Разработка урока по теме:

«Доказательство существования структуры атома. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора»

Цели урока.

Образовательная: закрепить знания учащихся о моделях строения атома, расширить знания о строении атома, ознакомить с постулатами Бора, раскрыть их сущность, продолжить отработку умения решать задачи, определить уровень усвоения знаний о моделях атома и постулатах Бора.

Развивающая: продолжить развитие логического мышления учащихся, умения выделять главное, сравнивать, анализировать результаты, делать выводы; учить грамотно и аргументировано излагать свои мысли.

Воспитательная: формирование научного мировоззрения, интереса к знаниям, трудолюбия, воспитывать аккуратность при выполнении записей на доске и в тетради.

Тип урока – комбинированный.

Ход урока.

1.Организационный момент.

2.Постановка цели занятия перед учащимися.

Мы начинаем изучение нового раздела «Физика атома».

Мир сложен,он полон событий, сомнений

И тайн бесконечных,и смелых догадок.

Как чудо природы является гений

И в хаосе этом находит порядок.

Много проблем ставит перед нами жизнь. Одни из них решаются очень легко. Над другими бьются несколько поколений ученых.

Казалось бы, почти детский вопрос «Как устроен атом?». А ответ на него люди искали свыше двух тысячелетий.

Сегодня нам предстоит ознакомиться с историей формирования представлений о строении и свойствах атома всего за два урока.

3.Повторение и изучение нового материала.

Начнем с сообщений, которые вы подготовили. Внимательно следите за ходом урока. В рабочих листах отмечайте рассмотренные нами вопросы.

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицахвещества возникло еще в античные времена.

Сообщение 1.

Легенда рассказывает, что однажды Демокрит, сидя на камне у - моря, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я сей­час это яблоко разрежу пополам, то у меня останется половина яблока. Если я затем эту половинку снова раз­режу на две части, то останется четверть яблока, но если я и дальше буду продолжать такое деление, всегда ли у меня в руке будет оставаться 1/8, 1/16 и т.д. часть яблока? Или же в какой-то момент очередное деление при­ведет к тому, что оставшаяся часть уже не будет обладать свойствами яблока?»

Демокрит пришел к выводу, что предел такого деле­ния существует, и назвал эту последнюю, уже недели­мую частицу атом - [атомос] - неделимый, - а свои мысли изложил в книге «Малый диакосмос». Вду­майтесь, это написано более 2000 лет назад: «Начало все­ленной—атомы и пустота. Миров бесчисленное множе­ство. Ничего не возникает из небытия, не исчезает в не­бытие. Атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Последнее – суть соединения некоторых атомов. Атомы же неизменяемы вследствие твердости».

Учитель: Со времен Демокрита немало людей были убеждены, что все тела состоят из атомов. Прошли столетия.

Сообщение 2.

В 1665 г английский физик Исаак Ньютон при помощи призмы разло­жил белый свет в радужную полоску - спектр. Впослед­ствии его соотечественник Томас Юнг выяснил, что каж­дому цвету спектра соответствует своя длина волны из­лучения.

В 1804 г Джон Дальтон учитель математики и философии в городе Манчестере сформулировал понятие о химическом элементе: вещество, которое состоит из атомов одного типа.

Трудами ученых на конец ХVIII века была доказана реальность существования атомов. Но вопрос об их внутреннем устройстве даже не возникал. Атомы по-прежнему считались неделимыми частицами.

В Х1Х веке учение атомистического строения вещества существенно продвинулось вперед.

Сообщение 3.

Первые экспериментальные результаты, из которых можно было сделать вывод о существовании внутри атомов электри­ческих зарядов, были получены Майклом Фарадеем в 1833 г. при изучении электролиза. Фарадей установил, что элект­рический ток в растворе электролита — это упорядоченное движение ионов; на один ион любого одновалентного химиче­ского элемента в среднем приходится одинаковый электриче­ский заряд. Минимальный заряд иона назвали элементар­ным электрическим зарядом, его приближенное значение равно: е= 1,60∙10 ^-19Кл.

В опытах Фарадея не измерялись заряды отдельных ионов, поэтому утверждение о существовании внутри атомов положительных и отрицательных элементарных электриче­ских зарядов долгое время оставалось только гипотезой.

Сообщение 4.

Немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф в 1859 году, изучая спектры излучения и поглощения, сделал вывод, что причину и объяснение спектров надо искать в свойствах атомов.

Йозеф Лошмидт преподаватель физики Венского университета, в 1865 г. нашел, что размеры всех атомов примерно одинаковы и приближенно равны 10 ^-10 м, т.е. 0,00000001 см, а масса атома водорода примерно равна 10 ^-24 г.

