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原子结构

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原子结构
一、全章说明
概述
　　这一章基本上是按着物理学史的发展过程介绍了原子结构的发现 、发展过程，其中以卢瑟福的核式结构和玻尔的氢原子模型为重点．这一章所接触的内容都 是微观世界的知识，比较抽象，但同时这部分内容也是训练抽象思维、逻辑推理的好地方． 教材根据这部分知识的特点，有意识地按着提出假设→实验验证→逻辑推理的过程安排和阐 述问题，希望学生能在学习知识的同时，知道人类进入微观世界的线索，受到科学方法的训练．
　　这一章的知识是按如下的线索展开的：电子的发现揭开了进一步探究原子结构的序幕→α粒子散射实验证明原子是有核的→经典的原子核式结构理论解释不了实验事实→玻尔提出经典的量子化原子理论→玻尔的原子理论很好地解释了氢光谱→玻尔理论有局限性，是不完全的量子理论．
单元划分
　　本章可分为三个单元：
　　第一单元：第一节，介绍原子的核式结构模型．
　　第二单元：第二节至第三节，讲述玻尔的氢原子理论．
　　第三单元：第四节，介绍原子理论的应用．
具体说明
　　1人们对原子是否是组成物质的最小微粒这一古老的课题的进一步认识是从汤姆生发现电 子开始的．因为原子中出现了比原子更小的粒子，说明原子本身不是组成物质的最小微粒 ．所以说电子的发现对揭示原子结构有其重大的意义，它是近代物理三大发现(X射线、放射 性、电子)之一．另外，电子发现的本身也是一个很好的培养学生分析问题和解决问题的内 容．为了突出电子发现的重大意义，讲清电子发现的过程，同时也为了理清思路，不在某一问题上花费更多的时间，教材将电子的发现作为阅读材料放在后面，希望教师能给予充分的 重视．
　　2由汤姆生发现电子后提出“枣式”原子模型，到卢瑟福提出“核式”结构原子模型，直至玻尔把量子说引入核式结构的原子模型，提出原子的量子态理论，这其中存在着一系列发现问题→提出新的假说的过程，这对培养学生的逻辑推理能力和掌握科学的分析问题和解决 问题的方法都是很有益的．为了引导学生思考、活跃学生的思维，教材在课文中许多地方提 出了供学生思考的问题，希望能引起教师和学生的注意．这些思考题主要是为了引起学生的 思维、阐述自己的观点而设，并不要求问题一定要有一个唯一正确的答案．
　　3α粒子散射实验既是一个很重要的实验，也是一个锻炼学生分析问题、解决问题的很好 的知识点．学生通过对卢瑟福如何分析α散射实验、否定汤姆生的原子模型、提出自己的原子模型的了解，学习科学的方法，提高自己的能力．在分析卢瑟福的原子模型的困难时，要用到电学、力学和光谱发射的知识，其中有些知识学生没有学过．如根据经典电磁理论，绕核做加速运动的电子要向外辐射电磁波，电磁波的频率等于电子绕核旋转的频率等．这些知 识主要是为了说明卢瑟福的原子模型与经典电磁理论的矛盾，因此教学中可直接把这些知识介绍给学生，避免造成不必要的难点．
　　4玻尔的氢原子模型虽然不是最终的正确的模型，但是它在建立正确的原子模型过程中的功绩是不可磨灭的．它最大的功绩就是将量子概念运用在原子模型中，同时它在一定程度上反映了原子的真实情况，也比较适合中学生的理解能力和认识水平．因此，在玻尔理论的知识教学中，我们主要应把重点放在玻尔解决问题的思想上．
　　5原子理论的应用部分——激光，虽然是介绍性的，但是这部分知识却是近代物理中应用 比较广、生命力比较强的内容．讲好这部分知识对于培养学生理论联系实际、提高学生分析问题解决问题的能力以及增强学生学习物理的兴趣，都是很有好处的．
