原子结构之谜教学建议

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1、高中物理选修3-5 第三章 原子结构之谜 一、教科书的编写意图 1贯穿原子结构发现的历史和科学研究的方法 本章重点讲述原子的核式结构模型和玻尔的原子结构理论。与现行的高中课本相比，这一章在编写上有一些变化。主要是，现行的高中课本是将原子结构和原子核的知识作为一章来讲述的，而现在把原子结构的内容单独作为一章，是为了突出人类是怎样逐步深入地认识原子结构的。 学生在初中物理和化学课中已经学过原子的核式结构，但并不了解这些知识是怎样获得的。使学生了解人类探索原子结构的历史过程，了解人类认识微观世界的方法和途径，将有利于培养学生的探索兴趣，发展他们的思维能力。 在科学研究中，科学家们通过对实验事实的分析

2、，提出模型或假说，这些模型或假说又在实验中经受检验，正确的被肯定，经不起检验的被否定，在新的基础上再提出新的学说。科学研究就是这样不断发展的。人类对原子结构的认识，生动地体现了科学发展的这种过程。电子的发现，使汤姆孙提出了早期的原子模型。粒子的散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，为原子核式模型的建立奠定了基础。但是卢瑟福根据经典理论提出的核式结构模型，又跟原子的稳定性和发射光谱的性质有矛盾。玻尔把量子概念引入原子系统，提出了几条假设，解决了卢瑟福模型的困难，把原子理论向前推进了一大步。建立在半经典理论基础上的玻尔原子模型，虽然能成功地解释结构最简单的氢原子，但是在解释结构复杂一些的多电子原子时，

3、跟实验事实又产生了不一致。这表明玻尔理论也是不完善的。科学家们在分析玻尔理论成功和失败的原因之后，又在彻底的量子理论的基础上建立了新的原子理论。 本章教材就是循着这个历史线索来讲述人类对原子结构的认识的。让学生了解人类是怎样一步步认识微观世界的，可以使他们具体体会到人类对客观世界的认识是螺旋上升和不断深入的，是一个辩证发展的过程。 2展示电子的发现对于人类认识原子结构的重大意义 电子的发现，对人类认识原子结构有重大意义。它使人们改变了认为原子是组成物质的最小微粒的看法，认识到原子是由更小的微粒构成的。发现电子是人类认识原子结构的第一个层次。因此，虽然学生对电子已经比较熟悉，但是作为人类认识原子

4、结构的开端，本章还是从电子的发现讲起。 电子比荷和电荷量的测定，对认识电子的性质起重要作用。汤姆孙对电子电荷量的测定结果虽然不很准确，但是数量级是对的，由此他可以确定电子的质量比氢原子小得多。考虑到学生对阴极射线的知识了解得比较少，因此在叙述汤姆孙研究电子的方法之前予以介绍。学生在前面的模块中已经熟悉带电粒子在电磁场中运动的规律，因此课本没有在此平铺直叙，而是用两个“思考与讨论引导学生。一个“思考与讨论”是引导学生思考汤姆孙可能用什么方法判断组成阴极射线的粒子的电性，另一个“思考与讨论则是让学生根据提示，自己推导出电子比荷的表达式，从而对汤姆孙研究电子的方法有更深刻的认识。 3突出在微观领域的

5、研究中，粒子散射实验方法的重要性。 在我们日常所处的宏观世界中，可以直接用眼睛观察物体的结构，但在原子尺度的微观世界里，已经不能靠眼睛直接获取信息了。最常用的获取微观世界信息的方法是用中性的(如中子)或者带电的(如粒子)粒子轰击所要研究的物质，使入射粒子与物体中的微粒相互碰撞，即在第十六章第4节介绍的粒子散射方法。这种方法在原子物理、原子核物理和粒子物理的研究中被广泛应用。 粒子散射实验在原子结构和原子核结构的研究中有非常重要的作用。从第十六章第4节的 “科学足迹 中子的发现”和第十九章“原子核”可以知道，质子和中子的发现都与粒子散射实验有关。而在原子的核式结构的建立中，a粒子散射实验更是起到

6、决定性的作用。电子发现以后，汤姆孙提出的原子模型能够解释一些实验事实，但是对于新的a粒子散射的实验事实的分析，使卢瑟福否定了汤姆孙的原子模型，得出存在原子核的结论。a粒子散射实验使人们对原子结构的认识又深入了一步。 4渗透改革创新和继承的关系 现在的教育比较注重培养学生的创新能力。在创新中，对旧有的理论持有正确的态度是很重要的。认真研究一下古往今来的发明创造，不难发现，旧的理论之所以能够存在，说明它有一定的合理性，我们再创新的时候，应该有选择地继承旧有理论中合理的部分，而不应该盲目地完全摈弃。 科学认识发展的历史，就是一部创新的历史。对原子结构的认识过程，比较典型地说明了继承和创新的关系。比如

