《原子的结构》第2课时教学设计

《原子的结构》第2课时教学设计〖教材分析〗本节教材在介绍了玻尔的原子结构假说后，重点讲述了氢原子光谱的实验规律。并给出氢原子能级之前跃迁的规律。由于经典理论的困难提出了波尔理论。波尔理论的三个假设是本章的重点内容有的需要计算，注意分层次教学。通过本节的教学再次让学生体验科学家所进行的科学探究，领会科学方法和科学精神。〖教学目标与核心素养〗物理观念∶知道氢原子光谱的规律，理解波尔原子模型的三个假设。科学思维∶能用能级图来分析光谱的规律，理解理论的局限性与不足。科学探究：通过波尔理论氢原子光谱的规律的解释程培养学生分析能力，揭示物理现象的科学本质。科学态度与责任∶从实验规律出发，实事求是，学习科学家艰苦奋斗的精神，激发学生热爱科学的热情。〖教学重难点〗教学重点：氢原子光谱的实验规律，波尔理论的基本假设。教学难点：波尔理论的基本假设。〖教学准备〗多媒体课件等。〖教学过程〗一、新课引入回顾科学家对原子结构的认识二、新课教学（一）经典理论的困难1.矛盾一原子的特征光谱是分立的，不连续的，如果用经典理论来看，这也说明电子在原子中做怎样的运动呢？经典理论：电子要以一定的速度绕着原子核转动。同时外辐射能量，造成电子的能量越来越小。运动的轨道半径也会越来越小，最终落在原子核上。即原子是不稳定的。事实是：原子是稳定系统。2.矛盾二经典理论：辐射电磁波的频率也应该变大，并且应该是连续变化的。事实是：辐射的光谱是不连续。这些矛盾说明物理学迫切需要新理论，新观念。那具体是什么新理论呢？（二）波尔原子理论的基本假设经典理论在原子世界遇到了困难，它无法解释原子的稳定性以及线状光谱。那这是不是说卢瑟福的核式结构模型完全错误呢？波尔在普朗克的能量量化和爱因斯坦的光量子理论的基础上对原子核式结构，做一些修正，使他能够解释原子稳定性和线状光谱。1.轨道量子化针对原子核式结构模型提出轨道量子化的假设。①绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值波尔认为原子中的电子在库仑力的作用下绕原子核做圆周运动，但电子的轨道不是任意的，轨道半径的大小必须符合一定的条件，也就是说电子的轨道是量子化，即绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。②电子在轨道绕核转动是稳定的，不产生电磁辐射波尔假设电子在这些轨道上运行是稳定的，不产生电磁辐射。在玻尔理论中，电子的轨道半径只可能是某些分立的数值。例如，在氢原子中，电子轨道的最小半径是r1=0.053nm；电子还可能在半径是0.212nm、0.477nm……的轨道上运行，但是轨道半径不可能是介于这些数值中间的某个值。用公式表示就是rn=n2r1，n=1、2、3。2.定态（能量量子化）电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，于是就具有不同的能量因此原子的能量也是量子化的。可以用公式，n=1、2、3表示。①能级：各轨道上量子化的能量②定态：原子中具有确定能量的稳定状态能量最低的状态叫做基态，氢原子基态的能量E1=-13.6eV，其他状态叫做激发态，如图1、2、3叫做量子数。三个能量就分别用E1、E2、E3表示，量子数越大能量越大。这就解决了原子稳定性的问题。3.频率条件按照玻尔的观点，电子在一系列定态轨道上运动，不会发生电磁辑射。那么，如何解释观察到的原子光谱呢?玻尔假定原子系统的变化只能是从一个稳定态，完全跃迁到另一个稳定态。在此过程中需要以电磁辐射的形式吸收或者释放能量hv=En-Em(n>m)当从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，电子要产生辐射向外发射能量。当然反过来，电子吸收光子后就能从较低的能级跃迁到较高的能级，吸收光子的频率同样由频率条件决定。这样就可以解释线状谱线了。例1.（多选）玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有（）A．原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做变速运动，但不向外辐射能量。B．原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的。C．电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子。D．电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率。