二、教学要求和教学建议
全章教学要求
　　1了解原子核式结构模型．
　　2了解玻尔氢原子理论的主要内容．
　　3了解玻尔氢原子理论的成功之处及其局限性．
　＊4了解激光的产生及其应用．
（一）原子的核式结构
教学要求
　　了解原子核式结构模型．
　　1了解α粒子散射实验．
　　2了解原子的核式结构模型的主要内容．
教学建议
　　1原子物理研究的是微观世界的现象，它不像宏观现象那样摸得着、看得见，因此研究起 来也就更困难．原子和原子核的初步知识学生在初中时学过，这里的教学重点应放在原子核式结构提出的过程和相关的实验基础、研究问题的思路、方法上，通过学习使学生逐渐了解人类是怎样进入微观世界的．
　　2由于学生在初中学习过原子结构的知识，对原子是由原子核和绕核旋转的电子组成的知识已比较熟悉，容易产生不重视的心理．
　　为了引起学生的重视，激发学生的兴趣，可向学生提问：原子中有原子核这已是众所周知的常识，但是你们知道人们是根据什么说原子中有原子核的吗?20世纪初人们连原子都看不见，怎么会知道原子中有一个比原子还小得多的核呢?又如何知道原子核的性质的呢?这样提出问题过后，即可介绍α粒子散射实验和原子的核式结构模型．
　　3α粒子散射实验的教学要注意实验本身的原理和实验结果的分析两部分的教学，既不应只记住结论而不懂实验的原理，也不能过多地讲述实验的细节，而忽略了对结论的正确分析 ．对于实验的分析要注意说明：(1) 电子不可能使α粒子发生大角度的散射；(2) α粒子大 角度散射现象说明汤姆生的原子模型不符合原子结构的实际情况；(3) α粒子大角度散射现 象说明原子中有一质量很大的核存在；(4) 原子中绝大部分是空的．
　　4关于原子的大小应该让学生有个数量级的概念，即原子的半径在10－１０米左右 ，原子核的大小在10－１５～10－１４米左右，原子核的半径只相当于原子半 径的万分之一，体积只相当于原子体积的亿分之一．为了加深学生的印象，可举一些较形象的比喻或按比例画些示意图．
（二）玻尔的原子模型　能级
教学要求
　　● 了解玻尔原子理论的主要内容．
　　1知道卢瑟福原子模型的困难．
　　2了解玻尔原子理论的主要内容．
　　3了解能级、能量量子化以及基态、激发态的概念．
教学建议
　　1卢瑟福的原子有核模型虽然有其实验基础，但同时也有致命的弱点：(1) 与经典的电磁辐射理论(学生没学过，教师应做简单说明)相矛盾；(2) 与实际观察到的原子线光谱相矛盾 ．正是因为这两个致命的弱点，当时科学界的许多权威人士对卢瑟福的原子模型不是反对，就是不予理采．讲过原子有核模型的困难之后，可向学生提出问题：原子的核式结构是由α 粒子散射实验确立的，经典的电磁理论和能量守恒定律是由大量的实践所证明的，矛盾的症 结在哪里呢?通过讨论学生可能会提出许多自己的看法，其中必然会有许多观点是错误的， 教师不必忙于分析这些观点，而应适时地提出：玻尔以其非凡的智慧和对科学的敏感认识到 ，应该否定的不是卢瑟福的原子模型，而应该是经典理论对它的说明，必须在原子范围内抛 弃经典的理论，建立新的原子理论．他想到“只有量子假说才是摆脱困境的唯一出路”．
　　2指出玻尔认为应该冲破经典理论对原子有核模型的禁锢之后，即可向学生介绍玻尔的原子理论的观点．介绍中应注意引导学生体会玻尔是如何解决困难的，逐步理解“量子化”的 思想．为了便于学生掌握玻尔的原子理论，可将玻尔的三条假设称作能量量子化假设，跃迁量子化假设和轨道量子化假设．