Открытие Дмит­рием Ивановичем Менделеевым в 1869 г. периодического закона поставило перед физикой вопрос о причинах повторяе­мости химических свойств элементов, расположенных в поряд­ке возрастания атомной массы. Естественно было предполо­жить, что увеличение массы атомов обусловлено увеличением числа частиц, входящих в их состав. Периодическую повторяе­мость химических свойств элементов в таблице Д. И. Менде­леева можно рассматривать как свидетельство периодической повторяемости основных особенностей внутренней структуры атомов по мере увеличения числа частиц, входящих в их со­став. Физикам предстояло выяснить, из каких частиц состоят атомы химических элементов, объяснить основные химиче­ские свойства атомов на основе сведений об их внутренней структуре и законах взаимодействия частей атомов.

Учитель: Еще одним доказательством сложности атомов явилось явление радиоактивности.

Сообщение 5.

В 1896 г. фран­цузский физик Анри Беккерель, производя опыты с солями урана, обнаружил, что атомы урана испускают невидимые глазом излучения, способные проникать через бумагу или картон и вызывать почернение фотографической пластины, ионизировать воздух. Явление испускания атомами невиди­мых проникающих излучений назвали радиоактивностью (от лат. radius— луч).

Польский физик Мария Склодовская-Кюри и француз­ский физик Пьер Кюри установили, что радиоактивные излу­чения испускаются не только атомами урана, но и атомами некоторых других элементов. По радиоактивному излучению ими были открыты два неизвестных ранее химических эле­мента — радий и полоний.

Исследования радиоактивности показали, что радиоактив­ные вещества испускают три вида излучений различной фи­зической природы. Эти излучения были названы альфа-, бета- и гамма-лучами. Альфа-лучи оказались потоком ионов гелия, бета-лучи — потоком электронов, гамма-лучи – пото­ком квантов электромагнитного излучения с очень малой дли­ной волны – порядка 10 ^-11–10 ^-13 м.

Учитель:

Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В. Вебером в 1896 г., развил X. Лоренц. Именно он создал электронную теорию: электроны входят в состав атома.

Опираясь на эти открытия, Томсон в 1903 году предложил модель атома.

Кто помнит, что она представляла собой?

Ученик: Томсон предположил, что атом имеет форму шара; положительный заряд распределен равномерно по всему объему этого шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него. Радиус атома 10^-10м. Атом нейтрален.

Учитель:

Но эта модель противоречила известным уже к тому времени свойствам атома, главным из которых являлась устойчивость. Но чем она была привлекательна?

Ученик:

Она предполагала наличие электронов в атоме.

Учитель: А кто впервые измерил заряд и массу электрона?

Ученик:

Электрический заряд отдельных электронов впервые из­мерил американский физик Роберт Милликен в 1909 г. За­ряд у всех электронов оказался равным по модулю значению элементарного заряда, полученному в опытах по электроли­зу. Масса электрона оказалась примерно в 2000 раз меньше массы самого легкого атома – атома водорода. Она примерно равна т_е = 9,11∙10 ^-31кг.

Учитель: Итак, модель атома построена. Что дальше?

Ученик: Необходимо проверить ее с помощью эксперимента.

Учитель: Кто же был тот гений, который открыл тайну строения атома?

Ученик: Ученик Томсона Резерфорд.

Учитель: Представим себя на месте Резерфорда. Что нам было бы необходимо проверить в предложенной Томсоном модели атома?

Ученик: Как распределен внутри атома + заряд и где в атоме расположены электроны.

Учитель: Это будет цель нашего опыта. Но для ее реализации надо проникнуть внутрь атома. Разве это возможно?

Ученик: Нужны частицы таких же или меньших размеров.

Учитель: Какие частицы вы выбрали бы в качестве снарядов для проникновения в атом? Обоснуйте свой выбор.

Ученик 1: Частицы должны быть заряжены, ведь нам надо узнать, как внутри атома расположен + заряд.

Ученик 2: Из известных во времена Резерфорда частиц подойдут α-частицы, так  они + заряжены и имеют массу гораздо большую, чем масса электрона.

Учитель: Сравните массу α-частицы и электрона.

Учащиеся рассчитывают:

Делают вывод: масса α-частицы превосходит массу электрона более, чем в 7000 раз.

Учитель: То есть нам нужны α-частицы. Как их можно получить.

Ученик: Нам известен факт, что α-частицы испускаются радиоактивными элементами, например, радием.

Учитель: α-частицы есть. Что еще нам понадобиться для опыта?

Ученик: Экран, который бы регистрировал α-частицы.

Учитель: При проведении опыта обычно проводят измерения. Какие бы вы провели измерения?

Ученик: Подсчитать количество α-частиц, которые не испытывали взаимодействия с атомами и которые отклонялись на различные углы.