解析：A、B、C三项都是玻尔提出来的假设。其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁假说的提出，也就是“量子化”的概念。原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应，是经典理论与量子化概念的结合。电子跃迁时辐射的光子的频率与能级差有关，与电子绕核做圆周运动的频率无关，故D错误，A、B、C正确。例2.一群氢原子处于n=4的激发态，当它向低能级跃迁时，最多能向外辐射多少种频率的光子？答案：6种总结：氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁时，可能直接跃迁到基态，也可能先跃迁到其他低能级的激发态，然后再到基态。处于n能级的电子向低能级跃迁时就有很多可能性，其可能有cn2种情况。（三）玻尔理论对氢光谱的解释1.解释氢原子光谱的不连续性原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后两能级差，由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。2.解释不同原子具有不同的特征谱线不同的原子具有不同的结构，能级各不相同，因此辐射(或吸收)的光子频率也不相同。（四）波尔理论的局限性玻尔理论成功的解释并预言了氢原子辐射的电磁波的问题，但是也有它的局限性。①复杂一点的原子，就无法解释它的光谱现象（如氦）②无法解释谱线的强度原因：保留了静电粒子的观念，仍然把电子的运动看做经典力学描述小的轨道运动。解决办法：必须彻底放弃经典概念，用电子云概念取代经典的轨道概念，而使用量子力学的描述。回顾人类探索原子结构的历程到此原子结构的认识史，就大致讲完了，早年间人们以为原子不可再分，后来汤姆孙发现电子提出原子具有内部结构，然后a粒子散射实验否定了汤姆孙枣糕模型，于是有了卢瑟福核式模型。而他无法解释原子稳定性和光谱现象，所以波尔做了修正。最后复杂原子光谱说明波尔模型也不够完善，电子云模型要更贴切一些。可以看到，每一种新理论的建立，都是依靠观察和实验所获得的事实，但他们要不断的被新的实验事实推翻、修正，科学上是以这样的方式在不断前进。而前进道路上的每一步，都为这个进程做出了贡献，正如波尔模型虽然最终被修正了，但他讲量子论的影响大大扩展了，功不可没。科学漫步——光谱分析由基尔霍夫开创的光谱分析方法对鉴别化学元素有着巨大的意义。许多化学元素，像艳、物、铊、铜、镓，都是在实验室里通过光语分析发现的。光谱分析还为深入原子世界打开了道路。近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的。例3.根据氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n=3的激发态。（1）在向较低能级跃迁的过程中向外发出的光子有几种?能量多大?（2）哪些能使逸出功为2.29eV的金属钠发生光电效应?逸出的光电子最大初动能为多大?例题4.2022年1月，西安卫星测控中心圆满完成52颗在轨运行的北斗导航卫星健康状态评估工作。“体检”结果显示，所有北斗导航卫星的关键技术指标均满足正常提供各类服务的要求。北斗导航卫星中的“北斗三号"采用星载氢原子钟，通过氢原子能级跃迁产生电磁波校准时钟。氢原子的部分能级结构如图，则（）A.氢原子由基态跃迁到激发态后，原子的电势能减少B.用11eV的光子照射，能使处于基态的氢原子跃迁到激发态C.一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可以辐射出3种不同频率的光子D.一群处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁时，发出的光照射钾板（逸出功为2.25eV），钾板表面所发出的光电子的最大初动能为9.84eV〖板书设计〗《原子的结构》第2课时一、经典理论的困难经典理论无法解释原子的稳定性和光谱的分立性二、波尔原子理论的基本假设轨道量子化①绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值②电子在轨道绕核转动是稳定的，不产生电磁辐射2.定态（能量量子化）3.频率条件hv=En-Em（n>m）三、玻尔理论对氢光谱的解释四、波尔理论的局限性〖教学反思〗本节到此原子结构的认识史就大致讲完了，学生对原子内部的结构有个大概的认识，但是期间许多科学家提出