《原子结构》第一课时课堂实录

王丽

第一阶段：引入。

教师：漂亮的彩虹、精彩的烟火，科学家通过探索原子的结构问题揭示了五颜六色的色彩秘密。正是因为电子在运动过程中有能量的变化，我们才看到了这些绚丽的色彩。在电子运动过程中产生的这些光线，我们称之为光谱。我们在学习中还知道很多金属元素在火焰上灼烧时，会显示出具有它们特征的焰色。为什么每一种金属会显示出各自不同的焰色呢？除了金属以外，其他元素是否也能产生类似的光谱呢？今天，我们就从最简单的元素——氢元素的光谱开始了解光谱、了解电子运动的状态。

第二阶段：认识氢原子光谱，学习从宏观现象推理微观世界的一种方法。

（多媒体展示氢原子的光谱图以及氢原子的微观示意图。）

教师：在光谱图中，我们可以看出它对应有四条谱线，这四条谱线说明氢原子核外电子在运动过程中会向外辐射能量。它的能量是从哪儿来的？是什么样的过程辐射出能量？它的能量为什么又是以一条条一定波长的光来体现的？我们看一下模拟演示过程。

电子在它固定的轨道上运动的时候，是不会向外辐射能量的。请大家注意观察：当我们给电子提供一定的能量时，电子就会跳到更高能量的电子层上，这一过程称之为跃迁。图示的跃迁过程中，电子吸收了能量，所以跃迁后能量升高了。可是，电子在高能量的状态时不稳定，还会跃迁到低能量状态。我们看到的谱线，就是电子在高能量状态跃迁回低能量状态时释放出的能量。这个能量对应一定波长的光，所以一种跃迁就对应了一条谱线。那么，同学们可能又会产生一个疑问：氢原子核外只有一个电子，它为什么能产生多条谱线呢？而且我们截取的仅仅是氢原子在可见光区的谱线就有四条。请结合图示分析原因。（提示：图示中标示了n=1、n=2、n=3……，其中n代表什么？）

李磊：n代表电子层。

教师：每条谱线对应一种电子跃迁，此处标出的四种电子跃迁就对应上图中的四条谱线。通过这个分析，你是否能看出它产生四条谱线的原因？

李磊：跳跃的电子层数不一样，第一条是从第三层跃迁到第二层，第二条是从第四层跃迁到第二层，以此类推。

教师：虽然氢原子核外只有一个电子，但是被激发以后，不同的电子可以跳到不同的电子能层上，而不同电子能层的电子在往回跃迁的时候就辐射出了不同能量的光。科学家玻尔也正是依据以上实验事实和分析，最早给出了原子核外电子是分层排布的说法。（出示：描述电子能量大小的主量子数n取值不同时，表示不同的能层，即电子层。）这就是我们要说的原子结构量子化模型的最初说法。

第三阶段：应用科学思想，发挥思维能力和想象能力，深入学习。

教师：当了解了氢原子光谱以后，我们再选择一种大家熟悉的钠元素，大家发挥想象，钠元素的光谱图会是怎样的？

学生想象一分钟后，教师出示氢元素和钠元素的光谱图。

教师：观察钠元素光谱图，与你想象的一样吗？

学生：不一样（不太一样）。

教师：现在大家对比两种元素的光谱，看看有哪些异同，你有哪些疑问。

学生以小组为单位，相互讨论。

教师：无论是疑问，还是你们讨论的结果，都记录在学案上。讨论后，我们将以小组为单位汇报，要求每个组汇报的内容不同。

学生汇报：

1组：钠的谱线比氢的谱线多，相同频率对应位置有相同的谱线，钠的谱线比较集中，而氢的谱线是单一的。

2组：同一颜色的谱线粗细不同。

3组：氢的空白处钠却有谱线，钠比氢多了黄线。

……

教师：同学们发现的信息都是很有价值的：钠谱线比氢谱线多了，钠谱线中包含了氢谱线，在钠的谱线中有波长非常接近的一组谱线挨着，但氢中都是一条谱线，还有的同学说钠比氢多了黄线。接下来，请大家讨论一下，为什么两种元素的谱线会有这些差异？

