魯科版選修(3-5)第2節(jié)《原子的核式結構模型》教案

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1、 最新魯科版選修 (3-5) 第 2 節(jié)《原子的核式結構模型》教案 白景曦 （西北師范大學第一附屬中學 甘肅 蘭州 730070 ） 摘要 湯姆生發(fā)現(xiàn)電子后 ,提出棗糕式原子模型；盧瑟福和助手做了 粒子散射實驗 ,提出原 子的核式結構模型；玻爾根據(jù)經典電磁理論和盧瑟福的核式結構模型的矛盾 ,提出原子的量 子化結構模型。 關鍵詞：電子的發(fā)現(xiàn) 棗糕式模型 粒子散射實驗 核式結構模型 量子化結構模型 引言 很早以前人們就提出組成物質的最小微粒是原子 , 但是原子是否有內部結構、是否還可 以再分

2、呢？同學們的回答一定是肯定的。那么 , 人們是什么時候發(fā)現(xiàn)原子還可以再分？又是 如何探索原子的結構的呢？ 1897 年 , 湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子 , 后來人們又通過氣體電離和光電效應實驗從物體中打出了電子。通過這些現(xiàn)象 , 人們意識到原子并不是不可再分的。原子內除了電子外還應該有帶正電的物質 , 它們是怎么構成原子的呢？本節(jié)課我們來研究第三節(jié)：原子的結構。 第 1 課時：原子的核式結構 新課教學： 一、原子的結構 1．電子的發(fā)現(xiàn) 1897 年英國物理學家湯姆生在研究低壓氣體放電 —— 陰極射線時發(fā)現(xiàn)了電子。湯姆生 對陰極射線進行了一系列的實驗研究 ,

3、 確定了陰極射線中粒子帶負電 , 并計算出了它的荷質 比 e , 通過進一步的研究發(fā)現(xiàn)它的電量跟氫離子的電量基本相同 , 質量比氫離子小得多 , 后 m 來人們稱之為電子 , 是原子的組成部分。陰極射線是高速電子流 ,電子的發(fā)現(xiàn)對揭示原子結 構具有重大意義 ,它是近代物理三大發(fā)現(xiàn)（ X 射線、放射性、電子）之一。 思考：既然電子是原子的組成部分 , 而原子又是中性的 , 那么原子里還存在帶什么電的 物質？既然電子質量很小 , 那么原子的質量絕大部分集中在哪里？帶正電的物質和帶負電的電子是如何組成原子的呢？ 2．湯姆生的原子結構（棗糕型） （ 1 ）棗

4、糕式模型：湯姆生提出 , 原子是由帶負電的電子 和帶正電的物質組成 , 原子是一個球體 , 帶正電的物質均勻的 分布在原子中 —— 就象棗糕中的米粒 , 電子嵌在原子中 —— 就象棗糕中的棗子 , 且在平衡位置振動。 （ 2）應用：湯姆生原子模型能解釋一些實驗事實 —— 如原子是中性的。 在湯姆生發(fā)表論文 10 年后 , 即 1909 年到 1911 年 , 他的學生盧瑟福和同事們做了一個著名的 α 粒子散  帶負電的物質 電子 射實驗 , 這個實驗現(xiàn)象無法用湯姆生原子模型來正確解釋 —

5、 —說明湯姆生原子模型有不正確的地方 , 盧瑟福在 α 粒子散射實驗的基礎上提出了原子的核式結構學說。 3．原子的核式結構 （ 1） α 粒子散射實驗（ P62）裝備：如圖 , α 粒子源、金箔 （很薄 , 約 1 微米左右）、帶熒光 α粒子 望遠鏡 α粒子源 α粒子束 1 / 7 α粒子 α粒子 熒光屏 屏的顯微鏡、帶熒光屏的顯微鏡可以沿圖中虛線轉動 , 整個裝置放在真空中。 實驗及設想：用 α 粒子轟擊金箔 , 由于金原子中的帶電微粒對 α 粒子有庫侖力的作用 , 一些 α 粒子穿過金箔后會

