《原子的結(jié)構(gòu)》第2課時教學(xué)設(shè)計

《原子的結(jié)構(gòu)》第2課時教學(xué)設(shè)計〖教材分析〗本節(jié)教材在介紹了玻爾的原子結(jié)構(gòu)假說后，重點講述了氫原子光譜的實驗規(guī)律。并給出氫原子能級之前躍遷的規(guī)律。由于經(jīng)典理論的困難提出了波爾理論。波爾理論的三個假設(shè)是本章的重點內(nèi)容有的需要計算，注意分層次教學(xué)。通過本節(jié)的教學(xué)再次讓學(xué)生體驗科學(xué)家所進行的科學(xué)探究，領(lǐng)會科學(xué)方法和科學(xué)精神。〖教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)〗物理觀念∶知道氫原子光譜的規(guī)律，理解波爾原子模型的三個假設(shè)?？茖W(xué)思維∶能用能級圖來分析光譜的規(guī)律，理解理論的局限性與不足。科學(xué)探究：通過波爾理論氫原子光譜的規(guī)律的解釋程培養(yǎng)學(xué)生分析能力，揭示物理現(xiàn)象的科學(xué)本質(zhì)?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任∶從實驗規(guī)律出發(fā)，實事求是，學(xué)習(xí)科學(xué)家艱苦奮斗的精神，激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)的熱情。〖教學(xué)重難點〗教學(xué)重點：氫原子光譜的實驗規(guī)律，波爾理論的基本假設(shè)。教學(xué)難點：波爾理論的基本假設(shè)。〖教學(xué)準(zhǔn)備〗多媒體課件等。〖教學(xué)過程〗一、新課引入回顧科學(xué)家對原子結(jié)構(gòu)的認識二、新課教學(xué)（一）經(jīng)典理論的困難1.矛盾一原子的特征光譜是分立的，不連續(xù)的，如果用經(jīng)典理論來看，這也說明電子在原子中做怎樣的運動呢？經(jīng)典理論：電子要以一定的速度繞著原子核轉(zhuǎn)動。同時外輻射能量，造成電子的能量越來越小。運動的軌道半徑也會越來越小，最終落在原子核上。即原子是不穩(wěn)定的。事實是：原子是穩(wěn)定系統(tǒng)。2.矛盾二經(jīng)典理論：輻射電磁波的頻率也應(yīng)該變大，并且應(yīng)該是連續(xù)變化的。事實是：輻射的光譜是不連續(xù)。這些矛盾說明物理學(xué)迫切需要新理論，新觀念。那具體是什么新理論呢？（二）波爾原子理論的基本假設(shè)經(jīng)典理論在原子世界遇到了困難，它無法解釋原子的穩(wěn)定性以及線狀光譜。那這是不是說盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型完全錯誤呢？波爾在普朗克的能量量化和愛因斯坦的光量子理論的基礎(chǔ)上對原子核式結(jié)構(gòu)，做一些修正，使他能夠解釋原子穩(wěn)定性和線狀光譜。1.軌道量子化針對原子核式結(jié)構(gòu)模型提出軌道量子化的假設(shè)。①繞核運動的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值波爾認為原子中的電子在庫侖力的作用下繞原子核做圓周運動，但電子的軌道不是任意的，軌道半徑的大小必須符合一定的條件，也就是說電子的軌道是量子化，即繞核運動的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值。②電子在軌道繞核轉(zhuǎn)動是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射波爾假設(shè)電子在這些軌道上運行是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射。在玻爾理論中，電子的軌道半徑只可能是某些分立的數(shù)值。例如，在氫原子中，電子軌道的最小半徑是r1=0.053nm；電子還可能在半徑是0.212nm、0.477nm……的軌道上運行，但是軌道半徑不可能是介于這些數(shù)值中間的某個值。用公式表示就是rn=n2r1，n=1、2、3。2.定態(tài)（能量量子化）電子在不同的軌道上運動時，原子處于不同的狀態(tài)，于是就具有不同的能量因此原子的能量也是量子化的?？梢杂霉剑琻=1、2、3表示。①能級：各軌道上量子化的能量②定態(tài)：原子中具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)能量最低的狀態(tài)叫做基態(tài)，氫原子基態(tài)的能量E1=-13.6eV，其他狀態(tài)叫做激發(fā)態(tài)，如圖1、2、3叫做量子數(shù)。三個能量就分別用E1、E2、E3表示，量子數(shù)越大能量越大。這就解決了原子穩(wěn)定性的問題。3.頻率條件按照玻爾的觀點，電子在一系列定態(tài)軌道上運動，不會發(fā)生電磁輯射。那么，如何解釋觀察到的原子光譜呢?玻爾假定原子系統(tǒng)的變化只能是從一個穩(wěn)定態(tài)，完全躍遷到另一個穩(wěn)定態(tài)。在此過程中需要以電磁輻射的形式吸收或者釋放能量hv=En-Em(n>m)當(dāng)從能量較高的定態(tài)軌道躍遷到能量較低的定態(tài)軌道時，電子要產(chǎn)生輻射向外發(fā)射能量。當(dāng)然反過來，電子吸收光子后就能從較低的能級躍遷到較高的能級，吸收光子的頻率同樣由頻率條件決定。這樣就可以解釋線狀譜線了。例1.（多選）玻爾在他提出的原子模型中所做的假設(shè)有（）A．原子處在具有一定能量的定態(tài)中，雖然電子做變速運動，但不向外輻射能量。B．原子的不同能量狀態(tài)與電子沿不同的圓軌道繞核運動相對應(yīng)，而電子的可能軌道的分布是不連續(xù)的。