新蘇教版高中化學(xué)必修1教學(xué)設(shè)計(jì)3：2.3.1 人類認(rèn)識(shí)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(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)第1課時(shí)人類認(rèn)識(shí)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(guò)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(guò)程。認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)、假說(shuō)、模型等科學(xué)方法對(duì)化學(xué)研究的作用。體驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)思維對(duì)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(shí)原子組成的符號(hào)。3.初步了解相對(duì)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(diǎn)原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展演變?cè)雍说慕M成；同位素等概念。三、設(shè)計(jì)思路本課設(shè)計(jì)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(guò)交流討論，逐步探討各種原子結(jié)構(gòu)模型存在的問(wèn)題，并提出改進(jìn)意見(jiàn)，讓學(xué)生主動(dòng)參與人類探索原子結(jié)構(gòu)的基本歷程，同時(shí)也可體會(huì)科學(xué)探索過(guò)程的艱難曲折。通過(guò)盧瑟福的ɑ粒子散射實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生推測(cè)原子核的電性，并與電子比較質(zhì)量相對(duì)大小，使學(xué)生主動(dòng)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(guò)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(jìn)入更加微觀的層次，了解人類對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。你認(rèn)為我們可以通過(guò)什么樣的方法去認(rèn)識(shí)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(jìn)，而間接法則依賴精巧的實(shí)驗(yàn)和大膽的假設(shè)。事實(shí)上直到今天即使借助掃描隧道顯微鏡也無(wú)法觀察到原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以在人們認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)和假設(shè)以及模型起了很大的作用。一、中國(guó)古代物質(zhì)觀[提出問(wèn)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(wú)限地這樣分割下去呢？[介紹]《中庸》提出：“語(yǔ)小，天下莫能破焉”。惠施的人也說(shuō)道“其小無(wú)內(nèi)，謂之小一”。墨家則提出：“端，體之無(wú)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(yǔ)，它的字面上的意思是indivisible“不可分割”。第一個(gè)把Atom介紹到我國(guó)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(lái)。正如我們不可在太陽(yáng)系中放進(jìn)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(gè)氫原子?！边@種觀點(diǎn)換作現(xiàn)在更有趣的說(shuō)法，在化學(xué)反應(yīng)中原子既不會(huì)產(chǎn)生，也不會(huì)被消滅，他們只是被分開(kāi)，再重新組合，你鼻尖上的某個(gè)碳原子可能正是億萬(wàn)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(shuō)。道爾頓的原子學(xué)說(shuō)是建立在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(shí)的科學(xué)發(fā)展水平限制，這個(gè)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(huì)有一束射線從玻璃管的陰極通過(guò)氣體到達(dá)陽(yáng)極，人們稱之為陰極射線。這種射線是什么呢？英國(guó)科學(xué)家湯姆生做了一系列實(shí)驗(yàn)：他發(fā)現(xiàn)在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下該射線會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)（這就是現(xiàn)在我們家里電視機(jī)中的電子管的工作原理）；他通過(guò)研究電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)該射線的作用，發(fā)現(xiàn)這種射線帶負(fù)電，并測(cè)出了其電荷與質(zhì)量之比，這個(gè)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(wèn)題]這些電子是那兒來(lái)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(shuō)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(shí)驗(yàn)的同時(shí)，居里夫人以及英國(guó)科學(xué)家盧瑟福等人開(kāi)始了對(duì)放射現(xiàn)象的研究。這其中對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)貢獻(xiàn)最大的是盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)。