Учитель: Именно так рассуждал Резерфорд. Посмотрим опыт Резерфорда и вспомним, какие выводы он сделал на основании своего опыта. (Просмотр фильма)

1 - свинцовый контейнер

2 - крупицу радия

3 - узкий пучок альфа-частиц

4 - тонкая металли­ческая фольга

5 - экран, покрытый слоем кристаллов

сульфида цинка, способных светиться под

уда­рами быстрых заряженных частиц

6 – микроскоп

                                                                       7 – глаз

Учитель: Вспомним цель нашего опыта: определить, как распределен внутри атома + заряд и где в атоме расположены электроны. Какие выводы мы можем сделать?

Ученик: + заряд не распределен равномерно в шаре радиусом 10^-10м, а сосредоточен в центральной части атома в области значительно меньших размеров – в ядре, где сосредоточена почти вся масса атома, о чем свидетельствует тот факт, что лишь небольшая часть α –частиц отклонялась на большие углы, тем самым встречая на своем пути массивные + заряженные частицы. Но из-за малых размеров ядра (10^-15м, что в 100000 раз меньше размеров атома) такие встречи происходили весьма редко.

Учитель: Где же в атоме находятся электроны, и чем занято остальное пространство?

Ученик: Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Как вокруг Солнца на большом расстоянии от него обращаются планеты, так вокруг ядра в атоме обращаются электроны. Модель атома Резерфорда была названа планетарной. Радиус орбиты самого удаленного от ядра электрона и есть радиус атома. Внутри атом оказался пустым.

Учитель: Давайте проведем некоторые расчеты, доказывающие, что атом не является сплошным.

По данным рентгеноструктурного анализа расстояние между центрами атомов золота

2,5∙10^-10м. Толщина фольги 0,4 мкм. Сколько слоев атомов содержит фольга?

Дано:                         Решение:

d=2,5∙10^-10м           

а=0,4∙10^-6м             N= =  = 1600

N=?

Вывод: α-частицы пролетают через тысячи атомови не взаимодействуют с ними. Следовательно, атом не является сплошным.

4.Обобщение изучаемого на уроке и введение его в систему ранее усвоенных знаний.

Учитель: Подведем итоги. Что собой представляет атом согласно планетарной модели атома?

Ученик:

1.       Атом состоит из + заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Размер ядра 10^-15м, Размер атома 10^-10м.

2.       Вокруг ядра обращаются электроны.

3.       Атом нейтрален. Заряд ядра равен модулю суммарного заряда всех электронов.

q_я = Ze, где Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева.

Учитель: Однако атомные системы отличаются от планетных си­стем физической природой сил.

Какие силы удерживают планеты и электроны на их орбитах?

Ученик: планеты притягиваются к звездам силами всемирного тяготения, а между электроном и атомным ядром действуют силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов и силы гравитационного притяжения.

Учитель: Сравним силы гравитационного притяжения между электроном и атомным ядром с электромагнитными. Решим для этого 1 задачу упражнения 66.

1.Докажите, что в атоме водорода силы гравитационного взаимо­действия много меньше кулоновского взаимодействия и ими можно пре­небречь.

Какими законам воспользуемся для решения задачи?

Ученик: Законом Кулона и законом всемирного тяготения.

Какой вывод можно сделать, исходя из полученного значения?

Ученик: Силы гравитационного притяжения между электроном и атомным ядром ничтожно малы по сравнению с электромагнитными и ими можно пренебречь.

Учитель: В следующей задаче рассчитаем скорость и частоту обращения электрона в атоме водорода.

2. Считая радиус атома водорода равным 5,3∙10^-11 м, определите скорость и частоту обращения электрона согласно планетарной модели атома.

Сравним скорость обращения электрона на орбите и скорость света в вакууме.

Выводы:

1.Электрон на орбите не является релятивистской частицей.

2. Частота вращения электрона по орбите настолько велика,что практически невозможно зафиксировать его положение в пространстве в данный момент времени.

4.Определите кинетическую, потенциальную и полную энергию электрона на орбите радиусом 5,3∙10^-11м.

Вывод: полная энергия электрона может быть равной нулю.

Обобщим все выводы, которые мы сделали при решении задач: (Запись в тетрадях)

1.Гравитационным взаимодействием между электронами и ядром в атоме можно пренебречь.

2. Частота вращения электрона по орбите настолько велика, что практически невозможно зафиксировать его положение в пространстве в данный момент времени.

3. Электрон на орбите не является релятивистской частицей.

4. Полная энергия электрона может быть равной нулю.

5.Изучение нового материала.

Учитель: Планетарная модель атома хорошо объясняла процесс рассеяния α-частиц, но у нее были недостатки.

1.Электроны, движущиеся с ускорением вокруг ядра, излучают волны и теряют энергию, следовательно, они должны упасть на ядро.

