第三单元　人类对原子结构的认识教学目标设计

1.3.1 原

子

结

构

模

型

的

演

变

1、教学目标：

⑴知道原子结构模型演变的过程及主要成就；

⑵了解氢、镁、氧常见原子的核外电子分层排布情况；

⑶通过氧化镁的形成，初步了解镁和氧气发生化学反应的本质。

2、教学重点：

⑴通过对各种原子结构模型的学习，引导学生学生体会科学探究过程的艰难曲折。

⑵理解镁和氧气发生化学反应的本质。

3、教学难点：原子在化学反应中通过电子得失而形成相应的稳定结构。

【引入】化学家已经发现和创造了4000多万种化学物质，这么多的化学物质是由什么微粒构成的？请同学们观察教材图1-21，分析金属铜、水、氯化钠是由什么微粒构成的。

【回答】金属铜主要是由铜原子构成；水是由水分子构成，而一个水分子又是由2个氢原子和一个氧原子构成；氯化钠由钠离子和氯离子构成。

【讲解】分子、原子、离子是构成物质的三种微粒，它们的定义是什么？（学生讲）

原子：化学变化中的最小微粒，化学变化中不可再分，只能重新组合；（Cu、金刚石）

分子：保持物质化学性质的一种微粒，化学变化中可分为原子；（H2O、CO2）

离子：带电的原子或原子团，阴阳离子可相互作用。（Na2SO4、KOH）

这三种微粒我们重点研究原子，只要了解原子结构，就可以了解分子和离子结构。

【过渡】原子，是我们现在非常熟悉的一个名词，但人类对原子的认识和探索却经历了2500多年的漫长历史。直到20世纪80年代科学家用扫描隧道显微镜观察到物体表面的原子，对原子结构有了进一步的认识。

图1 原硅晶体

图2

用隧道扫描显微镜观测到的硅晶体表面

图3 氦原子结构示意图

【设问】科学家是怎样探索原子结构的？原子结构模型的演变经历了哪几个阶段？各阶段对原子结构的认识各有什么样的特点？请同学们自学教材内容P27~28（5min）。

【归纳】

1、公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人认为

：万物是由大量的不可分割的微粒构成的，即原子。原子的结合和分离是万物变化的根本原因。原子论在古希腊只是一种哲学的思辨，没有经过科学实验，是通过对自然界的观察提出的，并不是科学理论；（面朝大海，春暖花开，思考人生）

2、1803年，英国化学家道尔顿总结一些元素化合时的质量比例关系（质量守恒），阐述了他的原子学说：物质都是由原子组成；原子不能被创造，也不能被毁灭；在化学变化中不可再分割，为一实心球体。（提问：对此你有什么看法？）虽然他对原子的描述基本上是错误的，但他的原子学说使化学成为一门科学，恩格斯称道尔顿为“近代化学之父”；公认的“现代化学之父”是法国化学家拉瓦锡。

3、1897年，汤姆生发现电子并测得它的质量。1904年，汤姆生提出“葡萄干面包式”原子模型：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，从而形成中性原子。（阴极射线实验：当阴极射线管接上高压电源，在与阴极射线垂直方向上放置一磁铁，射线向下弯曲）

（提问：你怎么评价汤姆生的原子结构模型）

他并未提出“原子核”的概念。

4、1911年，英国物理学家卢瑟福做了一系列实验：当用一束平行的a粒子（42He2+）轰击金箔时，发现绝大多数a粒子穿过金箔不改变行进方向，只有极少数的a粒子产生偏转，其中个别的甚至反

方向折回。(该实验被评为“物理最美实验”之一)

（提问：如果你是卢瑟福，看到这样现象，会怎样解释原子结构？）

卢瑟福认为α粒子发生轻微的偏移是意料中的事，但几乎直接从金箔弹回却完全是意外。因为根据汤姆生的原子模型，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的，因为电子的质量不到α粒子的1/7400，α粒子碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变。正电荷又是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消（好比玻璃）α粒子偏转的力就不会很大。然而事实却出现了极少数α粒子大角度偏转的现象。卢瑟福后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上…”

由此，卢瑟福在1911年提出了带核原子结构模型，认为在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转（如原子比作庞大的体育场，原子核就像一只蚂蚁）由于卢瑟福对原子结构研究的杰出贡献，人们称他为“原子之父”

