1、第一节 原子结构模型第3课时 教学目标1. 知道原子核外电子的运动不同于宏观物体，不能同时准确测定它的位置和速度。2. 知道“电子云”可以对电子在空间体积里出现的概率大小进行描述，用波函数的图形对原子轨道进行形象化的描述。3. 认识s和p能级的电子云轮廓图。 教学重难点电子在核外的运动特征与规律 教学过程一、新课导入【科学史料】时间人物假设与实验困境与进展1911年卢瑟福在汤姆逊原子模型基础上，根据粒子散射实验的基础上，提出原子“有核模型”。按照经典电磁学理论，带负电的电子在原子核的正电场里运动会不断连续地释放能量，最终坠入原子核!1913年玻尔借鉴普朗克能量子假说和爱因斯坦光电效应假说，将量
2、子化条件引入原子结构，提出核外电子运动有一定的轨道(orbit)，在此轨道上运动的电子的能量是量子化的，即“行星模型”。据此模型计算出氢原子核外轨道的能量与波长，与实验数据精确吻合。解释多电子原子的光谱实验结果和电子衍射实验现象时，遇到了无法解决的困难。(困难在于对微观粒子运动特性不了解)1924年德布罗意借鉴光既是波又是粒子的属性，大胆预言电子具有波粒二象性。1925年泡利总结大量光谱实验事实，提出电子自旋理论：一个原子轨道最多容纳两个电子，且自旋状态不同，由此得到被称为第四个量子数的自旋量子数。1926年薛定谔基于电子具有波粒二象性的德布罗意假设，建立了描述核外电子空间运动状态的波动方程。
3、求解该方程能得到三个量子数主量子数、角量子数和磁量子数以及与之相关的描述核外电子运动状态的波函数。波恩在此基础上提出了电子波动性的统计解释，即电子云模型。微观轻质高速运动的电子其原子轨道(orbital)是概率统计的结果，人们不再关心电子如何从一处运动到另一处，而是关心电子在核外空间出现的概率。1927年戴维逊革末和汤姆孙分别用单晶体、多晶体做实验，发现电子在运动过程中遇到晶体的晶格光栅，会绕过障碍物继续传播，即电子具有波的衍射现象。验证了德布罗意假说，电子不但具有粒子性也具有波动性。1927年海森堡不确定原理：电子运动的位置和动量(或速度)不能同时完全准确测定。进一步说明玻尔的固定运动轨道(
4、orbit)概念在微观世界是不存在。1928年狄拉克在其建立的相对论电子运动方程中，自然得到电子具有自旋特性的结果。原子核外电子的可能运动状态由四个量子数决定。【复习引入】上节课，我们在学习了主量子数n和角量子数l的基础上，又学习了磁量子数m和自旋量子数ms。磁量子数解释了在外磁场作用下，谱线发生分裂的原因，其个数为2l+1个，取值范围是ll的整数；用自旋量子数可以解释为什么在没有外磁场的情况下从一个能级向另一个能级跃迁会出现双线结构，其可用1/2和1/2来表示。2、 讲授新课【讲述】平常我们肉眼能看到动物的奔跑、河水的流动，我们是可以准确的测出它们在某一时刻所处的位置及速度；那还有一些是我们
5、肉眼看不见的如血液、水的内部又是怎样运动的呢？【提问】微观粒子原子核外电子是如何运动的呢？又该怎样描述它们的运动特征呢？【展示】宏观物体的运动和微观物体的运动。1. 核外电子的运动特点【讲述】现在，我们就来讨论关于原子核外电子的运动问题。【提问】微观粒子的运动特征是怎样的？(图片展示)【讲解】电子的质量很小，只有9.110-31千克；核外电子的运动范围很小(相对于宏观物体而言)；电子的运动速度很大。【结论】微观物体的运动难以测准。对于质量非常小、运行速度极快且运动空间极小的微观粒子(如电子，其质量仅为9.110-31kg)而言，人们不可能同时准确地测定它的位置和速度。2. 核外电子的运动状态量
6、子力学指出，电子在核外空间各处都可能出现，但是出现的概率不同。它没有确定的“运动轨迹”。【提问】如何描述核外电子的运动状态呢？(以氢原子为例)【讲解】科学家是用这种方法来描述的，在一定的时间间隔内电子在原子核外出现概率的统计，电子每出现一次，在途中就增加一个小点。可以想象成你手持一架虚拟的高速照相机拍摄电子，然后把所有照片叠加在一起得到的图像。由此得到的概率分布看起来像一片云雾，因而被形象的称为电子云。氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图：氢原子的1s电子的电子云图中的每个小白点是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述，小点越密，表明概率密度越大。【提问】电子的运动无规律可循，知
