化学：1.3《人类对原子结构的认识》教学设计(苏教版必修1)

化学：1.3《人类对原子结构的认识》教学设计（苏教版必修1）

思路和语言

引入：

坐地日行八万里，巡天遥看一千河。人类从未停止对大自然的探索的热情和信心，从2500多年人类就开始追问大自然是是有什么构成的。

今天，答案找到了。

可你知道吗，这个探索的故事始于错误、争执，也充满抱负、启示。这个故事带来了我们人类有史以来最令人兴奋的想象、最神奇的构思。

因为大自然非常的有趣，它并不想直接告诉我们答案，而是把它当一个礼物送给我们，有着自己的包装。让我们跟随前辈们的脚步，踏进这神奇的旅程。感谢并分享他们带来的研究成果。

1、古代原子论是哲学臆测的产物

古希腊哲学家虽有敏锐的观察力，但不能像现代科学家一样通过实验来验证自己提出的假设。

古代原子论是哲学臆测的产物，不是科学理论。是一种朴素的原子学说。

在此后的十几个世纪的岁月里，由于封建统治和神学桎梏，生产力发展缓慢，科学也停滞不前，原子论没有得到进展。

二、近代原子论是由假说发展而成的科学理论

道尔顿：

从15 世纪下半叶开始, 近代自然科学开始发展。到了17 世纪, 欧洲处于由封建社会向资本主义过渡的大变革中, 在生产实践的推动下, 近代的实验科学开始发展起来。

在古代朴素的原子论的启示下, 英国化学家道尔顿(John Dalton,1766—1844)在解释气体的性质以及化学上的倍比定律和定比定律时, 提出了各种元素都是由许多原子所构成的假说。

道尔顿的原子论使当时的一些化学定律得到了统一的解释, 成为物质结构理论的基础, 也导致了元素周期表的发现。

（道尔顿还以他的原子论为指导，对由当时已发现的43种元素所组成的2 000多种化合物进行了实验分析，并于1826年完成了对于上述43种元素的相对原子质量的测定工作以现代的眼光看，除少数元素外，道尔顿给出的大部分元素数据还是比较正确的。道尔顿不是那种天资卓著的人，但他勤奋、刻苦、百折不挠。以他做气象观测记录一事为例，从21岁开始做气象观测以来，直到他临终的前一天，他从未停止过气象记录。在他生命的最后一天他仍顽强地记下了那天的气压和温度数据，在“微雨”两字的旁边，是一大滴的墨迹，说明此时的科学家实际上已很难控制自己的行动了。）

科学的发展充满了艰辛：

一直到19世纪末，原子的观念已经为大多数科学家所熟悉；但也仅仅是熟悉，并没有普遍被接受。波尔

兹曼成功的解释了一些问题, 用原子论对蒸汽行为规律的预测达到了令人吃惊的精确程度。他们认为这些微粒非常之小，以至用最好的显微镜也无法看到因此，对这些微粒的研究完全是在浪费时间这些微粒仅仅是假设的数学模型声称所假设的微粒是真实的，被认为是冒昧的、甚至是亵渎科学。波尔兹曼的批评者批评道：把上帝创造的世间奇迹，贬低为是一系列无生命的小微粒的杂乱碰撞，这是亵渎

爱因斯坦

但爱因斯坦改变了一切

基于惊人的洞察力

爱因斯坦明白了布朗运动的根本原因是原子,能彻底结束原子是否客观存在的激烈争论。爱因斯坦证明了导致布朗运动的事实是原子的客观存在。爱因斯坦的论文阻止了口头上的争论

他使用无懈可击的数学证明通过花粉的运动可以估算出原子的尺寸大小。它非常非常之微小直径约为千万分之分之一毫米。以肉眼来看人的头发，那是很细的东西，但其比一百万个并排的原子还要宽的多。

科学家们赢得了争论，原子论学说不再是异端，这是一个戏剧性的突然逆转，但他们需要为获得成功付出巨大的努力。

在很长一段时间内，原子不可再分的形而上学思想严重地束缚着人们的头脑, 许多科学家甚至认为物理世界的一切都已清晰明了, 声称科学家已经用世界的最小砖石——原子——筑成了一座宏伟的科学大厦, 余下的工作无非是一些修修补补的琐事。