7、，卢瑟福提出的原子的核式结构模型可以很好地解释粒子散射实验但是无法解释原子的稳定性和原子的分立光谱，玻尔在发展卢瑟福的模型时，就保留了它的合理内容，即有原子核存在，而摈弃了其他不合理的内容。所以，“科学足迹情同父子的科学家卢瑟福和玻尔中说玻尔的原子理论和卢瑟福的核式结构模型之间“有一种父辈与子辈间的继承和发展的关系”。同样，玻尔的原子模型也是不完善的，它解决了原子的稳定性问题，很好地解释甚至预言了氢原子的光谱，但是面对更复杂的原子，玻尔理论也无能为力。在后来发展的原子的量子理论中，玻尔提出的定态和在定态之间跃迁的概念都被保留下来，而不正确的经典轨道的概念就被抛弃了。教学要求与建议1电子的发现

8、(1)教材分析 教材的重点是电子发现的方法和过程。通过实验说明阴极射线的存在，对阴极射线的一系列实验研究发现了电子。电子的发现说明原子不是组成物质的最小微粒。 电子的发现对揭示原子结构有重大意义，它是近代物理三大发现(X射线、放射性、电子)之一。电子发现的本身也是一个很好的培养学生分析问题和解决问题的内容。突出电子发现的重大意义，弄清电子的发现方法和过程，是教学中应当重视的问题。 (2)阴极射线的教学 可以用投影片展示气体导电原理图，让学生明确气体导电的条件和机理。用气体放电管演示不同气体、不同压强下的气体放电现象。演示稀薄气体导电时的辉光放电现象。当管内气体分子很少时，辉光放电现象消失，但阳

9、极上仍能看到荧光。教师可以提问：这是什么原因? (说明阳极上的荧光是阴极发出某种射线撞击的结果，这种射线叫阴极射线。)阴极射线是什么?你想知道吗?为电子的发现教学埋下伏笔。 (3)电子的发现的教学 这部分内容的教学，要突出电子的发现对人类认识原子结构的重要作用。 电子是怎样发现的 汤姆孙用测定粒子比荷的方法发现了电子。这里要注意联系已学过的知识，引导学生完成课本“思考与讨论中比荷的表达式的推导。讲清汤姆孙方法的原理。汤姆孙发现阴极射线在电场和磁场中的偏转现象，根据偏转方向确认阴极射线是带负电的粒子流。当他测定阴极射线粒子的比荷时发现，不同物质做成的阴极发出的射线的粒子都有相同的比荷，这表明它们

10、都能发射相同的带电粒子。因此这种带电粒子是构成物质的共同成分，这就是电子。 电子的发现对人类认识原子结构的重要性 电子的发现，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有结构。由于原子含有带负电的电子，从物质的电中性出发，推想到原子中还有带正电的部分。这就提出了进一步探索原子的结构、建立原子模型的问题。2原子的核式结构模型 (1)教材分析 电子的发现，说明原子可以再分割。在此基础上，汤姆孙建立了较有影响的原子“枣糕模型”。卢瑟福用发现的粒子散射实验结果否定了汤姆孙的原子模型，提出了原子的核式结构模型。粒子散射实验和原子核式结构的内容是本节教学的重点。 粒子散射实验是一个很重要的实验，

11、是研究微观世界的科学方法之一，也是一个锻炼学生分析问题、解决问题的知识点。对卢瑟福如何分析粒子散射实验，否定汤姆孙原子模型，提出自己的核式结构的了解，有利于学生学习人类研究微观世界的科学方法，提高自己的分析、解决问题的能力。 (2) 粒子散射实验的教学 讲授粒子散射实验的目的之一是使学生从科学家的具体工作中体会科学探究过程。教学基本思路与上一章相同，可以沿这样的线索展开： 汤姆孙原子模型是在发现电子的基础上建立起来的。通过教学要使学生对汤姆孙原子模型有一个形象的了解。教学中应该注意，讲述汤姆孙模型的目的是为了使学生从原子学说的历史发展上来认识粒子散射实验的重大意义，为进一步理解原子的核式结构作