6、改變原來的運動方向 , 這種現(xiàn)象叫做 α 粒子散射。盧瑟福希望通過 對散射的研究的分析 , 來了解原子內部電荷與質量的分布情況。 實驗現(xiàn)象：絕大多數(shù) α 粒子不偏轉； 少數(shù) α 粒子發(fā)生了較大角度的偏轉； 極少數(shù) α 粒子發(fā)生了大角度偏轉 , 甚至被反彈回來。 實驗現(xiàn)象分析： 按湯姆生模型分析 , α 粒子穿過湯姆生原子模型有兩種可能 , ①與電子相碰 , ②受到靜電斥力。因為電子的質量很小,

7、α粒子打 在電子上 , 就象子彈打在一顆塵埃上一樣 , 運動方向不可能發(fā)生什 么變化；當 α 粒子通過金箔時受靜電斥力作用 , 但由于帶正電的物 質均勻分布 , 所以正電荷對 α粒子的斥力大部分相互抵消 , 也不會 使α 粒子產生大角度偏轉。 思考：什么樣的原子結構會出現(xiàn)這樣的實驗現(xiàn)象呢？ 因為電子的質量很小 , α 粒子打在電子上 , 就象子彈打在一顆塵埃上一樣 , 運動方向不 可能發(fā)生什么變化。 α 粒子的偏轉一定是

8、帶正電的物質引起的 , 大多數(shù) α 粒子不偏轉的原因 是它們運動過程中沒有受到帶正電的物質的斥力作用 , 說明原子內幾乎是“空”的；少數(shù)α 粒子發(fā)生較大偏轉 , 說明帶正電的物質對它們產生了庫侖斥力的作用；極少數(shù) α 粒子發(fā)生大 角度偏轉 , 說明它們和帶正電的物質發(fā)生了很大的作用力 —— 撞擊 , 而且這種物質占據(jù)的空 間很小。 （2）原子的核式結構 英國物理學家盧瑟福在 α 粒子散射實驗的基礎上 , 于 1911年提出了原子核式結構學 說。

9、 在原子的中心有一個很小的核 , 叫做原子核 , 原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中 在原子核里 , 帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉。 學生討論：用原子核式結構學說解釋 α 粒子散射實驗。 小結：按盧瑟福的原子核式結構模型 , 原子內部是十分“空曠”的 , 近年來的研究表明 , 原子直徑的數(shù)量級（實際上是電子的活動范圍的數(shù)量級）為 10－ 10 m,而原子核直徑的數(shù)量級 為10－15 m,兩者的直徑相差十萬倍。如果把原子直徑比做直徑為百米左右的大球

10、, 那么原子核 則只有毫米左右米粒大小。所以 , α 粒子通過金箔時 , 如入“無人之景” , 絕大多數(shù) α 粒子碰 不到質量和電量都較大的原子核 , 只有少子從原子核附近經過 , 受電場力作用較大而發(fā)生較 大的偏轉。只有極少數(shù)的數(shù) α 粒粒子跟原子核發(fā)生“碰撞” , 從而發(fā)生大角度偏轉 , 但這種 “碰撞”發(fā)生的可能性極小。 學生討論：盧瑟福原子模型和湯姆生原子模型的相同之處和不同之處是什么？ 相同點：①原子都由帶負電的電子和帶正電的物質組成 , 且正負電荷相等；②電子質 量很小 , 原

11、子的質量幾乎全部集中在帶正電的物質上。 不同點：①有核和無核；②空和實（雖空但有核）；③電子轉與不轉（繞核）。 教師：盧瑟福是肯定了湯氏原子模型的正確方面 , 否定了不切實際的部分后提出自己 的學說的 , 這是在肯定的基礎上的否定 , 使認識向前發(fā)展。 —— 辯證的否定是事物發(fā)展的重 要環(huán)節(jié)。 結論 2 / 7 本節(jié)課收獲如下： 1.知識：（ 1）電子的發(fā)現(xiàn)；（ 2 ）棗糕式模型；（ 3） 粒子散射實驗；（ 4）原子的核式結構。 2

