第3單元 人類對原子結構的認識
第3單元 時1
原子結構模型的演變
一、學習目標
1. 通過原子結構模型演變的學習，了解原子結構模型演變的歷史，了解科學家探索原子結構的艱難過程。認識實驗、假說、模型等科學方法對化學研究的作用。體驗科學實驗、科學思維對創(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，知道它們在化學反應過程中通過得失電子使最外層達到8電子穩(wěn)定結構的事實。通過氧化鎂的形成了解鎂與氧氣反應的本質。了解化合價與最外層電子的關系。
3.知道化學科學的主要研究對象，了解化學學科發(fā)展的趨勢。
二、重點、難點
重點：原子結構模型的發(fā)展演變
鎂和氧氣發(fā)生化學反應的本質
難點：鎂和氧氣發(fā)生化學的本質
三、設計思路
本設計先讓學生描繪自己的原子結構模型，繼而追隨科學家的腳步，通過交流討論，逐步探討各種原子結構模型存在的問題，并提出改進意見，讓學生主動參與人類探索原子結構的基本歷程，同時也可體會科學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的揭示，初步認識化學家眼中的微觀物質世界。
四、過程
[導入] 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構的認識。你認為我們可以通過什么樣的方法去認識原子的內部結構呢？
直接法和間接法，直接法努力的方向是觀察技術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。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部結構，所以在人們認識原子結構的過程中，實驗和假設以及模型起了很大的作用。
一、中國古代物質觀
[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，謂之小一”。墨家則提出：“端，體之無序最前者也�！�
在英里，如今被譯成“原子”的Atom一詞，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翻譯的《穆勒名學》，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，物質是由不可分割的原子構成。
道爾頓在《化學哲學的新體系》一書中指出：“化學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合起。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，在化學反應中原子既不會產生，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)地闡述了其原子學說。
道爾頓的原子學說是建立在大量實驗事實基礎上的，成功地解釋了化學定律。當然我們現(xiàn)在知道受當時的科學發(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)，化學家們有條去研究物質在通電條下的性質了。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（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量之比都一樣。
[提出問題]這些電子是那兒的呢？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。這其中對原子結構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，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？應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，原子應該有一個帶正電的核。3.α粒子被彈回了，核卻沒有被彈出，可見金原子的原子核的質量一定很大。
盧瑟福的結論：原子內大部分是空的，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史。
五、波爾模型
[介紹]根據(jù)經典的電磁場理論，電子繞核運動時會不斷產生電磁波，從而輻射出能量，離核越越近，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生的，電子遠離或者靠近原子核時應該是跳躍式變化，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，回到較低的軌道上。同時釋放出相應能量，對應于其光譜線。而從第二個臺階下，或者從第三個臺階下放出的能量不同，也就對應著一根根不同的譜線。波爾將量子理論引入原子結構，掃清了原子穩(wěn)定性的問題。
六、結構決定性質
[提出問題]研究原子結構是為了更好地理解元素的性質，解釋化學反應的原理。比如說，鈉能與氯氣劇烈反應，生成白色的氯化鈉顆粒。為什么鈉能在氯氣中燃燒？該如何解釋該反應的原理呢？我們首先從微觀的角度看這個反應。這個反應是如何進行的呢？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)定結構）元素的化合價和什么有關？現(xiàn)在我們知道了化學反應中元素化合價的變化與電子轉移有關。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呢？鎂與氯氣反應，生成的產物氯化鎂化學式應該是怎樣的？為什么是1∶2？