C．電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，輻射(或吸收)一定頻率的光子。D．電子躍遷時輻射的光子的頻率等于電子繞核做圓周運動的頻率。解析：A、B、C三項都是玻爾提出來的假設(shè)。其核心是原子定態(tài)概念的引入與能級躍遷假說的提出，也就是“量子化”的概念。原子的不同能量狀態(tài)與電子繞核運動時不同的圓軌道相對應(yīng)，是經(jīng)典理論與量子化概念的結(jié)合。電子躍遷時輻射的光子的頻率與能級差有關(guān)，與電子繞核做圓周運動的頻率無關(guān)，故D錯誤，A、B、C正確。例2.一群氫原子處于n=4的激發(fā)態(tài)，當(dāng)它向低能級躍遷時，最多能向外輻射多少種頻率的光子？答案：6種總結(jié)：氫原子核外電子從高能級向低能級躍遷時，可能直接躍遷到基態(tài)，也可能先躍遷到其他低能級的激發(fā)態(tài)，然后再到基態(tài)。處于n能級的電子向低能級躍遷時就有很多可能性，其可能有cn2種情況。（三）玻爾理論對氫光譜的解釋1.解釋氫原子光譜的不連續(xù)性原子從較高能級向低能級躍遷時放出光子的能量等于前后兩能級差，由于原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。2.解釋不同原子具有不同的特征譜線不同的原子具有不同的結(jié)構(gòu)，能級各不相同，因此輻射(或吸收)的光子頻率也不相同。（四）波爾理論的局限性玻爾理論成功的解釋并預(yù)言了氫原子輻射的電磁波的問題，但是也有它的局限性。①復(fù)雜一點的原子，就無法解釋它的光譜現(xiàn)象（如氦）②無法解釋譜線的強度原因：保留了靜電粒子的觀念，仍然把電子的運動看做經(jīng)典力學(xué)描述小的軌道運動。解決辦法：必須徹底放棄經(jīng)典概念，用電子云概念取代經(jīng)典的軌道概念，而使用量子力學(xué)的描述?；仡櫲祟愄剿髟咏Y(jié)構(gòu)的歷程到此原子結(jié)構(gòu)的認識史，就大致講完了，早年間人們以為原子不可再分，后來湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子提出原子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后a粒子散射實驗否定了湯姆孫棗糕模型，于是有了盧瑟福核式模型。而他無法解釋原子穩(wěn)定性和光譜現(xiàn)象，所以波爾做了修正。最后復(fù)雜原子光譜說明波爾模型也不夠完善，電子云模型要更貼切一些。可以看到，每一種新理論的建立，都是依靠觀察和實驗所獲得的事實，但他們要不斷的被新的實驗事實推翻、修正，科學(xué)上是以這樣的方式在不斷前進。而前進道路上的每一步，都為這個進程做出了貢獻，正如波爾模型雖然最終被修正了，但他講量子論的影響大大擴展了，功不可沒。科學(xué)漫步——光譜分析由基爾霍夫開創(chuàng)的光譜分析方法對鑒別化學(xué)元素有著巨大的意義。許多化學(xué)元素，像艷、物、鉈、銅、鎵，都是在實驗室里通過光語分析發(fā)現(xiàn)的。光譜分析還為深入原子世界打開了道路。近代原子物理學(xué)正是從原子光譜的研究中開始的。例3.根據(jù)氫原子的能級示意圖，一群氫原子處于n=3的激發(fā)態(tài)。（1）在向較低能級躍遷的過程中向外發(fā)出的光子有幾種?能量多大?（2）哪些能使逸出功為2.29eV的金屬鈉發(fā)生光電效應(yīng)?逸出的光電子最大初動能為多大?例題4.2022年1月，西安衛(wèi)星測控中心圓滿完成52顆在軌運行的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星健康狀態(tài)評估工作。“體檢”結(jié)果顯示，所有北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均滿足正常提供各類服務(wù)的要求。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星中的“北斗三號"采用星載氫原子鐘，通過氫原子能級躍遷產(chǎn)生電磁波校準(zhǔn)時鐘。氫原子的部分能級結(jié)構(gòu)如圖，則（）A.氫原子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后，原子的電勢能減少B.用11eV的光子照射，能使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)C.一群處于n=4能級的氫原子向低能級躍遷時，最多可以輻射出3種不同頻率的光子D.一群處于n=3能級的氫原子向低能級躍遷時，發(fā)出的光照射鉀板（逸出功為2.25eV），鉀板表面所發(fā)出的光電子的最大初動能為9.84eV〖板書設(shè)計〗《原子的結(jié)構(gòu)》第2課時一、經(jīng)典理論的困難經(jīng)典理論無法解釋原子的穩(wěn)定性和光譜的分立性二、波爾原子理論的基本假設(shè)軌道量子化①繞核運動的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值②電子在軌道繞核轉(zhuǎn)動是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射2.定態(tài)（能量量子化）3.頻率條件hv=En-Em（n>m）三、玻爾理論對氫光譜的解釋四、波爾理論的局限性〖教學(xué)反思〗本節(jié)到此原子結(jié)構(gòu)的認識史就大致講完了，學(xué)生對原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有個大概的認識，但是期間許多科學(xué)家提出