7、道某一时刻电子的位置和运动状态，也无法预测之后的运动轨迹。那运用什么样的手段研究这种充满“随机性”的运动呢？【讲解】单次的运动无规律，人们通过统计学的手段，记录下一段时间电子的情况，把不同时刻(瞬间)的电子在空间所处位置的图像叠加起来(统计)，就得到了“电子云”。随着科学技术的发展，人们已经能用高分辨率的显微镜观察到电子云的图像：通常用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外某处单位体积内出现概率的大小：点密集的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率大；点稀疏的地方，表示电子在此处单位体积内出现的概率小。这种形象地描述电子在核外空间某处单位体积内的概率分布的图形称为“电子云图”。3. 电
8、子云轮廓图【讲解】电子云图绘制困难，使用不便，常使用电子云轮廓图表达。电子云轮廓图可以形象的表示电子云的形状。【提问】(1)观察同一原子中s电子的1s、2s、3s、4s电子云轮廓图，他们之间有何异同？【讲解】s轨道电子云都是球形的，即该原子轨道具有球对称性；同一原子的能层越高，s电子云的半径越大。4s的空间包含了3s，3s包含了2s，2s包含了1s。【提问】前面我们讲解的是核外只有1个电子的氢原子的电子云图，也就是1s轨道的电子云图，且电子云是球形的。那么是不是所有的核外电子的电子云都是球形的呢？【讲解】不是，根据科学家的研究，p轨道的电子云形状呈纺锤形(或无柄亚玲形)；d轨道电子云是花瓣形。
9、像这种电子云的轮廓又称为原子轨道。【讲解】(2)其他类型的电子云，如p、d电子云，它们的电子云轮廓图都有特征的形状。【讲解】(3)2p的电子云包含3个互相垂直的电子云，依据他们在直角坐标系空间的延伸方向，分别称为px、py、pz。例如px表示沿着x轴伸展的哑铃状的p电子云。【小结】其他能层的p轨道，如3p、4p等，包含的电子云数量及他们的空间伸展方向与2p相同，只是弥散程度不同。这种关系与s电子云之间的关系类似。【讲解】由此可知，量子力学中轨道的含义与玻尔轨道的含义完全不同，它既不是圆周轨道，也不是其他经典意义上的固定轨迹。【拓展提升】原子轨道可以用波函数来表示，那么，又该如何理解波函数？怎样
10、形象地描述电子在空间中的运动与分布呢？【讲解】根据量子力学原理，可用一个波函数来描述来描述微观粒子的运动状态。波函数()是用空间坐标如直角坐标系(xyz)或球极坐标系(r)来描写微观粒子波动性的数学函数式，以表征原子中电子的运动状态。习惯上将描述原子中单个原子运动状态的波函数成为原子轨道。微观粒子在空间特定位置上出现的概率大小可用波函数的平方来衡量。将波函数模的平方(|2)的大小用小黑点在空间分布的疏密程度来表示的图形成为电子云图。三、课堂小结电子云：(1)宏观物体的速率和它所处的位置是能够同时准确测定的，即人们能追踪宏观物体的运动轨迹。但是对微观粒子而言，人们不能同时准确地测定它的位置和速率
11、。(2)量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行，而在核外空间各处都可能出现。我们用统计的方法来判断电子在核外空间某区域出现机会的多少。(3)s电子云是球形的，p电子云是哑铃状的；p的电子云可以沿着不同的空间方向伸展，彼此垂直。不同能层的s轨道形状相同，但弥散程度不同。p轨道也符合上述规律。四、课堂练习1. 下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是( )A. 原子核外的电子像云雾一样笼罩在原子核周围，故称电子云B. s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动C. p能级的原子轨道呈纺锤形，随着能层的增加，p能级原子轨道数目增多D. s电子的原子轨道和p电
12、子的原子轨道的半径都随能层序数的增大而增大【答案】D【解析】A.电子云是电子在原子核外空间一定范围内出现的概率密度分布的形象化描述，事实上电子云是不存在的，故A错误；B.s能级的原子轨道呈球形，是因为电子在该范围内出现几率大，但核外电子的运动是没有规律的，电子的运动不一定都处在球壳内，故B错误；C.任何能层的p能级都有3个原子轨道，与能层的大小无关，故C错误；D.电子的能量越高，电子在离核更远的区域出现的机会越大，电子云将向更大的空间扩展，原子轨道半径会逐渐增大，故D正确。2. 有关描述错误的是( )A. 核外电子质量很小，在原子核外绕核作高速运动B. 核外电子的运动规律与普通物体不同，不能用牛顿运动定律来解释C. 在电子云轮廓图中，p轨道为球形。D. 在电子云示意图中，小黑点越密表示电子在核外空间单位体积内电子出现的概率越大【答案】C【解析】A.电子的质量很小，是原子核质量的11836，在原子核外作高速运动，且运动不规则，故A正确；B.原子核外电子运动不规则，所以不能用牛顿运动定律来解释，故B正确；C.在电子云轮廓图中，p轨道为哑铃形，故C错误；D.在电子云示意图中，通常用小黑点来表示电子在该点的出现几率，密的区域表示电子出现的几率大、疏的区域表示电子出现的几率小，故D正确； 9 / 9
