《原子結構》第一課時課堂實錄

王麗

第一階段：引入。

教師：漂亮的彩虹、精彩的煙火，科學家通過探索原子的結構問題揭示了五顏六色的色彩秘密。正是因為電子在運動過程中有能量的變化，我們才看到了這些絢麗的色彩。在電子運動過程中產生的這些光線，我們稱之為光譜。我們在學習中還知道很多金屬元素在火焰上灼燒時，會顯示出具有它們特征的焰色。為什么每一種金屬會顯示出各自不同的焰色呢？除了金屬以外，其他元素是否也能產生類似的光譜呢？今天，我們就從最簡單的元素——氫元素的光譜開始了解光譜、了解電子運動的狀態。

第二階段：認識氫原子光譜，學習從宏觀現象推理微觀世界的一種方法。

（多媒體展示氫原子的光譜圖以及氫原子的微觀示意圖。）

教師：在光譜圖中，我們可以看出它對應有四條譜線，這四條譜線說明氫原子核外電子在運動過程中會向外輻射能量。它的能量是從哪兒來的？是什么樣的過程輻射出能量？它的能量為什么又是以一條條一定波長的光來體現的？我們看一下模擬演示過程。

電子在它固定的軌道上運動的時候，是不會向外輻射能量的。請大家注意觀察：當我們給電子提供一定的能量時，電子就會跳到更高能量的電子層上，這一過程稱之為躍遷。圖示的躍遷過程中，電子吸收了能量，所以躍遷后能量升高了。可是，電子在高能量的狀態時不穩定，還會躍遷到低能量狀態。我們看到的譜線，就是電子在高能量狀態躍遷回低能量狀態時釋放出的能量。這個能量對應一定波長的光，所以一種躍遷就對應了一條譜線。那么，同學們可能又會產生一個疑問：氫原子核外只有一個電子，它為什么能產生多條譜線呢？而且我們截取的僅僅是氫原子在可見光區的譜線就有四條。請結合圖示分析原因。（提示：圖示中標示了n=1、n=2、n=3……，其中n代表什么？）

李磊：n代表電子層。

教師：每條譜線對應一種電子躍遷，此處標出的四種電子躍遷就對應上圖中的四條譜線。通過這個分析，你是否能看出它產生四條譜線的原因？

李磊：跳躍的電子層數不一樣，第一條是從第三層躍遷到第二層，第二條是從第四層躍遷到第二層，以此類推。

教師：雖然氫原子核外只有一個電子，但是被激發以后，不同的電子可以跳到不同的電子能層上，而不同電子能層的電子在往回躍遷的時候就輻射出了不同能量的光。科學家玻爾也正是依據以上實驗事實和分析，最早給出了原子核外電子是分層排布的說法。（出示：描述電子能量大小的主量子數n取值不同時，表示不同的能層，即電子層。）這就是我們要說的原子結構量子化模型的最初說法。

第三階段：應用科學思想，發揮思維能力和想象能力，深入學習。

教師：當了解了氫原子光譜以后，我們再選擇一種大家熟悉的鈉元素，大家發揮想象，鈉元素的光譜圖會是怎樣的？

學生想象一分鐘后，教師出示氫元素和鈉元素的光譜圖。

教師：觀察鈉元素光譜圖，與你想象的一樣嗎？

學生：不一樣（不太一樣）。

教師：現在大家對比兩種元素的光譜，看看有哪些異同，你有哪些疑問。

學生以小組為單位，相互討論。

教師：無論是疑問，還是你們討論的結果，都記錄在學案上。討論后，我們將以小組為單位匯報，要求每個組匯報的內容不同。

學生匯報：

1組：鈉的譜線比氫的譜線多，相同頻率對應位置有相同的譜線，鈉的譜線比較集中，而氫的譜線是單一的。

2組：同一顏色的譜線粗細不同。

3組：氫的空白處鈉卻有譜線，鈉比氫多了黃線。

……

教師：同學們發現的信息都是很有價值的：鈉譜線比氫譜線多了，鈉譜線中包含了氫譜線，在鈉的譜線中有波長非常接近的一組譜線挨著，但氫中都是一條譜線，還有的同學說鈉比氫多了黃線。接下來，請大家討論一下，為什么兩種元素的譜線會有這些差異？

