資源簡介

2.1原子核外電子的運動(第1課時)
一、核心素養發展目標
1.能舉例說明原子結構模型發展演變的歷程，認識基于實驗證據建構和優化模型的思路；
2.能用軌道和能級概念描述核外電子的運動狀態；
二、教學重點及難點
重點 軌道和能級；
難點 軌道和能級。
三、教學方法
講授法、討論法
四、教學工具
PPT
五、教學過程
【導入】化學反應的能量一般不足以引起原子核的變化，因此化學家對原子結構的研究主要集中在原子核外電子的行為上，即原子核外電子的運動狀態與變化規律。與日常接觸的事物大不一樣，電子很小，我們不能利用研究宏觀物體運動的方法對其進行研究。那么科學家又是如何認識和研究核外電子的呢？
一、人類對原子結構的認識
原子的內部世界充滿著無窮的奧秘，吸引了無數的科學家去探索。
【展示】道爾頓及其原子結構模型
【講述】19世紀初，英國科學家道爾頓總結了一些元素形成化合物時的質量比例關系，提出了近代原子學說。他認為物質由原子組成，原子不能被創造，也不能被毀滅，它們在化學變化中不可再分割。
【展示】湯姆生及其原子結構模型
【講述】1897年，湯姆生發現原子中存在電子，并用實驗方法測出電子的質量不及氫原子質量的千分之一（后進一步確定為氫原子質量的1/1836）。他推測這種粒子是均勻地嵌在云狀的正電荷球體中，于是提出了“葡萄干面包式”的原子結構模型，并將這種粒子命名為電子。
電子的發現使人們認識到原子是由更小的微粒構成的，對原子結構的認識進入新的階段。
【展示】盧瑟福及其原子結構模型
【講述】1911年，盧瑟福用α粒子轟擊金箔，發現大部分α粒子直線穿過金箔，有少數發生一定的偏移，極少數反彈回來。他推測原子的內部結構并不是均勻的，而存在一個中心的核，稱為原子核。
原子核帶正電，電子在其周圍高速運動，就像行星圍繞太陽運轉一樣。這就是盧瑟福的“有核模型”或“行星模型”。
【展示】玻爾及其原子結構模型
【講述】1913年，丹麥物理學家玻爾研究了氫原子的光譜后，根據量子力學的觀點，大膽突破傳統思想的束縛，提出了新的原子結構模型：
1、原子核外電子在一系列穩定的軌道上運動，這些軌道稱為原子軌道。核外電子在原子軌道上運動時，既不放出能量，也不吸收能量。
2、不同的原子軌道具有不同的能量，原子軌道的能量變化是不連續的。
3、原子核外電子可以在能量不同的軌道上發生躍遷。
玻爾的這一原子結構模型在當時引起了科學界的高度重視。
受普朗克量子論和愛因斯坦的光子學說的啟發，玻爾吸收了盧瑟福的原子有核模型的合理成分，于1913年提出了新的原子結構假說，較好地解釋了氫原子線狀光譜的特征，因此獲得了1922年的諾貝爾物理學獎。
玻爾認為，原子軌道的能量變化是不連續的，即量子化的。
當電子吸收了能量（如光能、熱能等）后，就會從能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道上。處于能量較高軌道的電子不穩定，會回到能量較低的軌道上，當電子從能量較高的軌道回到能量較低的軌道時，就會發射出光子，發出光的波長取決于兩個軌道的能量之差。
【展示】氫原子電子運動圖
【講述】科學家采用統計方法來描述電子在原子核外某一區域出現的機會。電子在原子核外空間出現的機會是有規律的。
氫原子的核外電子，當處于能量最低狀態時（簡稱基態），電子主要在原子核周圍的球形區域內運動。
運動區域距離核近，電子出現的機會大；
運動區域距離核遠，電子出現的機會小。
【展示】處于能量最低狀態的氫原子的電子云示意圖
【講述】用小點代表電子在核外空間區域出現的機會，小點的疏密與電子在該區域內出現的機會大小成正比。小點越密，表明概率密度越大
電子云：即用小點的疏密來描述電子在原子核外空間出現的機會大小所得到的圖形。
【講述】
電子云輪廓圖
是指量子力學描述電子在原子核外空間運動的主要區域。
一般是將出現概率約為90%的空間圈出來，制作電子云的輪廓圖，即原子軌道。
【展示】氫電子云輪廓圖的繪制過程
二、原子核外電子的運動特征
