第3單元 人類對原子結(jié)構(gòu)的認識
第3單元 課時1
原子結(jié)構(gòu)模型的演變
一、學(xué)習目標
1. 通過原子結(jié)構(gòu)模型演變的學(xué)習，了解原子結(jié)構(gòu)模型演變的歷史，了解科學(xué)家探索原子結(jié)構(gòu)的艱難過程。認識實驗、假說、模型等科學(xué)方法對化學(xué)研究的作用。體驗科學(xué)實驗、科學(xué)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(xué)反應(yīng)過程中通過得失電子使最外層達到8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的事實。通過氧化鎂的形成了解鎂與氧氣反應(yīng)的本質(zhì)。了解化合價與最外層電子的關(guān)系。
3.知道化學(xué)科學(xué)的主要研究對象，了解化學(xué)學(xué)科發(fā)展的趨勢。
二、重點、難點
重點：原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展演變
鎂和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)
難點：鎂和氧氣發(fā)生化學(xué)的本質(zhì)
三、設(shè)計思路
本課設(shè)計先讓學(xué)生描繪自己的原子結(jié)構(gòu)模型，繼而追隨科學(xué)家的腳步，通過交流討論，逐步探討各種原子結(jié)構(gòu)模型存在的問題，并提出改進意見，讓學(xué)生主動參與人類探索原子結(jié)構(gòu)的基本歷程，同時也可體會科學(xué)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(zhì)的揭示，初步認識化學(xué)家眼中的微觀物質(zhì)世界。
四、過程
[導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？
直接法和間接法，直接法努力的方向是觀察技術(shù)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(shè)。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(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以在人們認識原子結(jié)構(gòu)的過程中，實驗和假設(shè)以及模型起了很大的作用。
一、中國古代物質(zhì)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”�；菔┑娜艘舱f道“其小無內(nèi)，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(fù)翻譯的《穆勒名學(xué)》，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(zhì)是由不可分割的原子構(gòu)成。
道爾頓在《化學(xué)哲學(xué)的新體系》一書中指出：“化學(xué)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(jié)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。”這種觀點換作現(xiàn)在更有趣的說法，在化學(xué)反應(yīng)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(xué)說。
道爾頓的原子學(xué)說是建立在大量實驗事實基礎(chǔ)上的，成功地解釋了化學(xué)定律。當然我們現(xiàn)在知道受當時的科學(xué)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(xué)家們有條件去研究物質(zhì)在通電條件下的性質(zhì)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(xué)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(zhuǎn)（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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xué)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhuǎn)，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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(zhì)量一定很大。
盧瑟福的結(jié)論：原子內(nèi)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(zhì)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(xué)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(yīng)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(yīng)能量，對應(yīng)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(yīng)著一根根不同的譜線。波爾將量子理論引入原子結(jié)構(gòu)，掃清了原子穩(wěn)定性的問題。
六、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)
[提出問題]研究原子結(jié)構(gòu)是為了更好地理解元素的性質(zhì)，解釋化學(xué)反應(yīng)的原理。比如說，鈉能與氯氣劇烈反應(yīng)，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(yīng)的原理呢？我們首先從微觀的角度來看這個反應(yīng)。這個反應(yīng)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(jié)構(gòu)）元素的化合價和什么有關(guān)？現(xiàn)在我們知道了化學(xué)反應(yīng)中元素化合價的變化與電子轉(zhuǎn)移有關(guān)。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(yīng)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(yīng)呢？鎂與氯氣反應(yīng)，生成的產(chǎn)物氯化鎂化學(xué)式應(yīng)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(jié)構(gòu)的認識仍在發(fā)展。后來，又有科學(xué)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(zhì)，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(nèi)的質(zhì)子和中子又分別由夸克構(gòu)成�？煽淇撕碗娮泳褪腔�本粒子嗎？它們會不會也是由其它更基本的粒子組成呢？

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