新蘇教版高中化學(xué)必修1教學(xué)設(shè)計3：2.3.1 人類認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)的歷程 原子核的構(gòu)成

新蘇教版高中化學(xué)必修1PAGEPAGE1專題2研究物質(zhì)的基本方法第三單元人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識第1課時人類認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)的歷程原子核的構(gòu)成一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過原子結(jié)構(gòu)模型演變的學(xué)習(xí)，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(rèn)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.了解原子由原子核和核外電子構(gòu)成，認(rèn)識原子組成的符號。3.初步了解相對原子質(zhì)量的概念，知道核素、質(zhì)量數(shù)、同位素的概念。二、教學(xué)重難點原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展演變原子核的組成；同位素等概念。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。通過盧瑟福的ɑ粒子散射實驗，讓學(xué)生推測原子核的電性，并與電子比較質(zhì)量相對大小，使學(xué)生主動參與原子核的組成、性質(zhì)以及核素、同位素等概念的探討。四、教學(xué)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(rèn)識。你認(rèn)為我們可以通過什么樣的方法去認(rèn)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(rèn)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”。惠施的人也說道“其小無內(nèi)，謂之小一”。墨家則提出：“端，體之無序最前者也?！痹谟⑽睦铮缃癖蛔g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(yán)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(rèn)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?！边@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(dāng)然我們現(xiàn)在知道受當(dāng)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(jì)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(fù)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(rèn)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(dāng)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(rèn)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(dāng)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、神秘的夸克[介紹]其實，人類對于原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)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(fù)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玖Ｗ訂幔克鼈儠粫彩怯善渌镜牧Ｗ咏M成呢？為進一步探求原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的科學(xué)家們又在使用著什么樣的手段呢？由于我們?nèi)匀粺o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(jié)果，以了解其更微觀的結(jié)構(gòu)。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？七、原子核的組成我們已知道原子很小但有質(zhì)量，那么原子的質(zhì)量到底有多大呢？不同的原子質(zhì)量各不相同，可以用現(xiàn)代科學(xué)儀器精確地測量出來。例如：一個碳原子的質(zhì)量是：0．00000000000000000000000001993kg，即1.993×10-26kg；一個氧原子的質(zhì)量是2.657×10-26kg；一個鐵原子的質(zhì)量是9．288×10-26kg。這樣小的數(shù)字，書寫、記憶和使用起來都很不方便，就像用噸做單位來表示一粒沙子的質(zhì)量一樣。因此，在國際上，一般不直接用原子的實際質(zhì)量，而采用不同原子的相對質(zhì)量[提出問題]你知道C—12原子指的是什么原子嗎？[講解]我們已經(jīng)知道原子是構(gòu)成物質(zhì)的一種微粒。它是由原子核和核外電子構(gòu)成的。那原子核中又有哪些結(jié)構(gòu)和性質(zhì)呢？今天就讓我們來認(rèn)識原子核。[提出問題]盧瑟福的ɑ粒子散射實驗說明原子具有怎樣的結(jié)構(gòu)？[講解]絕大多數(shù)原子的原子核都是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。原子的體積已經(jīng)很小了，原子核在它里面，當(dāng)然更小。如果假設(shè)原子是一個龐大的體育場，那么，原子核則是位于場中央的一個小螞蟻。[提出問題]在原子中，質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)、電子數(shù)有怎樣的關(guān)系？為什么？原子在化學(xué)反應(yīng)中失去或得到電子，它還顯電中性嗎？此時，它還是原子嗎？離子所帶的電荷數(shù)與離子中的質(zhì)子數(shù)和核外電子數(shù)之間有什么關(guān)系？忽略電子的質(zhì)量，原子的相對原子質(zhì)量在數(shù)值上與原子的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有什么關(guān)系？什么是質(zhì)量數(shù)？怎樣簡潔的表達原子核的構(gòu)成？其含義是什么？[講解]原子核內(nèi)所有質(zhì)子和中子的相對質(zhì)量取近似值加起來，所得數(shù)值便近似等于該原子的相對原子質(zhì)量，我們把其稱為質(zhì)量數(shù)，用符號A表示。X中Z表示質(zhì)子數(shù)，X表示元素符號。如C表示質(zhì)量數(shù)為12，原子核內(nèi)有6個質(zhì)子的碳原子或原子核內(nèi)有6個質(zhì)子和6個中子的碳原子。前面我們提到的作為相對原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的C—12指的就是這種原子。[過渡]“O”與“O”所表示的意義是否相同？同一種元素的原子具有相同的質(zhì)子數(shù)，但中子數(shù)不一定相同。如在自然界存在著三種不同的氫原子：氕、氘、氚質(zhì)子數(shù)：111中子數(shù)：012核素：具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的一種原子。（原子核的組