12、好准备。 粒子散射实验以及卢瑟福对实验现象的分析为原子的核式结构模型奠定了基础。教学中可按以下几个层次进行教学： 为什么用粒子的散射现象可以研究原子的结构? 原子的结构非常紧密，用一般的方法无法探测它内部的结构。要认识原子的结构，需要用高速粒子对它进行轰击。由于粒子具有足够的能量，可以接近原子的中心，它还可以使荧光物质发光，如果粒子与其他粒子发生相互作用，改变了运动的方向，荧光屏便能够显示出它的方向变化。因此卢瑟福采用仅粒子散射的方法来研究原子的结构。 粒子的散射实验是怎么做的? 粒子散射实验的装置，可根据课本上的示意图来讲述，主要由放射源、金箔、荧光屏、放大镜和转动圆盘几部分组成，每一部分的

13、作用应该让学生明确。实验的做法课文中写得比较简明，重点应指出荧光屏和放大镜能够围绕金箔在一个圆周上转动，从而可以观察到穿过金箔后偏转角度不同的仅粒子。要让学生了解，这种观察是十分艰苦细致的工作，所用的时间也是相当长的。 实验结果是什么? 必须让学生明确，实验结果可以把入射的粒子分为两大部分，这两大部分粒子的大致多少是用“绝大多数”和“少数这样的数量形容词来描述的，它们穿过金箔后的情况分别是基本上仍沿原来的方向前进和发生了大角度偏转。卢瑟福的原子核式结构模型就是在分析了这两大部分仅粒子的情况后建立起来的。 分析实验结果得到怎样的原子模型? 对实验结果的分析应着重说明如下几点： a电子不可能使粒子

14、发生大角度散射。粒子跟电子碰撞过程中，两者动量的变化量相等。由于粒子的质量是电子质量的7 300倍，在碰撞前后，质量大的粒子速度几乎不变，而质量小的电子速度要发生改变。因此，粒子与电子正碰时，不会出现被反弹回来的现象。发生非对心碰撞时，粒子也不会有大角度的偏转。可见，电子使粒子在速度的大小和方向上的改变都是十分微小的。 b按照汤姆孙的原子模型，正电荷在原子内部均匀地分布，粒子穿过原子时，由于粒子两侧正电荷对它的斥力有相当大一部分互相抵消，使粒子偏转的力也不会很大。粒子的大角度散射现象，说明了汤姆孙模型不符合原子结构的实际情况。 c实验中发现少数粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些粒子在

15、原子中的某个地方受到了质量、电量均比它本身大得多的物体的作用。 d金箔的厚度大约是1 m m，金原子的直径大约是310-10m。绝大多数粒子在穿过金箔时，相当于穿过几千个金原子的厚度，但它们的运动方向却没有发生明显的变化，这个现象表明了粒子在穿过时基本上没有受到力的作用，说明原子中的绝大部分是空的，原子的质量和电量都集中在体积很小的核上。 (3)原子核的电荷与尺度的教学 原子核的电荷这部分内容，要突出测知原子核的电荷的重要意义。应该使学生了解，根据仅粒子散射实验的数据可以算出靶元素原子核的电荷，从而推知这种原子中的电子数。计算的结果表明，元素原子中的电子数非常接近该元素在周期表中的原子序数。人

16、们由此知道元素周期表是按原子中的电子数来排列的。这就是说，元素的化学性质，归根到底是由原子中的电子数、从而是由原子核中的电荷数来决定的。 关于原子的大小，应该让学生记住一个数量级，即原子核半径的数量级为10-10m，原子半径的数量级是10-10 m，所以原子核的半径约为原子半径的十万分之一。这里突出了原子核是很小的，原子内部是很空的。3、氢原子光谱 (1)教材分析 本节教材是在明确光谱、连续谱、线状谱的概念后(可以补充光谱的分类)，进一步介绍原子的特征光谱和光谱分析，重点讲述氢光谱的实验规律。原子光谱的事实不能用核式结构理论解释，必须建立新的原子模型。 (2)氢原子光谱的教学 我们已经知道电子

17、是绕着原子核运动的，那么电子在原子核周围怎样运动呢?它的能量是怎样变化的?学生可能不能回答或不能准确回答这些问题。教师可告诉学生这些知识是根据原子光谱的规律来推知的，然后用投影片展出连续谱、线状谱、太阳光谱等。可以让学生通过阅读教科书，结合投影片明确光谱、连续谱和线状谱等概念。重点强调连续谱和线状谱的区别，可以用投影片展示几种原子的光谱，让学生明确：原子的特征光谱是什么光谱?不同原子的光谱是否相同?学生明白这些之后，对于光谱分析就不难理解了。 可以用投影片展示氢光谱图片，让学生直观地看到氢光谱中有几条亮线。在讲解巴耳末公式时，不需要详细讲述公式的来历，但应重点说明公式中n的含义。巴耳末对可见光

