1、备课资料1.“中子不带电，电子带一个单位的负电荷”的说法正确吗？在20世纪50年代前，科学界普遍认为“中子是不带电的粒子”，但近年来科学家通过高能物理实验发现，中子并不是完全不带电荷，而是其所带负电荷与正电荷的电量相等，电性相反，刚好抵消，所以中子呈电中性。中子不带电的说法不科学。科学家们发现不仅有带负电荷的负电子，还有带正电荷的正电子。负电子和正电子的质量相等，所带的电荷量也相等，但电性恰好相反。所以，我们所说的电子实际上是负电子，因此“电子带一个单位的负电荷”的说法应该改成“带一个负电荷的电子”。2.探索原子世界世界万物是由什么组成的？古希腊学者认为，土、气、火、水这四种元素是万物组成的本
2、源，这叫“元素说”。对“元素说”持不同意见的古希腊学者德谟克利特认为，宇宙万物只有一种起源，那是一种极微小的颗粒，它小到不能再分割了，德谟克利特给它取了个名字原子（这个名字的希腊原文意即不可再分割）。于是“原子论”与“元素说”展开了一场大辩论，辩论的结果是元素说胜利了。原子论为什么会失败呢？说来也不奇怪，水、火、土、木这些元素即使在古代都是随处可见的，人们看得见、摸得着。然而，原子是什么东西呢？有谁看到过原子吗？相比之下，元素说比原子论更直观、更实在，因此，在“世界是由什么组成的”这样一个哲学问题的争论中，元素说占了上风，而且统治了学术界达2000年之久。18世纪中叶，化学家们发现水可以分解为
3、氢和氧，而且，人们从不同的“土”（矿石）中炼出铜、铁、金、银等许多金属。由此看来，古希腊学者提出的4种元素都不是最简单的东西。随着发现的元素越来越多，一个问题很自然地被提出来了：这么多元素是不是由更简单的东西所组成的？攻克这个难题的是英国化学家道尔顿。道尔顿在研究中发现了倍比定律，并在此基础上提出了原子论：（1）一切物质都是由不可见的、不可再分割的原子组成。原子不能自生自灭。（2）同种类的原子在质量、形状和性质上都完全相同，不同种类的原子则不同。（3）每一种物质都是由它自己的原子组成的。单质是由简单原子组成的，化合物是由复杂原子组成的（即我们现在所说的分子），而复杂原子又是由为数不多的简单原子
4、所组成。复杂原子的质量等于组成它的简单原子的质量的总和。在道尔顿的原子学说中，原子是元素的最小单元，它们是不可再分割的。原子真的是不可再分割的微小粒子吗？这个观点在19世纪末受到了严重的挑战。19世纪末生产技术的发展，已有可能借助于实验观察电子的行踪。1896年剑桥大学著名的卡文迪许实验室年轻有为的主任汤姆生用一只特制的阴极射线管进行了一项实验。他利用实验结果和物理学知识算出了电子的荷质比（电子所带电荷的量e与它的质量m的比值e/m），并推算出电子的质量应是氢原子质量的1/1836。由此，汤姆生揭开了原子世界神秘的面纱。他本人也因为发现电子而荣获1906年度的诺贝尔物理学奖。汤姆生根据自己的实
5、验结果，同时借鉴了别的科学家的研究成果，给原子世界描绘了这样一幅图像：原子里充满了带正电的液体，电子都浸在这种“正电液”中，就像葡萄干点缀在一个蛋糕里。电子所带负电荷的总和与“正电液”所带正电荷的总和，在数值上相等，所以原子从外面看上去是中性的。谁也不曾想到，汤姆生提出的如此美妙的“葡萄干蛋糕原子模型”，会在10多年后被他的学生卢瑟福所推翻。卢瑟福是来自距离英国万里之遥的新西兰的留学生，他进入剑桥大学卡文迪许实验室后跟随汤姆生学习实验物理学，由于他勤奋好学、刻苦钻研，很快就做出了骄人的成绩。当时，已有法国科学家贝克勒尔发现原子有放射性的消息。卢瑟福和其他人经过共同努力，终于搞清楚从铀、镭、钋等
6、放射性元素的原子里放射出来的射线至少有三种、射线。卢瑟福对射线特别感兴趣。他经过深入研究射线的特点后，萌生了将粒子当作“炮弹”，把它们射进难以攻破的原子“堡垒”中去刺探情况的想法。于是，他进行了著名的散射实验，即用粒子去轰击金箔。实验的结果，促使他重新提出了一个新的原子模型：原子中有一个很重的核心（叫“原子核”），它集中了原子质量的99%，还集中了全部正电荷；至于电子，则像太阳系的行星一样分布在核心四周绕着它转。人们把卢瑟福的原子模型称为“行星模型”。卢瑟福的原子模型与当时的电磁场理论发生了矛盾。怎样解决这个矛盾，一直是当时的人们所探索的。1911年，卢瑟福的实验室里来了一位丹麦的青年物理学家
7、，他叫玻尔。玻尔原先跟随汤姆生研究金属中的电子理论，后来却一头扎进原子模型中去了。玻尔选择了最简单的原子氢原子作为他的研究对象，他想构建一个新的原子模型。他研究了氢原子的光谱线，并作了两个全新的假设。氢原子中的电子在绕原子核旋转时，只能在一些特定的轨道上运动，不能在其他轨道上运动。电子在每个稳定的轨道上运动时原子具有一定的能量，电子在不同的稳定轨道上运动原子就具有不同的能量。以氢原子为例，当电子在最里面（即半径最小）的轨道上运动时，氢原子的能量最低。我们把这个起点的能量值计作零。当电子在第二个轨道上运动时氢原子的能量就是10.29电子伏，当电子在第三、四、五、条轨道上运动时，氢原子所具有的能量