12、.方法：實驗法、歸納法、分析法 第 2 課時：能級 復習： 1． 粒子散射實驗現(xiàn)象有哪些？ 2．原子的核式結構模型的內容是什么？ 引言 原子的“核式結構” ,是盧瑟福在 α 粒子散射實驗的基礎上提出的。盧瑟福的核式結構 模型能很好的解釋有關的實驗現(xiàn)象 ,得到了多數(shù)人的支持。盧瑟福的核式結構模型有缺陷嗎？本節(jié)課我們就來研究這個問題。 新課教學 一、盧瑟福原子核式結構學說與經典電磁理論的矛盾 1．原子是不穩(wěn)定的。 經典的電磁理論認為電子繞原子核旋轉 , 則一定具有加速度 , 作變速運動 , 作變速運動的 電子產生變化的電場

13、 , 因而電子向外輻射能量——輻射電磁波 , 因此隨著它的能量減少 , 電子 運行的軌道半徑也減小 , 最終要落入原子核中——造成原子塌陷 , 這樣看來原子是不穩(wěn)定的。而實際上原子是穩(wěn)定的。 2．大量原子的光譜將是包含一切頻率的連續(xù)光譜。 經典的電磁理論認為電子繞核運行的軌道不斷的變化 , 它向外輻射電磁波的頻率應該等 于繞核旋轉的頻率。因此在軌道不斷減小的過程中原子輻射一切頻率的電磁波 , 大量原子的 發(fā)光光譜應該是連續(xù)光譜。而實際上 , 原子光譜是不連續(xù)的線狀光譜。 課件觀察：原子的線狀光譜。 盧瑟福的學說跟經典的電磁理論發(fā)生了矛盾 , 這些矛盾說

14、明 , 從宏觀現(xiàn)象總結出的經典 電磁理論不適用與原子這樣小的粒子產生的微觀現(xiàn)象。為了解決這些矛盾 , 許多物理學家做 了努力和探索 , 其中丹麥的物理學家——玻爾提出了較好的解決方法。 二、玻爾的原子模型理論 1．玻爾原子模型理論的基礎 （ 1）盧瑟福的原子核式結構； （ 2）普朗克的量子理論 , E h ； （ 3）光譜學 ,特別是氫光譜實驗中測得的實驗數(shù)據(jù)。 2．玻爾原子模型理論的主要內容——三個假設 （ 1）能量量子化假設 原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)之中 ,在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的 ,電子雖然做加 速運

15、動 ,但并不向外輻射能量。這些狀態(tài)叫定態(tài)。 說明：這一說法和事實是符合得很好的 , 電子并沒有被庫侖力吸引到核上 , 就像行星繞 著太陽運動一樣。 這里所說的定態(tài)是指原子可能的一種能量狀態(tài) , 有某一數(shù)值的能量 , 這些 能量是電子的動能和電勢能的總和。 （ 2）躍遷量子化假設 原子從一種定態(tài)（設能量為 E2）躍遷到另一種定態(tài)（設能量為 E1）時 ,它輻射或吸收 一定頻率的光子 ,光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定 ,即 h E2 E1 當 E2＞ E 1 時 ,輻射光子；當 E 2＜ E 1 時 ,吸收光子。（ 3）軌道量子化假設 原

16、子的不同能量狀態(tài)對應于電子的不同運行軌道,由于原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的,因此 3 / 7 電子的可能軌道也是不連續(xù)的 ,即電子不能在任意半徑的軌道上運行 ,只有滿足下列條件的 軌道才是可能的：軌道的半徑 r 跟電子的動量 mv 的乘積等于 h 的整數(shù)倍 ,即 nh , 2 mv n 1,2, 3, 。 2 式中 n 是正整數(shù) ,叫量子數(shù)。 玻爾的原子模型解決了原子的穩(wěn)定性問題 ,玻爾在這幾個假設的基礎上利用經典的電磁理論和牛頓力學 ,計算出了氫

17、的電子的各條可能軌道的半徑和電子在各軌道上運動時的能 量。 三、氫原子軌道半徑的大小和能級 1．電子的軌道半徑的大?。簹湓拥碾娮拥母鳁l可能軌道的半徑 r n： 2 r n=n r1 r1 代表第一條（離核最近的一條）可能軌道的半徑 －10 ,r1=0.53 10 m。 －10 例： n=2, r2 =2.12 10 m 2．能級 （ 1）原子在各個定態(tài)時的能量值 En 稱為原子的能級。它對應電子在各條可能軌道上運動時的能量 En（包括動能和勢能） E1 n 1,2,3, En n 2 r 1）上