正当他们彼此相互庆祝发现了原子时，命运却将他们投入到一个错综复杂而又异乎寻常的新领域。一切的序幕刚刚开始。

三、电子的发现打破了“原子不可再分”的神话

汤姆生：

1869 年, 希托夫根据它在磁场和电场中运动时偏转的现象, 判明这种射线是由带负电的粒子组成的。

斯东尼于1891 年首次称这种粒子为“电子”。

第一个用实验证实电子的存在、说明电子是基本粒子的是J. J. 汤姆孙他从1886 年起研究真空放电, 经过11 年的努力, 于1897 年4 月30 日向英国皇家学会报告了实验结果。他测定了电子的速率及其荷质比, 明确地指出它们是带负电荷的带电粒子, 其荷质比至少超过氢离子的荷质比1000 倍。

但是, 电子是否比原子更基本呢? 带着这个问题, 汤姆孙进行了一系列的实验。他分别在真空管中充入不同的稀薄气体, 又用不同材料的阴极重复实验, 电子的荷质比都不改变。据此, 他断言电子是一切原子中的基本组成部分之一。这一断言无疑是向传统观念挑战的宣言。原子不可再分的神话至此已支离破碎。“这种物质是构成一切化学元素的材料。”这个结论影响深远，在很多年后他又回忆说：“开始只有很少人相信存在比原子更小的物体。一位物理学家在听了1897年在皇家学会的演讲之后很久，还对我说他认为

我在“愚弄他们”。

(实际上，他并不擅长实验操作。他的一位助手在回忆中说：“他的手指很笨拙，我觉得没有必要鼓励他去操作仪器。”)

新问题：理性告诉我们质量在哪里，正电荷在哪里？

它们又是如何在原子中分布的? 但是对单个电子的直接感知永远是超出人类感官的能力之外的。好在, 人类洞察自然的本领与手段并不限于直接感觉。恩格斯曾指出:“只要自然科学在思维着, 它的发展形式就是假说”。人类对原子结构的认识就是借助于假说(模型)的力量而逐渐成熟的。

于1904年发表论文，题“论原子的构造：关于沿一圆周等距分布的一些粒子的稳定性和振荡周期的研究”。

四、近代的原子有核模型

卢瑟福来自新西兰的一个偏远地区在农场长大。卢瑟福是个痴迷的实验型科学家,他热爱科学技术、巧妙的组合。但他也有丰富的直觉。

射线可以穿透过固体物质，丝毫不受阻碍，这是新时代的一个真实的奇迹

卢瑟福迷恋放射性。各种各样的问题困扰着他。卢瑟福从···到卡文迪什，不管再英国还是在加拿大，不管结婚前还是结婚后，不管是和汤姆生还是索迪，一直以放射性研究为载体，

1909 ，曼彻斯特大学，与他的助手汉斯盖革、马斯登一起，制订了一系列的实验来探查放射性的秘密。镭是一种能放射出异常强烈射线的放射源，

卢瑟福命名该射线为---阿尔法射线

镭放射出这些粒子，就象是永远打不完子弹的机枪

在实验过程中，得独坐在黑暗中，计数那些磷光屏幕上微小的，几乎是无形的闪烁点。这非常的繁琐。

几个星期过去了，研究小组没有发现任何异常情况,阿尔法粒子似乎能穿透过金箔.犹如其不存在似的。

卢瑟福的建议确实是愚蠢透了,他们眼睛疲劳的都快近视.

但紧随其后的一个消息改变了世界。

1909年的一个下午盖格闯入卢瑟福办公室带来了惊人的消息，非常，非常偶然的一个阿尔法粒子的确被金箔反弹回去了，盖格计算了，大概每8000个粒子中会有一个如此

卢瑟福知道这消息后浮想联翩,他后来说，这就象是向一张薄纸开枪子弹居然被反弹了回来.

他花了一年多的时间去充分理解为什么阿尔法粒子会有如此实验现象.

这将是第一次向人类展示原子的内部结构。

人们刚刚才勉强接受原子的客观存在。但现在，卢瑟福知道的这个微观世界，直径约是千万分之一毫米的微观世界里还有其自身的内部结构。

原子内部不象我们所熟悉的地球上常见的物体因此卢瑟福将其看做天体的一部分

他将原子比作一个微型的太阳系电子是带负电荷的小微粒围绕着一个非常小的但肯定存在的微粒运转这

个微粒称之为原子核。

卢瑟福推断原子内部几乎是空的

如果你对全人类身体的所有原子的空白空间抽走的话

则六十亿人的总体积大概会缩小成一个苹果那么大

几乎同时，这种结构会让人觉得有两个问题

一个是原子核究竟是什么？

另一个更大的问题，核外电子运动问题。按照那个时代的可靠的科学知识和实践经验电子会逐渐失去能量。速度变的越来越小而盘旋着坠向原子核在很短的时间内。但它又是客观的存在于大自然的任何一个角落，它几乎是空的，但又是保持着没有任何迹象显示我会缩小成一粒盐那么大。