七、神秘的夸克
[介紹]其實，人類對于原子結構的認識仍在發(fā)展。后，又有科學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，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。
而原子核內的質子和中子又分別由夸克構成�？煽淇撕碗娮泳褪腔玖Ｗ訂�？它們會不會也是由其它更基本的粒子組成呢？
為進一步探求原子的內部結構，現(xiàn)在的科學家們又在使用著什么樣的手段呢？由于我們仍然無法直接觀察，那就只能通過“打靶”、“轟擊”改變對象的狀態(tài)，再分析改變后的結果，以了解其更微觀的結構。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？
第3單元 時2
認識原子核
一、學習目標
1.了解原子由原子核和核外電子構成，認識原子組成的符號。
2.初步了解相對原子質量的概念，知道核素、質量數(shù)、同位素的概念。
3.培養(yǎng)學生觀察能力、分析綜合能力和抽象思維能力。
4.世界的物質性、物質的可分性的辨證唯物主義觀點的教育。
二、重、難點
原子核的組成；同位素等概念。
三、設計思路
本時設計從原子相對比較形象、具體的“質量”出發(fā)，在學生了解原子的質量基礎上，回顧上節(jié)所涉及到的盧瑟福的?粒子散射實驗，讓學生推測原子核的電性，并與電子比較質量相對大小，使學生主動參與原子核的組成、性質以及核素、同位素等概念的探討
四、教學過程
[導入] 我們已知道原子很小但有質量，那么原子的質量到底有多大呢？不同的原子質量各不相同，可以用現(xiàn)代科學儀器精確地測量出。
例如：一個碳原子的質量是：0．00000000000000000000000001993kg，即1.993×10-26kg；一個氧原子的質量是2．657×10-26kg；一個鐵原子的質量是9．288×10-26kg。這樣小的數(shù)字，書寫、記憶和使用起都很不方便，就像用噸做單位表示一粒沙子的質量一樣。因此，在國際上，一般不直接用原子的實際質量，而采用不同原子的相對質量——相對原子質量。
[板書]相對原子質量：某原子的質量與C—12原子質量的1/12的比值。
[提出問題]你知道C—12原子指的是什么原子嗎？
[講解]我們已經知道原子是構成物質的一種微粒。它是由原子核和核外電子構成的。那原子核中又有哪些結構和性質呢？今天就讓我們認識原子核。
[提出問題]盧瑟福的?粒子散射實驗說明原子具有怎樣的結構？
[板書]
一、原子的組成：
中子
原子核
質子
1.原子
核外電子
[講解]絕大多數(shù)原子的原子核都是由質子和中子構成的。原子的體積已經很小了，原子核在它里面，當然更小。如果假設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，質子數(shù)、核電荷數(shù)、電子數(shù)有怎樣的關系？為什么？
原子在化學反應中失去或得到電子，它還顯電中性嗎？此時，它還是原子嗎？離子所帶的電荷數(shù)與離子中的質子數(shù)和核外電子數(shù)之間有什么關系？
忽略電子的質量，原子的相對原子質量在數(shù)值上與原子的質子數(shù)和中子數(shù)有什么關系？什么是質量數(shù)？怎樣簡潔的表達原子核的構成？其含義是什么？
[講解]原子核內所有質子和中子的相對質量取近似值加起，所得數(shù)值便近似等于該原子的相對原子質量，我們把其稱為質量數(shù)，用符號A表示。 X中Z表示質子數(shù)，X表示元素符號。如 C表示質量數(shù)為12，原子核內有6個質子的碳原子或原子核內有6個質子和6個中子的碳原子。前面我們提到的作為相對原子質量標準的C—12指的就是這種原子。
[板書]
2.質量數(shù)（A）=質子數(shù)（Z）+中子數(shù)（N）
[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
質子數(shù) 1 1 1
中子數(shù) 0 1 2
核素：具有一定質子數(shù)和一定中子數(shù)的一種原子。（原子核的組成不同）
同位素：質子數(shù)相同，質量數(shù)（或中子數(shù)）不同的核素之間的互稱。
（學生閱讀教材33頁“拓展視野”）
[板書]
第二時 認識原子核
一、原子的構成：
1. 中子（不帶電）
原子核
質子（帶正電） 一個質子帶一個單位正電荷
原子
核外電子 （帶負電） 一個電子帶一個單位負電荷
在一個原子中：質子數(shù)=電子數(shù)=核電荷數(shù)
離子中 離子所帶的電荷=質子數(shù)—核外電子數(shù)
2.質量數(shù)：用符號A表示。中子數(shù)規(guī)定用符號N表示，X表示某種元素符號
質量關系：質量數(shù)（A）=質子數(shù)（Z）+中子數(shù)（N）
二、1.元素：質子數(shù)相同的同一類原子的總稱。
2.核素：具有一定質子數(shù)和一定中子數(shù)的一種原子。
3.同位素：質子數(shù)相同，質量數(shù)（或中子數(shù)）不同的核素之間的互稱。
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