学生以小组为单位讨论，时间约2分钟。

教师：这个环节我们称为“猜想”环节。点到名字的同学说说你的猜想或看法，不怕说错。

王宇航：在相同的区域中，钠的光谱与氢的光谱颜色一样。

教师：为什么会一样？

王宇航及其他学生：钠的光谱中包含了氢的光谱，是因为钠的核外电子跃迁包含了与氢相似的电子跃迁。

姚易飞：钠的核外电子多，所以它的电子跃迁有多种可能。

教师：电子多了，电子层多了吗？跃迁的电子层多了吗？

姚易飞：电子层多了，跃迁的电子层没有变化。

教师：对，刚才我们看到氢原子核外虽然只有一个电子，但它可以从第六层或者第五层发生跃迁，钠元素核外的电子也是在这些电子层间跃迁，但是电子多了，情况确实变得复杂了。

张艺丹：离核越远能量越高，应该是与能量有关系吧。

教师：是的，跃迁过程就是吸收或释放能量。不同的跃迁辐射出的光谱不同，现在电子多了，谱线复杂了，为什么会这样？

张艺丹：电子多了，能量变化就多了。

曲一帆：能量变化的状态多了，所以谱线多了。

……

教师：好的，通过本轮猜想，我们再次明确氢原子核外只有一个电子，但是它只有一个电子层吗？

学生：不是！

教师：每个原子核外无论有几个电子，它都有若干个电子层，电子层之间的差异就是能量不同。请大家思考：观察钠的光谱图中的一组红色谱线，它们的波长相近，能量略有差异，可是氢光谱中看到层与层之间跃迁的能量差异很大，于是我预测：对于氢原子，相邻能层的跃迁只形成一条谱线，但是多电子原子在相邻能层间的跃迁产生了多条谱线，那么在一层里又分出了多个小层，这些小层之间能量有差异，由于它们都处于同一电子层中，所以能量差异不大。当这些电子从这些小层跃迁到同一能层时，就形成了波长相差不多的多条谱线。我的预测合理吗？

学生：合理。

教师：通过大量的实验和计算，科学家也帮我证实了这种预测，即在一个能层中又分为若干层，并为它取名为角量子数，用l表示，当l不同时，再结合主量子数，表示为ns、np、nd等，s、p、d也称为能级，它们之间也有能量差，但是能量差比层与层之间的能量差小多了。所以，描述一个电子在原子核外的能量状态有了两个量子数，分别是主量子数和角量子数。

第四阶段：更多猜想，深化科学思维方法。

教师：有些科学家做了这样一些光谱实验：我们在同一能层中的s和p能级之间，如果电子从p能级向s能级跃迁的时候应该会产生一条谱线，但如果实验是在外加磁场的环境中进行，发现一种跃迁居然出现了三条或多条谱线，根据这种现象，我沿用同学们和科学家给我的启发，再次预测：能级还可以再分裂，但只在有外加磁场的时候能量变得不同。我查阅资料发现，科学家对此也早有说明，相同的能级在外加磁场的作用下能量会变得不同，用磁量子数，符号m，来描述这种差异。

教师：电子的运动状态确实是非常复杂的问题，目前科学家建立的原子电子云模型中描述电子状态的量子数有四个，除了我们已经认识的三个量子数以外，第四个是自旋量子数，请大家利用网络资料继续自主学习自旋量子。

借助一些实验以及科学家给我们的启发和经验，我们初步建立了原子的量子力学模型。接下来大家可以利用网页回顾今天的学习过程，也可以选择你喜欢的其他栏目加以关注，或者查阅我们的若干猜想在科学家的研究中是否能够找到依据。

第五阶段：网络学习了解更多原子结构的信息，并发表感想。

教师：请同学们说说看了什么栏目，有什么想法？

刘宇哲等：1.对科学实验感觉到神奇；2.看玻尔原子模型，感叹科学家的聪明和严谨；3.喜欢宇宙大爆炸等相关资料。

注：本课获得“全国中小学信息技术创新与实践活动”一等奖。

（作者单位：北京第十二中学）