老一代为之奋斗终身的理论在这里失效，不管是哪个问题，都需要更有创新才气的科学家来提出新的假设并实验验证。他们才不会象前几代科学家那样被已知的科学定律束缚想象力。

花开两朵，各表一枝

究竟原子核是什么？

卢瑟福有着奇妙的直觉，加上积极地用实践的方法研究科学，

当研究原子核时，卢瑟福寻找到了最简单的构想来表述它的结构，

设想原子核由刚性的小球组成，用这样简单到难以置信的图型，卢瑟福可以构建宇宙中所有的元素。他可以解释由同样基本成分组成的不同原子间如此巨大的差异。

这是他的表述的运作方式。

氢是最简单的元素，只由一个球组成，卢瑟福称其为质子，在希腊语中是“第一个”的意思。

通过往原子核中加入更多的质子，全部其它的元素就被制造出来了，就是那么简单。

氦是第二轻的元素。碳是所有生命最基本的元素，它有6个质子。

但正如科学家们经常发现的那样，大自然从来不象它第一眼看上去那样简单。

果真，一个严重的问题随着卢瑟福的出现了。

弗朗西斯.阿斯顿是一个有趣的人物。年轻时，他喜欢户外冒险，大约在1909年，他在夏威夷的海滩冲浪。可他不久就意识到物理实验室的感召比海浪更大，相当简朴并且外观普通的建筑里，卡文迪许实验室。

这一切真是了不起，在一次世界大战之后，科学家们终于能称量原子的重量了。

他们发现卢瑟福的原子核模型有一个根本的问题。主要是数字与计算出的不符。

所有已知元素的原子，除了氢之外，都比它们本应该的重得多。

例如，有两个质子的氦应该是只有一个质子的氢的两倍重。事实上是四倍重。

你怎么想？？

卢瑟福明白这只能意味着一件事——除了质子，原子核内还有别的东西，但那是什么呢？

寻找这个答案花了12年

一直到一个人的出现，

一个出身卑下的小伙子，名叫查德威克，查德威克发现的是在原子核内与质子在一起的另一种粒子。

它几乎和质子一样重，但却难以捉摸的多，因为它不带电荷。技术上我们说它对电是中立的，因此它的名字是中子，

它立刻解决了原子重量的问题。就这样，在1932年，原子的家族完整了。

核外电子运动问题

玻尔：

他的思维无拘无束并做好了抛弃人的直觉和普通常识的准备，来寻找新的解释.

这是天才的跨越，他开始寻找有关原子结构的线索。

不是寻找物质而是借助神秘的、奇妙的光的性质。由于，原子和光有着明显的联系，大多数物体被加热时会发光，而且像他们的签名一样，各不相同。

玻尔伟大的洞察力意识到：借助光谱，我们可以了解原子的内部结构

抛弃常规想法而是取代为一种整个科学界都无法接受的新思维---量子跃迁

整个科学界中最复杂的概念之一

为了验证自己的新理论玻尔用它来作一个预测。它能解释氢原子神秘的光谱吗？

经过数月周密的计算他最终得到了结果，他的预测是惊人的精确，从没有过的精确。

看来光谱可以解释原子的结构了。但在解释多电子原子时，遇到了困难。

但玻尔的新模式是，以一个单一的有重大争议的假设为基础的，在科学史上从没有过类似的先例。当一个物理学家宣称跃迁的理论是胡言乱语时玻尔回答说，"是的，你完全正确！但这不代表跃迁就不存在，只是因为你无法想象他们而已。

接下来的20年玻尔们和爱因斯坦们相互争辩、攻击中，理论得到了发展。

1927年，确立了量子力学模型。

由沃尔夫冈泡利首先开创，他是继玻尔后的新星泡利接受玻尔离奇的量子跃迁模式

并把它发展成整个科学界最重要的概念这可不是一件容易的事情

泡利的理论被起了个缺乏想象力的名称--不相容原理.

泡利的理论尝试解释这个问题---

任何原子都是由相同的简单成分构成。但为什么在我们看来会有着如此大的不同外表呢

为什么会有这么丰富多样的色彩、质地和化学性质呢？

例如，黄金和汞

是两种完全不同的元素，黄金是固体，汞是液体，黄金化学性质稳定，汞有剧毒

但他们的差异只是一个电子

每个金原子拥有79个电子。而汞原子是80个，为什么一个小小的电子会导致如此巨大的不同呢？

原子结构示意图分析

常见几种元素分布分析

想想看，把两个原子放在一起，首先是谁和谁的交接？

1897年到1927年，科学改变了我们对世界的看法，也改变了我们对科学本身的看法。

是不是终止了呢？