【展示】原子核外電子排布圖
【講述】電子層（用n表示）和對應的電子層符號
【問】離核距離和能量高低有什么規律？
【生】離核距離越遠，能量越高
【展示】鈉原子光譜圖
【問】分析鈉原子光譜時發現：即便是相同的兩個電子層之間發生電子躍遷，也會出現多條譜線。
對于這個現象，你會提出何種假設？
【生】同一電子層上的電子能量不同。
【講述】實驗和量子力學研究表明，處于同一電子層的原子核外電子，可以在不同類型的原子軌道上運動，其能量也不相同，故可將同一電子層進一步劃分為不同的能級。
如同：學段分小學、初中、高中，又細分為不同的年級。
電子層如同學段，能級如同年級。
軌道的類型不同，能量不同，形狀也不同。
人們常用小寫的英文字母s、p、d、f分別表示不同形狀的軌道。
【展示】s軌道圖片
【講述】1、s軌道
s軌道是球形對稱的，所以s軌道只有1個軌道。所有原子的任一電子層的s電子的電子云輪廓圖都是球形，只是球的半徑不同。
【展示】1s、2s、3s、4s的圖片
【生】同一原子的電子層序數越高，s電子云的半徑越大。
【展示】p軌道圖片
【講述】2、p軌道
p電子云輪廓圖是紡錘形的。每個p能級都有3個相互垂直的電子云，分別稱為px、py,和pz，右下標x、y、z分別是p電子云在直角坐標系里的取向。
【展示】p軌道動圖
p軌道在空間有x、y、z 3個伸展方向，所以p軌道包括px、py、pz 3個軌道。
p軌道是相互垂直的。
p電子云輪廓圖的平均半徑隨電子層序數的增大而增大。
【展示】d軌道和f軌道圖片
【講述】3、d軌道和f軌道
d軌道有5個伸展方向（5個軌道）
f軌道有7個伸展方向（7個軌道）
【講述】原子軌道表示方法：
將表示電子層的n和表示原子軌道形狀的s、 p、d、f結合起來。
1s、2s、2p（2px、2py、2pz）、3d
【問】能級與原子軌道數目的關系
【生】
能級符號 ns np nd nf
軌道數目 1 3 5 7
【問】各電子層包含的原子軌道數目和可容納的電子數
【生】
電子層 原子軌道類型 原子軌道數目 可容納的電子數
1 1s 1 2
2 2s、2p 4 8
3 3s、3p、3d 9 18
4 4s、4p、4d、4f 16 32
n — n2 2n2
【講述】原子軌道能量的高低存在如下規律：
1、處于相同電子層的原子軌道能量的高低：ns＜np＜nd＜nf。
2、形狀相同的原子軌道能量的高低：1s＜2s＜3s＜4s…
3、電子層和形狀均相同的原子軌道的能量相等，如2px、2py、2pz軌道的能量相等。
【展示】現代原子結構模型
【講述】電子自旋：
原子核外電子的自旋可以有兩種不同的狀態，通常人們用向上的箭頭“↑”和向下的箭頭“↓”來表示這兩種不同的自旋狀態。
【展示】電子自旋圖片
【講述】“電子自旋”并非真像地球繞軸自轉一樣，它只是代表電子的兩種不同狀態。
【課堂小結】師生一起回顧和總結。
一、人類對原子結構的認識
人類對原子結構的認識是循序漸進并不斷發展的
二、原子核外電子的運動特征
軌道形狀、各能級上的原子軌道數目、能量關系
【課堂練習】
1、下列原子軌道符號表示正確且最多容納的電子數按照從少到多的順序排列的是(　　)
A. 1s、2p、3d B. 1s、2s、3s
C. 2s、2p、2d D. 3p、3d、3f
答案：A
2、符號3px所代表的含義是(　　)
A. px軌道上有3個電子 B. 第三電子層px軌道有3個伸展方向
C. px電子云有3個伸展方向 D. 第三電子層沿x軸方向伸展的p軌道
答案：D
3、下列關于電子云的敘述中不正確的是(　　)
A.電子云是用小黑點的疏密程度來表示電子在核外空間出現概率大小的圖形
B.電子云實際上是電子運動形成的類似云一樣的圖形
C.電子云圖說明離核越近,電子出現概率越大;離核越遠,電子出現概率越小
D.能級類別不同,電子云的形態也不一樣
答案：B

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