（德艺双馨）

（提问：卢瑟福的带核原子结构模型有没有什么缺陷呢？）

他的假设服从经典力学体系，在解释原子稳定性上遇到难以逾越的困难；

5、1913年，在研究氢原子光谱时，受普朗克量子论和爱因斯坦的光子学说的启发，波尔提出轨道原子结构模型，认为核外电子就像行星绕着太阳运转那样绕着原子核运动：(1)电子在原子核外一系列稳定的轨道绕核高速运动，电子在轨道上运动时，不吸收或放出能量，处于一种稳定状态；(2)原子中的电子在不同轨道运动时可具有不同的能量，电子在轨道上运动时所具有的能量只能取某些不连续的数值，即电子的能量是量子化的；(3)只有当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收或放出。由于这一开拓性的贡献，玻尔获得了1922

年诺贝尔物理学奖。这虽不是最终的正确的原子结构模型，却一定程度上反映了原子的真实情况，比较适合中学生的认识和理解水平。他的原子结构理论并不完美，在解释氢以外的多电子原子时，只能近似的估计，无法定量计算。

6、1925年～1926年，在玻尔原子结构模型的基础上发展成为原子的量子力学模型，其核心是薛定锷波动方程。该模型已经受了半个多世纪的考验。

由于电子属于微观粒子，具有波粒二象性，它在核外的运动速度可以与光速相比，很难同时准确地测定它的速度和位置(测不准原理)，不遵从经典力学原理，只能用统计的方法来描述电子在原子核外某一区域出现的机会，引入了“电子云”的概念。

【板书】

一、原子结构模型的演变

道尔顿原子学说→汤姆生“葡萄干面包式”原子结构模型→卢瑟福带核原子结构模型→

波尔轨道原子结构模型→原子量子力学模型

【提问】从原子结构模型的演变历史中你能得到什么启迪？

【小结】原子结构模型的演变历史告诉我们：化学认识发展的形式与科学认识发展的形式一样是继承、积累突破和革命；实验方法是科学研究的一种重要方法，实验手段的不断进步是化学发展的一个关键；科学研究、科学发现是无止境的。 【过渡】通过对原子结构模型探索，现在人们已经知道，原子是由原子核和核外电子构成的，对于多电子原子，可以近似认为电子在原子核外是分层排布的。为了形象、简单的表示原子的结构，人们就创造了“原子结构示意图”这种特殊的图形。

【练习】以S为例讲解原子结构示意图书写方法。书写1~20元素的原子结构示意图。3个学生：Al/K/Mg、Cl/N/O、He/Ne/Ar 【分析】原子结构示意图就是用来表示原子的核外电子排布，其中圆圈表示原子核，圈内数字表示核电荷数，弧线代表电子层，弧线上的数字表示该电子层的电子数。根据我们写出的原子的核外电子的排布式意图，归纳出核外电子排布的规律。

亨利•莫斯莱和巴克拉的X-射线吸收研究首次于实验中发现电子层。巴克拉把它们称为K、L和、M(以英文子母排列)等电子层（最初

K 和

L 电子层名为

B 和

A，改为

K 和

L 的原因是预留空位给未发现的电子层）。这些字母后来被n-值1、2、3等取代。它们被用于分光镜的西格班记号法。

【板书】二、原子核外电子排布

1、核外电子排布规律

⑴电子总是尽先排布在能量最低的电子层里；

⑵每个电子层最多只能容纳2n2；

⑶原子最外层不超过8个电子（氦为2个）；

⑷次外层不超过18个电子，倒数第三层不超过32个电子；

【提问】1、原子结构和元素性质有什么关系？

在化学反应中，原子核不发生变化，原子的最外层电子数可能变化，元素的化学性质取决于原子的最外层电子。

2、分析稀有气体的核外电子排布与其性质有什么联系？

稀有气体元素最外层电子都是8个（氦2个），属于稳定结构，很难与其他物质发生反应。

3、镁和氧气反应会生成MgO，在此过程中Mg原子和O原子核外电子如何变化？将Mg2+、O2-的核外电子排布与Ne原子比较，你能得出什么结论？

每个Mg失去2个电子形成与Ne一样的稳定电子层结构的Mg2+，每个O得到2个电

子形成与Ne一样的稳定电子层结构的O2-，带正电荷的Mg2+与带负电荷的O2-相互发生电性作用，形成稳定的MgO 4、由Mg、O你分别想到了哪些类似的原子，它们在结构上有什么共同点？性质上呢？

【小结】钠、镁、铝等活泼金属原子的最外层电子数较少，与活泼非金属反应时易失去电子，形成稳定的电子层结构；氧、氟、氯等活泼非金属原子最外层电子数较多，与活泼金属反应时易得到电子，形成稳定的电子层结构。