2. Спектры, излучаемые такими атомами, сплошные, а уже в конце 19 века было известно, что спектры атомов линейчатые. (Просмотр фильма)

Первый шаг на пути разрешения противоречий между те­орией и результатами эксперимента в физике атома был сделан в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором. Свои представления о меха­низме излучения и поглощения света атомом  он сформулировал в виде двух постулатов.

В тетрадях запишите тему «Квантовые постулаты Бора».

1913 г. датский физик Нильс Бор.

1(постулат стационарных состояний): Атомная система может находиться только в особых стационарных квантовых со­стояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Е_п. В стационарном состоянии атом не излучает.

Физическая сущность постулата: промежуточных значений энергий, заключенных между Е₁ и Е₂, Е₂ и Е₃ и т.д. никогда не бывает.

Значения энергий, которые может иметь атом, называются разрешенными энергетическими уровнями, а промежуточные между ними значения – запрещенными энергетическими уровнями.

Атому нельзя сообщить энергию или отнять ее от него иначе как процессом, переводящим атом из одного стационарного состояния в другое. (Просмотр фильма)

2.При переходе атома из стационарного состояния с боль­шей энергией E_m в стацио­нарное состояние с меньшей энергией Е_п излучается квант энергии:

hν = E_m–E_n , частота которого ν =

Этот процесс происходит мгновенно скачком.

Для наглядного представления возможных энергетиче­ских состояний атомов используются энергетические диа­граммы, на которых каждое стационарное состояние атома отмечается горизонтальной линией, называемой энергети­ческим уровнем. Все стационарные состояния, кроме одно­го, являются стационарными лишь условно. Бесконечно дол­го каждый атом может находиться только в стационарном состоянии с минимальной энергией Е₁,. Это состояние атома

называется основным или нормальным состоянием. Все остальные стационарные состояния атома с энергиями Е₂, Е₃, ..., Е_п называются возбужденными состоя­ниями (рис.). Ниже всех остальных на диаграмме располагается энергетиче­ский уровень основного состояния атома, энергетические уровни возбужденных со­стояний располагаются над основным уровнем на расстояниях, пропорциональ­ных разности энергий возбужденного и основного состояний. Переходы атома из одного состояния в другое изображаются вертикальными линиями между соответствующими уровнями на диаграмме энергий, направление перехода обозначается стрелкой.

В результате соударения с другим ато­мом, с любой заряженной частицей или при поглощении фотона атом может перейти из стационарного состояния с меньшей энер­гией в стационарное состояние с большей энергией. Из любого возбужденного состояния атом самопро­извольно переходит в основное состояние или в другое воз­бужденное состояние с меньшей энергией. Такой переход со­провождается излучением фотона. Время жизни атомов в воз­бужденных состояниях обычно не превышает 10^-7—10^-9 с. (Просмотр фильма)

Основное изменение, внесенное в физику атома постулата­ми Бора, заключалось в отказе от представлений о непрерыв­ности изменения всех физических величин и в принятии идеи квантования значений физических величин, которыми описывается внутреннее состояние атома. Теория Бора блестяще объяснила излучение и поглощение света атомом водорода.

6.Организация усвоения нового материала путем воспроизведения информации и выполнения упражнений по образцу.

А сейчас применим знания, полученные на уроке для решения задач.

1.Рымкевич №1172. При облучении атом водорода перешел из первого энергетического состояния в третье. При возвраще­нии в исходное состояние он сначала перешел из третьего во второе, а затем из второго в первое. Сравнить энергии фотонов, поглощенных и излученных атомом.

2.Рымкевич №117. При переходе атома водорода из четвертого энергетического состояния во второе излучаются фотоны с энергией 2,55 эВ (зеленая линия водородного спектра). Определить длину волны этой линии спектра.

3. Рымкевич №117. При облучении паров ртути электронами энергия атома ртути увеличивается на 4,9 эВ. Какова дли­на волны излучения, которое испускают атомы ртути при переходе в невозбужденное состояние?

Пинский 61.1. На рисунке 7.7 представлена энергетическая диаграмма состоя­ний атома. Стрелками на диаграмме указаны переходы с излучением или поглощением фотонов. При каком из обозначенных на рисунке переходов происходит поглощение фотонов с максимальной энергией? Какой из пе­реходов сопровождается излучением фотонов с минимальной частотой?

61.2.По рисунку 7.7 найдите переход с излучением фотонов с макси­мальной энергией и переход с поглощением света с максимальной длиной волны.

7.Контроль результатов учебной деятельности.

Учащимся предлагается тест по теме «Строение атома» на два варианта.

8. Подведение итогов урока. Оценка знаний.

9. Домашнее задание к следующему уроку.