學生以小組為單位討論，時間約2分鐘。

教師：這個環節我們稱為“猜想”環節。點到名字的同學說說你的猜想或看法，不怕說錯。

王宇航：在相同的區域中，鈉的光譜與氫的光譜顏色一樣。

教師：為什么會一樣？

王宇航及其他學生：鈉的光譜中包含了氫的光譜，是因為鈉的核外電子躍遷包含了與氫相似的電子躍遷。

姚易飛：鈉的核外電子多，所以它的電子躍遷有多種可能。

教師：電子多了，電子層多了嗎？躍遷的電子層多了嗎？

姚易飛：電子層多了，躍遷的電子層沒有變化。

教師：對，剛才我們看到氫原子核外雖然只有一個電子，但它可以從第六層或者第五層發生躍遷，鈉元素核外的電子也是在這些電子層間躍遷，但是電子多了，情況確實變得復雜了。

張藝丹：離核越遠能量越高，應該是與能量有關系吧。

教師：是的，躍遷過程就是吸收或釋放能量。不同的躍遷輻射出的光譜不同，現在電子多了，譜線復雜了，為什么會這樣？

張藝丹：電子多了，能量變化就多了。

曲一帆：能量變化的狀態多了，所以譜線多了。

……

教師：好的，通過本輪猜想，我們再次明確氫原子核外只有一個電子，但是它只有一個電子層嗎？

學生：不是！

教師：每個原子核外無論有幾個電子，它都有若干個電子層，電子層之間的差異就是能量不同。請大家思考：觀察鈉的光譜圖中的一組紅色譜線，它們的波長相近，能量略有差異，可是氫光譜中看到層與層之間躍遷的能量差異很大，于是我預測：對于氫原子，相鄰能層的躍遷只形成一條譜線，但是多電子原子在相鄰能層間的躍遷產生了多條譜線，那么在一層里又分出了多個小層，這些小層之間能量有差異，由于它們都處于同一電子層中，所以能量差異不大。當這些電子從這些小層躍遷到同一能層時，就形成了波長相差不多的多條譜線。我的預測合理嗎？

學生：合理。

教師：通過大量的實驗和計算，科學家也幫我證實了這種預測，即在一個能層中又分為若干層，并為它取名為角量子數，用l表示，當l不同時，再結合主量子數，表示為ns、np、nd等，s、p、d也稱為能級，它們之間也有能量差，但是能量差比層與層之間的能量差小多了。所以，描述一個電子在原子核外的能量狀態有了兩個量子數，分別是主量子數和角量子數。

第四階段：更多猜想，深化科學思維方法。

教師：有些科學家做了這樣一些光譜實驗：我們在同一能層中的s和p能級之間，如果電子從p能級向s能級躍遷的時候應該會產生一條譜線，但如果實驗是在外加磁場的環境中進行，發現一種躍遷居然出現了三條或多條譜線，根據這種現象，我沿用同學們和科學家給我的啟發，再次預測：能級還可以再分裂，但只在有外加磁場的時候能量變得不同。我查閱資料發現，科學家對此也早有說明，相同的能級在外加磁場的作用下能量會變得不同，用磁量子數，符號m，來描述這種差異。

教師：電子的運動狀態確實是非常復雜的問題，目前科學家建立的原子電子云模型中描述電子狀態的量子數有四個，除了我們已經認識的三個量子數以外，第四個是自旋量子數，請大家利用網絡資料繼續自主學習自旋量子。

借助一些實驗以及科學家給我們的啟發和經驗，我們初步建立了原子的量子力學模型。接下來大家可以利用網頁回顧今天的學習過程，也可以選擇你喜歡的其他欄目加以關注，或者查閱我們的若干猜想在科學家的研究中是否能夠找到依據。

第五階段：網絡學習了解更多原子結構的信息，并發表感想。

教師：請同學們說說看了什么欄目，有什么想法？

劉宇哲等：1.對科學實驗感覺到神奇；2.看玻爾原子模型，感嘆科學家的聰明和嚴謹；3.喜歡宇宙大爆炸等相關資料。

注：本課獲得“全國中小學信息技術創新與實踐活動”一等獎。

（作者單位：北京第十二中學）