18、区的14条谱线做了分析，发现这些谱线的波长可用公式 来表示，其计算结果与实际基本符合，说明此公式能反映氢光谱的规律。巴耳末公式中的n有两层含义：第一，n取一个值，可求出氢光谱中一条谱线的波长，说明每一个豫值分别对应一条谱线。第二，n只能取正整数值3，4，5，不能取连续值，说明了原子光谱波长的分立性。除可见光范围内的巴耳末线系，还可以适当介绍氢光谱的其他线系。 (3)经典理论的困难的教学 应该让学生清楚地认识到，卢瑟福的原子核式结构模型虽然能很好地解释粒子散射实验，但跟经典的电磁理论发生了矛盾。这些矛盾说明从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于微观现象。不解决这个矛盾，原子理论就不能前进，这是

19、产生玻尔原子理论的历史背景。 卢瑟福的原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾主要有两点：按照经典电磁理论，电子在绕核做加速运动过程中，要向外辐射电磁波(这一点学生没有学过，可由教师告诉他们),因此能量要减少，电子轨道半径也要变小，最终会落到原子核上，因而原子是不稳定的；电子在转动过程中，随着转动半径的缩小，转动频率不断增大。辐射电磁波的频率不断变化,因而大量原子发光的光谱应该是连续谱。然而事实上，原子是稳定的，原子光谱也不是连续谱而是线状谱。4、玻尔的原子模型 本节介绍玻尔原子理论的内容之后，用它来解释氢光谱。玻尔理论的一个重要假设是原子能量的量子化，夫兰克一赫兹实验从另一个角度证明了能量量子化

20、的正确性。尽管玻尔模型需要不断被完善，但仍有很大的局限性。微观世界中原子范围内的现象要用量子理论才能更好地解决。本节教材的重点是再次让学生认识科学家所进行的科学探究，即： (2)玻尔原子理论的基本假设的教学 玻尔把量子观念引入到原子理论中去，提出了不能用经典概念解释的假设，是一个创举为了便于学生掌握玻尔理论，也可以把玻尔原子理论的假设称为能级假设，跃迁假设和轨道假设。能级假设说明原子只能处于一系列不连续的能量状态中，这些状态叫定态，具有一定的能量，也叫能级。能级假设是针对原子的稳定性提出的，它承认核式模型，但假定原子只能处于一系列不连续的稳定状态中。处于稳定状态的原子中的电子，虽做加速运动但不

21、辐射能量。又于“不连续”的概念，学生是不习惯的。一定要使学生明白，从宏观现象的“连续”的概念过渡到微观世界的不连续的概念，是人类对物质世界认识上的一次飞跃。 跃迁假设说明原子从一个定态跃迁到另一个定态时，它辐射或吸收一定频率的光子光子的能量由这两个定态的能量差决定，它说明了原子发光的机制。这一条假设是针对月子光谱是线状光谱提出的，运用了普朗克的量子理论。辐射光子的能量与发生跃迁的两个轨道有关。 轨道假设说明原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道，由于原子的能量状态是不连续的，因此电子的轨道也是不连续的，即电子不能在任意半径的轨道上运行。轨道量子化假设也是针对原子的核式模型提出的，是对能级假

22、设的补充。 教学时，指出三条假设的针对性，可便于学生理解玻尔理论。教学时可以让学生看课本图1841，据图讲述其轨道 “不连续”的含义，让学生对“不连续”的量子观念有一个形象而具体的了解。 (3)玻尔理论对氢光谱的解释的教学 前一节已经介绍了巴耳末公式(顺便介绍了里德伯常量)，说明氢光谱谱线之间是有内在规律的。现在进一步使学生了解按照玻尔理论推导出来的谱线公式跟巴耳末公式在形式上完全一致，而且由前一个公式可以计算出与巴耳末公式中的里德伯常量的R值相符的数值。这说明了巴耳末公式完全可以由玻尔理论推导出来，玻尔理论可以解释氢光谱的规律。 还应向学生说明，氢光谱的其他线系也可以用玻尔理论来解释。由玻尔理论预言存在的新线系，后来也被人们发现，充分说明了玻尔理论的成功。 教学时还应该让学生了解，氢光谱中的每个线系，都是原子从不同的高能级向某一低能级跃迁时发出的谱线。例如，赖曼系是氢原子的电子从n=2，3，4等能级跃迁到n=1的基态时发出的谱线；巴耳末线系是氢原子的电子从n=3，4，5等能级向n=2能级跃迁时发出的谱线，等等。光谱线上的每一条谱线都是大量处于同一能态的原子的电子向同一低能态跃迁的结果。由于每个原子的电子所处的能态不同，大量原子的跃迁在同一时刻，会发出不同频率的光来，因此光谱线上能够出现各种谱线。 单位：金太阳教育姓名：刘占想E_mail：lzx4149999