8、值分别为12.09电子伏、12.75电子伏、13.06电子伏。这些不连续的能量值组成了一系列“能级”。当电子从高能级跃迁到低能级时，它将发射出一定波长的光，这种光辐射的能量恰好等于这两个能级的能量差。再经过换算就能对应某一条氢原子光谱线的波长。利用这两个假设，玻尔解开了氢原子的光谱线之谜，成了举世闻名的原子物理学权威，并荣获1922年度的诺贝尔物理学奖。玻尔的理论虽然取得了巨大的成功，但也有不尽人意的地方。特别是他硬性规定电子只能在一些轨道上运动，不能在其他轨道上运动，显得毫无道理。奥地利物理学家薛定谔决心寻找新的规律。他从法国青年历史学家、后来改行学物理的德布罗意的思想中得到启发，经过一段时
9、间的冥思苦想，终于找到一个新的方程式。它深刻地反映出原子世界的运动规律，后来人们把它称为“薛定谔方程”。有了薛定谔方程，电子的运动行为得到了合理的解释。电子并不是只能呆在某些轨道上，而别的地方不能去。在薛定谔方程中，电子能呆在原子世界内的任何地方，只是它们出现在玻尔所说的轨道上的可能性大得多。这样一来，电子不像绕太阳运转的行星，而是像环绕在高山顶尖四周的一片云彩了。“电子云”较稠密的地方，就是电子较容易出现的地方；反之，“电子云”很稀薄的地方，就是电子很少光顾的地方。经过几代科学家近半个世纪的努力，人们终于看清楚原子世界的真相了。在这个神秘的微观世界里，占统治地位的是带正电的原子核。它占了原子
10、质量的99%以上，却只占有原子体积的万分之一还不到，可见原子里面是多么“空旷”。带负电的轻巧的电子就在这个黑洞洞的空间里运动。它们是那样的“循规蹈距”，从不去占据别人的位置，更不会跨越原子王国的“雷池”一步。对原子世界的探索大大丰富了人类的知识宝库，也把物理学推向“量子力学”（薛定谔方程就是它的重要基础）的新阶段。电子在原子核外的运动状态是相当复杂的。1个电子的运动状态取决于它所处的电子层、电子亚层、轨道的空间伸展方向和自旋状态。科学实验还告诉我们，在1个原子里，2个电子的：电子层、电子亚层、轨道的空间伸展方向和自旋状态完全相同是不可能的。这个原理叫泡利不相容原理。根据这个原理，可以知道每一轨
11、道中只能容纳2个自旋方向相反的电子，并可进一步推算出每个电子层中最多可容纳的电子数是2n2。核外电子排布遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则。能量最低原理就是在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道，也就是尽可能使体系能量最低。洪特规则是在等价轨道（相同电子层、电子亚层上的各个轨道）上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。后来量子力学证明：电子这样排布可使能量最低。所以洪特规则可以包括在能量最低原理中，作为能量最低原理的一个补充。综合能力训练题1.某金属氧化物的化学式为M2O3，一个分子的电子
12、总数为50，每个M离子含10个电子，若其中每个氧原子核内部有8个中子，M2O3的相对分子质量为102，则M原子核内的中子数为A.14B.16C.10D.21解析：本题涉及质子、中子、质量数和相对分子质量等有关知识，解题的主要依据是原子组成中的电荷关系和质量关系。M2O3中M的化合价为+3，其离子为M3+，由于每个M离子具有10个电子，故M原子中含13个电子。设M原子核内中子数为x，则有质量数102=（13+x)2+163，x=14。答案：A2.有两种气态单质Am和Bn，已知2.4 g Am和2.1 g Bn所含的原子个数相等，而分子数之比为23。A和B的原子核内质子数都等于中子数，A原子L层电
13、子数是K层电子数的3倍。（1）A、B的元素符号分别是什么？（2）Am中的m值是几？解析：本题涉及质量、物质的量、摩尔质量及粒子个数之间的关系，另有原子结构及原子核外电子排布的知识。由于涉及知识较多，解题时须做到思路清晰，心中有数。由题意可知，A为氧元素，Am为氧的单质。设B的相对原子质量为b，则有：m=n（原子个数相等）b=14B的质子数为14/2=7，即B为氮元素。由分子数比为23得：=23 nm=23即Bn为N2，Am为O3。答案：（1）A、B的元素符号分别为O和N。（2）Am中的m值为3。3.有相对原子质量均大于10的A、B两元素形成的两种化合物X和Y，已知等物质的量的X和Y的混合物的密度是相同条件下氢气的18.5倍，其中X和Y的质量比为34.4。经测定X的组成为AB，Y的组成为AnB，试通过计算确定A、B两元素的名称。解析：本题涉及混合物的平均相对分子质量的计算以及物质相对分子质量与质量、物质的量的关系。由题可知，X和Y的平均相对分子质量为18.52=37=37且=解得：M（X)=30 M(Y)=44。又因为A、B两元素的相对原子质量均大于10，X的组成为AB，且由计算所知其相对分子质量为30，可推得X为一氧化氮。同理，由Y的组成为AnB，相对分子质量为44，可推知Y为一氧化二氮。答案：A为氮 B为氧