18、運動時的能量 ,E1=－ 13.6eV 。 E1 代表電子在第一條可能軌道（ 說明：計算能量時取離核無限遠處的電勢能為零 ,電子帶負電 ,在正電荷的場中為負值 , 電子的動能為電勢能絕對值的一半 ,總能量為負值。 例：當 n=2 時,E2=－ 3.4eV ； 當 n=3 時 ,E3=－ 1.51eV ； 當 n=4 時 ,E4=－ 0.85eV ； ?? （ 2）基態(tài)和激發(fā)態(tài) 基態(tài)：在正常狀態(tài)下 ,原子處于最低能級 ,這時電子在離核最近的軌道上運動 ,這種定態(tài) 叫基態(tài)。 激發(fā)態(tài)：原子處于較高能級時 ,電

19、子在離核較遠的軌道上運動 ,這種定態(tài)叫激發(fā)態(tài)。 3．原子發(fā)光 （ 1）原子光譜 原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷 , 電子克服庫侖引力做功增大電勢能 , 原子的能量增加要吸收能量； 原子也可以從能量較高的激發(fā)態(tài)向能量較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷 , 電子所受庫侖力做 正功 , 電勢能減小 , 原子的能量減少要輻射出能量 , 這一能量以光子的形式放出； 明確：原子的能量增加是因為電子增加的電勢能大于電子減少的動能；反之原子的能 量減少是因為電子減少的電勢能大于電子增加的動能。原子無論吸收能量還是輻射能量 , 這 個能量都不是任意的 , 而是等于原子發(fā)生躍遷的兩個能級

20、間的能量差： h E2 E1 原子光譜：原子從高能級躍遷到低能級時 , 輻射的光子的能量是不連續(xù)的 , 波長也是不 連續(xù)的 , 所以其光譜是若干條不連續(xù)的亮線 , 這種分立的線狀光譜叫原子光譜。如課本彩圖 所示。 （2）氫的原子光譜 4 / 7 氫原子中只有一個核外電子 ,這個電子在某個時刻只能在某個可能軌道上 ,或者說在某個 時間內 ,由某軌道躍遷到另一軌道 —— 可能情況只有一種?？墒?,通常容器盛有的氫氣 ,總是 千千萬萬個原子在一起 ,這些原子核外電子躍遷時 ,就會有各種情況出現(xiàn)了。但是這

21、些躍遷不外乎是 “能級圖”中表示出來的那些情況。 說明 ,真空中可見光的波長及頻率范圍： 波長 ,770 nm —— 400 nm ； n ∞ 5 普 豐 德 系 （ 紅 外 4 布 拉 開 系 （ 紅 外 線） 3 線） 帕邢系（紅外線） 2 巴耳末系（可見光及紅外線） 1 萊曼系（紫外線） 14 14 頻率 ,3.9 10 —— 7.5 10 Hz； 鞏固練習： 例1：根據(jù)玻爾理論 , 在氫原子中量子

22、數(shù) n越大 , 則（ ） A．原子軌道半徑越小； B ．核外電子速度越?。? C．原子能級的能量越?。? D ．原子的電勢能越大。 解析：由 rn n 2r1 得, n越大 , 電子的軌道半徑 r n越大。 A錯誤； e2 m vn2 Ke2 由 K （不計萬有引力）得： vn rn2 rn mrn 由 En 1 n2 E1 En＞ E1,C 錯誤； E1 13.6eV  E （ eV 0

23、－ 0.54 － 0.85 － 1.51 － 3.4 － 13.6 1 ,B 正確； rn r 增大時 , 庫侖力做負功 , 電勢能增大 ,D正確。 例2：已知 , 氫原子基態(tài)的電子軌道半徑為 r 1=0.53 10－10 , 基態(tài)的能級為 1=－ m E 13.6eV 。 （ 1）求電子在 n=2的軌道上運動形成的等效電流。 （ 2）有一群氫原子處于量

