今天我们还将进入更加微观的层次，了解人类对于原子结构的认识。你认为我们可以通过什么样的方法去认识原子的内部结构呢？

直接法和间接法，直接法努力的方向是观察技术的提高和观察工具的改进，而间接法则依赖精巧的实验和大胆的假设。事实上直到今天即使借助扫描隧道显微镜也无法观察到原子的内部结构，所以在人们认识原子结构的过程中，实验和假设以及模型起了很大的作用。

一、中国古代物质观

[提出问题]我们通常接触的物体，总是可以被分割的（折断粉笔）。但是我们能不能无限地这样分割下去呢？

[介绍]《中庸》提出：“语小，天下莫能破焉”。惠施的人也说道“其小无内，谓之小一”。墨家则提出：“端，体之无序最前者也。”

在英文里，如今被译成“原子”的Atom一词，源于希腊语，它的字面上的意思是indivisible“不可分割”。第一个把Atom介绍到我国的是严复翻译的《穆勒名学》，他将其译为“莫破”。

二、西方原子鼻祖

[介绍]德谟克利特认为就像用一块块砖头砌墙一样，物质是由不可分割的原子构成。

道尔顿在《化学哲学的新体系》一书中指出：“化学的分解和化合所能做到的，充其量只是使原子彼此分离和再结合起来。正如我们不可在太阳系中放进一颗新的行星或消灭一颗现存的行星一样，我们不可能创造出或消灭一个氢原子。”这种观点换作现在更有趣的说法，在化学反应中原子既不会产生，也不会被消灭，他们只是被分开，再重新组合，你鼻尖上的某个碳原子可能正是亿万年前恐龙尾巴上的呢。书中他系统地阐述了其原子学说。

道尔顿的原子学说是建立在大量实验事实基础上的`，成功地解释了化学定律。当然我们现在知道受当时的科学发展水平限制，这个理论仍有一些不完善的地方。

三、汤姆生模型

[介绍]到了19世纪末，由于电的发现，化学家们有条件去研究物质在通电条件下的性质了。他们发现将一些气体装在密封的玻璃管中，再抽气使之比较稀薄，然后通上高压电，会有一束射线从玻璃管的阴极通过气体到达阳极，人们称之为阴极射线。这种射线是什么呢？英国科学家汤姆生做了一系列实验：他发现在电场或磁场的作用下该射线会发生偏转（这就是现在我们家里电视机中的电子管的工作原理）；他通过研究电场和磁场对该射线的作用，发现这种射线带负电，并测出了其电荷与质量之比，这个比值很大；Thomson又使用了不同的电极材料、在玻璃管中充入不同的气体，发现所得射线的电荷与质量之比都一样。

[提出问题]这些电子是那儿来的呢？为什么不管什么电极材料、什么气体所得到的射线都一样呢？其电荷与质量之比很大又说明什么？

这样汤姆生提出了葡萄干面包模型，面包代表均匀分布的正电荷，电子则像葡萄干一样嵌于其中。

四、卢瑟福模型

[介绍]几乎是在汤姆生实验的同时，居里夫人以及英国科学家卢瑟福等人开始了对放射现象的研究。这其中对原子结构的认识贡献最大的是卢瑟福的α粒子散射实验。α粒子带两个单位正电荷，相对质量为4（现在我们知道它是氦原子核）。卢瑟福将一束α粒子射向一张非常薄的金箔，又将涂有硫化锌的屏幕放在其周围，α粒子撞在屏幕会产生荧光，通过观察各个方向的荧光，卢瑟福发现大多数α粒子穿过了金箔，方向几乎没有任何变化；但有一些α粒子在穿过后方向发生了偏转，还有大约0.1％的α粒子甚至以不同角度被弹向金箔的前面。

[提出问题]如果按照汤姆生的葡萄干面包模型，会这样吗？那该如何解释实验现象呢？1.为什么会被弹回来？应该是由于同种电荷间的斥力。2.为什么只有0.1%？只有少数α粒子靠近了正电荷，也就是说原子内的正电荷不可能均匀分布，它占据的空间必然很小，原子应该有一个带正电的核。3.α粒子被弹回来了，核却没有被弹出，可见金原子的原子核的质量一定很大。

卢瑟福的结论：原子内大部分是空的，所以大多数α粒子得以穿过金箔。原子所有的正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的区域，即原子核。

卢瑟福的原子模型很像行星围绕着太阳，因此当时年仅27岁的卢瑟福就和他的行星模型一起载入了化学史。

五、波尔模型

[介绍]根据经典的电磁场理论，电子绕核运动时会不断产生电磁波，从而辐射出能量，离核越来越近，最终落在原子核上。行星模型不能稳定存在？

波尔研究了氢原子的光谱，看着这些不连续的谱线，也就是特定的能量，他受到启发，意识到这是由电子的运动产生的，电子远离或者靠近原子核时应该是跳跃式变化，也就是说，电子只能在一些特定的不连续的轨道上运动。举个例子，你从楼梯上扔硬币，它只能落在某个台阶上，而不会停留在两个台阶之间。

波尔认为在能量最低的轨道，电子运动可以看成是在“平地”上的状态，这时不会释放能量。一旦电子获得了特定的能量，它就获得了动力，向上“攀登”一个或几个台阶，到达一个新的轨道。当然，如果没有了能量的补充，它又将从那个能量较高的轨道上掉落下来，回到较低的轨道上。同时释放出相应能量，对应于其光谱线。而从第二个台阶下来，或者从第三个台阶下来放出的能量不同，也就对应着一根根不同的谱线。波尔将量子理论引入原子结构，扫清了原子稳定性的问题。

六、结构决定性质

[提出问题]研究原子结构是为了更好地理解元素的性质，解释化学反应的原理。比如说，钠能与氯气剧烈反应，生成白色的氯化钠颗粒。为什么钠能在氯气中燃烧？该如何解释该反应的原理呢？我们首先从微观的角度来看这个反应。这个反应是如何进行的呢？每个钠原子一共有多少电子？为什么每个钠原子失去一个电子？每个氯原子一共有多少电子？为什么每个氯原子得到一个电子？（核外电子分层排布）（8电子稳定结构）元素的化合价和什么有关？现在我们知道了化学反应中元素化合价的变化与电子转移有关。大家有没有注意原子得失电子后体积的变化？原子得电子变为阴离子后体积变大，原子失电子变成阳离子后体积变小。为什么参加反应的钠原子和氯原子个数比是1∶1？

那么，如何解释镁和氧气的反应呢？镁与氯气反应，生成的产物氯化镁化学式应该是怎样的？为什么是1∶2？

七、神秘的夸克

[介绍]其实，人类对于原子结构的认识仍在发展。后来，又有科学家提出电子等微观粒子就像光一样，既是一种粒子，又有波的性质，电子等微观粒子具有波粒二象性，电子在核外运动像是一团带负电的云雾。

而原子核内的质子和中子又分别由夸克构成。可夸克和电子就是基本粒子吗？它们会不会也是由其它更基本的粒子组成呢？

为进一步探求原子的内部结构，现在的科学家们又在使用着什么样的手段呢？由于我们仍然无法直接观察，那就只能通过“打靶”、“轰击”来改变对象的状态，再分析改变后的结果，以了解其更微观的结构。其实原理仍然类似于卢瑟福的α粒子轰击原子的实验，只不过卢瑟福实验用的粒子源是天然射线。而要想更深入地进行研究，就需要速度更快、能量更高和束流更强的粒子，更快、更高、更强。怎样才能获得这样的粒子呢？我们的旅程到底有没有尽头呢？