王麗

第一階段：引入。

教師：漂亮的彩虹、精彩的煙火，科學(xué)家通過探索原子的結(jié)構(gòu)問題揭示了五顏六色的色彩秘密。正是因?yàn)殡娮釉谶\(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的這些光線，我們稱之為光譜。我們在學(xué)習(xí)中還知道很多金屬元素在火焰上灼燒時(shí)，會(huì)顯示出具有它們特征的焰色。為什么每一種金屬會(huì)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(chǎn)生類似的光譜呢？今天，我們就從最簡單的元素——?dú)湓氐墓庾V開始了解光譜、了解電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

第二階段：認(rèn)識(shí)氫原子光譜，學(xué)習(xí)從宏觀現(xiàn)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(yīng)有四條譜線，這四條譜線說明氫原子核外電子在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)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(xiàn)的？我們看一下模擬演示過程。

電子在它固定的軌道上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，是不會(huì)向外輻射能量的。請大家注意觀察：當(dāng)我們給電子提供一定的能量時(shí)，電子就會(huì)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?？墒牵娮釉诟吣芰康臓顟B(tài)時(shí)不穩(wěn)定，還會(huì)躍遷到低能量狀態(tài)。我們看到的譜線，就是電子在高能量狀態(tài)躍遷回低能量狀態(tài)時(shí)釋放出的能量。這個(gè)能量對應(yīng)一定波長的光，所以一種躍遷就對應(yīng)了一條譜線。那么，同學(xué)們可能又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問：氫原子核外只有一個(gè)電子，它為什么能產(chǎn)生多條譜線呢？而且我們截取的僅僅是氫原子在可見光區(qū)的譜線就有四條。請結(jié)合圖示分析原因。（提示：圖示中標(biāo)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(yīng)一種電子躍遷，此處標(biāo)出的四種電子躍遷就對應(yīng)上圖中的四條譜線。通過這個(gè)分析，你是否能看出它產(chǎn)生四條譜線的原因？

李磊：跳躍的電子層數(shù)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(gè)電子，但是被激發(fā)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(shí)候就輻射出了不同能量的光?？茖W(xué)家玻爾也正是依據(jù)以上實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(shù)n取值不同時(shí)，表示不同的能層，即電子層。）這就是我們要說的原子結(jié)構(gòu)量子化模型的最初說法。

第三階段：應(yīng)用科學(xué)思想，發(fā)揮思維能力和想象能力，深入學(xué)習(xí)。

教師：當(dāng)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(fā)揮想象，鈉元素的光譜圖會(huì)是怎樣的？

學(xué)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(xué)生：不一樣（不太一樣）。

教師：現(xiàn)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(xué)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(jié)果，都記錄在學(xué)案上。討論后，我們將以小組為單位匯報(bào)，要求每個(gè)組匯報(bào)的內(nèi)容不同。

學(xué)生匯報(bào)：

1組：鈉的譜線比氫的譜線多，相同頻率對應(yīng)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(xì)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(xué)們發(fā)現(xiàn)的信息都是很有價(jià)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(xué)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(huì)有這些差異？

學(xué)生以小組為單位討論，時(shí)間約2分鐘。

教師：這個(gè)環(huán)節(jié)我們稱為“猜想”環(huán)節(jié)。點(diǎn)到名字的同學(xué)說說你的猜想或看法，不怕說錯(cuò)。

王宇航：在相同的區(qū)域中，鈉的光譜與氫的光譜顏色一樣。

教師：為什么會(huì)一樣？

王宇航及其他學(xué)生：鈉的光譜中包含了氫的光譜，是因?yàn)殁c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(gè)電子，但它可以從第六層或者第五層發(fā)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(shí)變得復(fù)雜了。

張藝丹：離核越遠(yuǎn)能量越高，應(yīng)該是與能量有關(guān)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(xiàn)在電子多了，譜線復(fù)雜了，為什么會(huì)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(tài)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(gè)電子，但是它只有一個(gè)電子層嗎？

學(xué)生：不是！

教師：每個(gè)原子核外無論有幾個(gè)電子，它都有若干個(gè)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(yù)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(chǎn)生了多條譜線，那么在一層里又分出了多個(gè)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(dāng)這些電子從這些小層躍遷到同一能層時(shí)，就形成了波長相差不多的多條譜線。我的預(yù)測合理嗎？

學(xué)生：合理。

教師：通過大量的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，科學(xué)家也幫我證實(shí)了這種預(yù)測，即在一個(gè)能層中又分為若干層，并為它取名為角量子數(shù)，用l表示，當(dāng)l不同時(shí)，再結(jié)合主量子數(shù)，表示為ns、np、nd等，s、p、d也稱為能級(jí)，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(gè)電子在原子核外的能量狀態(tài)有了兩個(gè)量子數(shù)，分別是主量子數(shù)和角量子數(shù)。

第四階段：更多猜想，深化科學(xué)思維方法。

教師：有些科學(xué)家做了這樣一些光譜實(shí)驗(yàn)：我們在同一能層中的s和p能級(jí)之間，如果電子從p能級(jí)向s能級(jí)躍遷的時(shí)候應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一條譜線，但如果實(shí)驗(yàn)是在外加磁場的環(huán)境中進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)一種躍遷居然出現(xiàn)了三條或多條譜線，根據(jù)這種現(xiàn)象，我沿用同學(xué)們和科學(xué)家給我的啟發(fā)，再次預(yù)測：能級(jí)還可以再分裂，但只在有外加磁場的時(shí)候能量變得不同。我查閱資料發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家對此也早有說明，相同的能級(jí)在外加磁場的作用下能量會(huì)變得不同，用磁量子數(shù)，符號(hào)m，來描述這種差異。

教師：電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確實(shí)是非常復(fù)雜的問題，目前科學(xué)家建立的原子電子云模型中描述電子狀態(tài)的量子數(shù)有四個(gè)，除了我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)的三個(gè)量子數(shù)以外，第四個(gè)是自旋量子數(shù)，請大家利用網(wǎng)絡(luò)資料繼續(xù)自主學(xué)習(xí)自旋量子。

借助一些實(shí)驗(yàn)以及科學(xué)家給我們的啟發(fā)和經(jīng)驗(yàn)，我們初步建立了原子的量子力學(xué)模型。接下來大家可以利用網(wǎng)頁回顧今天的學(xué)習(xí)過程，也可以選擇你喜歡的其他欄目加以關(guān)注，或者查閱我們的若干猜想在科學(xué)家的研究中是否能夠找到依據(jù)。

第五階段：網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)了解更多原子結(jié)構(gòu)的信息，并發(fā)表感想。

教師：請同學(xué)們說說看了什么欄目，有什么想法？

劉宇哲等：1.對科學(xué)實(shí)驗(yàn)感覺到神奇；2.看玻爾原子模型，感嘆科學(xué)家的聰明和嚴(yán)謹(jǐn)；3.喜歡宇宙大爆炸等相關(guān)資料。

注：本課獲得“全國中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐活動(dòng)”一等獎(jiǎng)。

（作者單位：北京第十二中學(xué)）