24、子數(shù) n=4的激發(fā)態(tài) , 求這些氫原子向低能態(tài)躍遷時所輻射的光子的頻率可能有幾種。 （ 3）計算這幾條光譜線中最長的波長, 這種波長的光能否使銫發(fā)生光電效應（已知銫 5 / 7 的極限頻率是 4.545 1014Hz）。 （4）能量為 12eV的光子能否使處于基態(tài)的氫原子受到激發(fā)？能否使處于 n=2的氫原子 電離？動能為 12eV的實物粒子（如電子、質子等）能否使處于基態(tài)的氫原子受到激發(fā)？ 2 解析：（ 1） K e2

25、 m( 2 ) 2 r2 r2 n2 r1 4r1 I e e2 r2 T T 得： I K 1.2 10 4 ( A) n En/eV 16 r1 mr1 4 －0.85 （2）最多有 6條譜線。 3 －1.51 （3）這 6條譜線中波長最長的是由 n=4躍遷到 n=3 2 －3.4 的一條。

26、 E h E4 E3 E1 E1 0.66eV 1.056 10 19 J 42 32 1 －13.6 c 得： hc 6.63 10 34 3 108 1.884 10 6 m 1.884 m E 1.056 10 19 E 1.056 10 19 1.6 14 h

27、 6.63 10 34 10 ( Hz) ＜ 0 , 所以不能使銫發(fā)生光電效應。 （4）光子不能使處于基態(tài)的氫原子受到激發(fā) , 可以使處于 n=2的氫原子電離。因為物體 吸收光子時必須全部吸收 , 否則就一點也不吸收；若吸收光子使原子由低能態(tài)躍遷到高能態(tài) , 則光子的能量必須是這兩能級間的能量差 , 若吸收光子可使原子電離 , 則只要光子的能量大 于其電離能即可被原子吸收。 =12eV的實物粒子可以使處于基

28、態(tài)的氫原子受到激發(fā) , 原子吸收實物粒子的能量時 , 可 E 只吸收其一部分能量（這部分能量一定等于其躍遷時的兩能級能量之差；若吸收能量可使原子電離 , 則只要吸收的能量大于其電離能即可）。 四、光譜分析 1. 概念：由于不同原子的結構不同, 所以每種元素光譜（特征譜線）中的譜線分布都與 其他元素不同 , 因此 , 可通過光譜來鑒別物質、判斷他的化學成分, 這種方法叫光譜分析。 2. 特點：靈敏度高、分析迅速工作效率高、準確性高。 3. 應用：判斷物質的純度、發(fā)現(xiàn)礦石中的微量元素和稀有元素、發(fā)現(xiàn)

29、新元素、分析天體的物質成分。 五、玻爾理論的成功和局限性 1. 成功：玻爾理論的關鍵是從“不連續(xù)”的觀點即量子論觀點理解電子的可能軌道和能量狀態(tài)。玻爾理論成功的解釋了氫光譜。 2. 局限性：由于過多的以來經典理論, 所以只能解釋氫光譜 , 不能解釋其他原子的光 譜。原因是電子具有波動性 , 電子繞核運動的軌道是不存在的, 所謂電子的運動軌道只是電 子出現(xiàn)幾率比較大的位置 , 電子在特定的能量狀態(tài)下出現(xiàn)在空間各點的幾率大小 , 可以用電 子云來表示。直到 1925 年以后由海森伯、薛定諤、狄拉克等人建立了“量子力學” , 成功 的解釋了原子光

30、譜以及原子、分子、固體以及微觀粒子的碰撞等眾多問題。 結論 知識：核式結構模型與經典電磁理論的矛盾；玻爾的量子化結構模型；氫原子的能級和電子的軌道半徑；原子光譜；玻爾模型的成功和局限性。 6 / 7 方法：問題——猜想——應用——實驗驗證 布置作業(yè) 教學后記 參考文獻： [1] 人民教育出版社物理室編著．物理第二冊教師教學用書．：人民教育出版社 ,2003. [2] 人民教育出版社物理室編著．物理第二冊（必修加選修）．：人民教育出版 社 ,2006. [3] 人民教育出版社．延邊教育出版社編著．物理第二冊（必修加選修）教案．吉林：延邊教育出版社 ,2008. [4] 馬蘭剛著．物理第二冊（必修加選修）教案．甘肅：未來教育出版社, 待版． [5] 杜鴻寶著．高二物理教案．甘肅：未來教育出版社, （等待出版）． 7 / 7