　　跃迁量子化假设进一步说明了原子发光的机制，它符合原子的线状光谱的事实．轨道量子化假设是与能量量子化密切联系的，它的提出使得原子模型的图景更清楚．
（三）玻尔原子理论对氢光谱的解释
　　● 了解玻尔原子理论的成功之处及其局限性．
　　1知道巴耳末公式．
　　2了解如何用玻尔原子理论解释氢原子光谱．
　　3了解玻尔理论的局限性．
教学建议
　　1人们在提出氢原子理论很久前就发现氢光谱的谱线很有规律，它们遵从巴耳末公式
1／λ＝Ｒ（１／２－１／n）　n＝3，4，5……
从这个公式中很容易地看出，氢光谱线的特点是不连续的．这一公式反映了氢光谱的规律性 ．介绍过巴耳末公式后，可向学生指出：表面上如此复杂的光谱线竟能用如此简单的公式表示，这里面一定有着什么规律性的东西．
　　2由玻尔原子理论中能级公式及跃迁理论有
１／λ＝－Ｅ／hc（１／２－１／n）．
这种形式与巴耳末公式十分相像．理论计算进一步表明－Ｅ／hc的值与实验 测得的R值符合 得很好，这样用玻尔理论就很好地解释了氢光谱线的规律，对公式中的n的理解也更确切清楚了．玻尔原子理论不仅对巴耳末公式给以精确的解释，而且对其他线系也给出了很好的说明．
　　3氢原子的能级图可以形象地表示氢原子所处的各量子化的能态，结合氢原子的能级图及轨道示意图可以使学生很好地理解电子跃迁时的能态变化情况及原子发光机理．教学中还应使学生注意，氢光谱中的每一条线系都是原子从不同的高能级向另一低能级跃迁时发出的． 另外，由于大量的原子所处的能态不尽相同，所以即使是在同一时刻氢原子光谱中也会同时出现各种谱线．
　　4玻尔理论不仅理论本身有许多不能自洽的地方，而且对许多具体问题也无法解决．如只能计算类氢离子的频率，不能计算强度，不能解释多电子原子的光谱等．这主要在于玻尔理论内部的矛盾．玻尔理论是一种半经典的量子理论，一方面它引入了量子假说，另一方面又用经典的理论计算氢原子的半径和能量．这正像著名科学家W.H.布拉格(1862—1942)曾开玩笑时所说的，在这个理论中我们好像应当在每星期一、三、五引用经典规律，而每星期二 、四、六引用量子规律．
　　教学中可先提出玻尔理论所遇到的困难，然后再指出他的量子理论的不彻底性， 最后说明 彻底的量子理论——量子力学才是解决微观世界中原子范围内现象的正确理论．
＊（四）原子受激辐射　激光
教学要求
　　1了解激光产生的原理．
　　2知道激光的一些主要特点及其应用．
教学建议
　　现在，激光对人们来说已不是什么陌生的概念，但是其产生的机理知道的人并不多，教学中应抓住学生对激光产生的机理有兴趣的有利因素进行教学．激光产生的机理要注意讲清是因为有一特定的能量的光子(hν＝Ｅ２－Ｅ１)的扰动，使得处于激发态的原子又发出同样频率和发射方向的光子，使入射光得到加强．
　　为了降低理论难度，教材中只讲了受激辐射的一般概念，并由此说明如何产生激光的．至于产生激光的条件，如粒子数的反转，阈值条件等则都略去不讲．如果学生提出类似“激光一旦产生，处于激发态E的原子就会不断减少，那么如何保证物质中始终有足够多的原子处于激发态呢?”的问题时，教师可简单地说明，实际中需要能量的不断补充．受激辐射的特点 是非自发产生的，必须有外来光子的“感应”或者说“刺激”才会发生； 对外来光子的频 率有严格要求，必须满足能级差与频率的关系；由受激辐射过程产生的那个光子与引起这种 辐射的入射光子的性质、状态完全相同．
　　教学中还应注意结合实际介绍激光的特点及其应用．

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