【板书】2、原子结构与元素性质

金属元素→最外层电子数＜4→易失e-→金属性

非金属元素→最外层电子数≥4→易得e-→非金属性

【讲解】元素的金属性是指金属元素的原子失电子的能力；非金属性常表示元素获得电子的倾向。

【过渡】原子都有使自己达到稳定结构的倾向，就表现为非金属元素和金属元素的得失电子。那么金属元素和非金属元素的化合价与其在反应中失去或得到电子的数目存在什么关系呢？

【问题解决】P30页。学生总结。

【板书】

3、元素化合价与得失电子数

失去的电子数=正价的数值；得到的电子数=负价的数值

活泼金属元素的化合价=其失去电子的数目=原子最外层电子数；

活泼非金属元素的最低负化合价的绝对值=其得到电子的数目=8-最外层电子数

原子得失电子的数目=元素化合价的数值

附：1、α粒子散射实验

（α-particle scattering experiment）

α粒子散射实验，又称金箔实验、Geiger-Marsden实验或卢瑟福α粒子散射实验[1]。是1909年

汉斯·盖革和

恩斯特·马斯登在欧内斯特·卢瑟福指导下于英国曼彻斯特大学做的一个著名物理实验。

实验用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔，发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔，偏转很小，但有少数α粒子发生角度比汤姆孙模型所预言的大得多的偏转，大约有1／8000 的α粒子偏转角大于90°，甚至观察到偏转角等于150°的散射，称大角散射，更无法用汤姆孙模型说明。1911年卢瑟福提出原子的有核模型(又称原子的核式结构模型），与正电荷联系的质量集中在中心形成原子核，电子绕着核在核外运动，由此导出α粒子散射公式，说明了α粒子的大角散射。卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限为10-14米，此实验开创了原子结构研究的先河。这个实验推翻了J.J.汤姆孙在1903年提出的原子的葡萄干圆面包模型，认为原子的正电荷和质量联系在一起均匀连续分布于原子范围，电子镶嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振动，为建立现代原子核理论打下了基础。

卢瑟福的a粒子散射试验

卢瑟福从1909年起做了著名的α粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型。

为了要考察原子内部的结构，必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子，这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的α粒子。卢瑟福和他的助手用α粒子轰击金箔来进行实验，图14-1是这个实验装置的示意图。

在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po)，它发出的α射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上。当α粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。

实验结果表明，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来，这就是α粒子的散射现象。

发生极少数α粒子的大角度偏转现象是出乎意料的。根据汤姆孙模型的计算，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的，因为电子的质量不到α粒子的1/7400，α粒子碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变。正电荷又是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏

转的力就不会很大。然而事实却出现了极少数α粒子大角度偏转的现象。卢瑟福后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上……”卢瑟福对实验的结果进行了分析，认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现α粒子的大角度散射。由此，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。

按照这一模型，α粒子穿过原子时，电子对α粒子运动的影响很小，影响α粒子运动的主要是带正电的原子核。而绝大多数的α粒子穿过原子时离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎没有改变，如图14-2(b)中的1、3、4、6、7、9，只有极少数α粒子可能与核十分接近，受到较大的库仑斥力，才会发生大角度的偏转，如图14-2(b)中的2，5，8。

根据α粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为10-15米～10-14米，原子直径大约是10-10米，所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。

结果：大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°；

极个别的散射角等于180°。

结论：正电荷集中在原子中心。

2、据英国《新科学家》杂志网站报道，乌克兰科学家近日成功捕捉到碳原子内部的图像，显示了碳原子电子云(蓝色部分)的几种组合方式。

近日乌克兰哈尔科夫大学物理技术学院的伊格尔带领科研团队，成功“制造”并捕捉到电子云的影像照片，这也是科学家首次获得电子云的照片。科研团队把石墨的单原子层薄膜拆解成碳原子链，并把碳原子链置于4.2开的真空环境中。开(kelvin)是开尔文温标的计量单位，其零度为绝对零度，等于-273.15℃。然后他们给碳原子连通425伏特的电流，使边缘的原子释放电子到一个由磷制成的屏上，获得了这一电子

云照片。据悉，科学家将会把他们的研究成果发表在《物理评论B》（Physical Review B

）上。

3、α粒子就是氦原子核，电子全部剥离，也就是He2+，相对原子质量为4，速度为光速的1/10 β粒子是电子流，带负电

γ粒子是高频光子

(能量高)