α粒子帶兩個(gè)單位正電荷，相對(duì)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(huì)產(chǎn)生熒光，通過(guò)觀察各個(gè)方向的熒光，盧瑟福發(fā)現(xiàn)大多數(shù)α粒子穿過(guò)了金箔，方向幾乎沒(méi)有任何變化；但有一些α粒子在穿過(guò)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(wèn)題]如果按照湯姆生的葡萄干面包模型，會(huì)這樣嗎？那該如何解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢？1.為什么會(huì)被彈回來(lái)？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(shuō)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(gè)帶正電的核。3.α粒子被彈回來(lái)了，核卻沒(méi)有被彈出，可見(jiàn)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(guò)金箔。原子所有的正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在一個(gè)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(yáng)，因此當(dāng)時(shí)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(chǎng)理論，電子繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)不斷產(chǎn)生電磁波，從而輻射出能量，離核越來(lái)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(shí)到這是由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，電子遠(yuǎn)離或者靠近原子核時(shí)應(yīng)該是跳躍式變化，也就是說(shuō)，電子只能在一些特定的不連續(xù)的軌道上運(yùn)動(dòng)。舉個(gè)例子，你從樓梯上扔硬幣，它只能落在某個(gè)臺(tái)階上，而不會(huì)停留在兩個(gè)臺(tái)階之間。波爾認(rèn)為在能量最低的軌道，電子運(yùn)動(dòng)可以看成是在“平地”上的狀態(tài)，這時(shí)不會(huì)釋放能量。一旦電子獲得了特定的能量，它就獲得了動(dòng)力，向上“攀登”一個(gè)或幾個(gè)臺(tái)階，到達(dá)一個(gè)新的軌道。當(dāng)然，如果沒(méi)有了能量的補(bǔ)充，它又將從那個(gè)能量較高的軌道上掉落下來(lái)，回到較低的軌道上。同時(shí)釋放出相應(yīng)能量，對(duì)應(yīng)于其光譜線。而從第二個(gè)臺(tái)階下來(lái)，或者從第三個(gè)臺(tái)階下來(lái)放出的能量不同，也就對(duì)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(wèn)題。六、神秘的夸克[介紹]其實(shí)，人類對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)仍在發(fā)展。后來(lái)，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(yùn)動(dòng)像是一團(tuán)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。可夸克和電子就是基本粒子嗎？它們會(huì)不會(huì)也是由其它更基本的粒子組成呢？為進(jìn)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(wú)法直接觀察，那就只能通過(guò)“打靶”、“轟擊”來(lái)改變對(duì)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(shí)原理仍然類似于盧瑟福的α粒子轟擊原子的實(shí)驗(yàn)，只不過(guò)盧瑟福實(shí)驗(yàn)用的粒子源是天然射線。而要想更深入地進(jìn)行研究，就需要速度更快、能量更高和束流更強(qiáng)的粒子，更快、更高、更強(qiáng)。怎樣才能獲得這樣的粒子呢？我們的旅程到底有沒(méi)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(cè)量出來(lái)。例如：一個(gè)碳原子的質(zhì)量是：0．00000000000000000000000001993kg，即1.993×10-26kg；一個(gè)氧原子的質(zhì)量是2.657×10-26kg；一個(gè)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(lái)都很不方便，就像用噸做單位來(lái)表示一粒沙子的質(zhì)量一樣。因此，在國(guó)際上，一般不直接用原子的實(shí)際質(zhì)量，而采用不同原子的相對(duì)質(zhì)量[提出問(wèn)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(lái)認(rèn)識(shí)原子核。[提出問(wèn)題]盧瑟福的ɑ粒子散射實(shí)驗(yàn)說(shuō)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(gè)龐大的體育場(chǎng)，那么，原子核則是位于場(chǎng)中央的一個(gè)小螞蟻。[提出問(wèn)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(shí)，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(duì)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(jiǎn)潔的表達(dá)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(duì)質(zhì)量取近似值加起來(lái)，所得數(shù)值便近似等于該原子的相對(duì)原子質(zhì)量，我們把其稱為質(zhì)量數(shù)，用符號(hào)A表示。X中Z表示質(zhì)子數(shù)，X表示元素符號(hào)。如C表示質(zhì)量數(shù)為12，原子核內(nèi)有6個(gè)質(zhì)子的碳原子或原子核內(nèi)有6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子的碳原子。前面我們提到的作為相對(duì)原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的C—12指的就是這種原子。[過(guò)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