Строение атома. Опыт Резерфорда
11 класс
Тип урока: урок
изучения нового материала.
Вид урока: урок-конференция,
урок лекция.
Цель урока: Через
анализ фундаментальных исторических опытов подвести учащихся к пониманию
квантовой природы атомной системы. Расширить знания учащихся по теме, доказать
ядерную модель атома с помощью опытов Резерфорда, показать недостатки данной
модели. (слайд 2)
Задачи:
Обучающие: познакомить
учащихся с историей развития взглядов на строение атома, синтез со знаниями,
полученными на уроках физики и химии, необходимыми для формирования целостного
представления об атоме.
Развивающие: на
примере истории развития научных представлений о строении атома формировать у
учащихся научное мировоззрение, умение выделить и описать физические явления,
показать роль крупных ученых в развитии науки, строить гипотезу, способствовать
развитию знаний об атоме, пробудить у учащихся интерес к научно-популярной
литературе, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений. Продолжать
формировать умение самостоятельно работать с различными источниками информации,
обобщать материал. Развивать интеллектуальные и творческие способности
учащихся.
Воспитательные:
развитие навыков коллективной работы; развитие навыков культуры общения;
воспитание основ нравственного самосознания; толерантного отношения друг к
другу; умение излагать свою точку зрения и отстаивать свою правоту, строить
монологическую речь. Показать значение опытных фактов для доказательства
научных гипотез.
План урока:
1. Организационный момент.
2. Актуализация знаний.
3. Изложение нового материала.
4. Отработка изученного материала.
5. Подведение итогов. Рефлексия. Домашнее
задание.
Ход
урока
1. Организационный момент.
Проблема строения атома остается актуальной и
для современной науки. Элементарные частицы, ядро атома, атом, молекула – все
это объекты микромира, не наблюдаемого нами. В нем действуют иные законы, чем в
макромире, объекты которого мы можем наблюдать или непосредственно, или с
помощью приборов. Задача нашего урока – совершить экскурс в историю развития
взглядов на строение атома, начиная с древних времен до начала 20-го века,
познакомить с фундаментальными экспериментальными и теоретическими работами
конца 19-го века – начала 20-го века, которые перевернули представления об
атоме и привели к созданию новой квантовой модели атома.
2. Актуализация знаний: (слайд 3)
- Как мы узнаем о строении вещества?
- Каково строение атома?
- Как можно узнать о строении атома?
- Имеет ли ядро атома внутреннюю структуру?
- Что такое электрон?
- Входят ли электроны в состав ядра?
- Что вам известно о строении вещества?
3. Изложение нового материала.
Учитель физики.
Сегодня на уроке мы
должны доказать сложное внутреннее строение одной очень маленькой частички
- атома. Слово “атом ” придумал очень давно, более 2500 лет назад,
древнегреческий философ Демокрит. С греческого слово “атом” переводится как
“неделимый”. Так ли это? (слайд 4)
В истории развития
физики одна из самых интересных и увлекательных страниц – это история открытия
сложного строения атома. В конце XIX- начале XX в. идеи о строении атома
витали в воздухе, различные догадки ученых создавали духовную атмосферу, в
которой, в конце концов, и рождалось открытие, ведь в то время ничего о
внутреннем строении атома не было известно.
Позиция Демокрита:
«Существует предел деления – атом».
Позиция Аристотеля:
«Делимость вещества бесконечна».
Сообщение
ученика 1:
Гипотеза о
существовании атомов так же стара, как и наша цивилизация. Понятие атома
существует уже по крайней мере 25 столетий.
- Демокрит
(460-370 гг. до н.э.). Демокрит происходил из
богатого и знаменитого рода в Северной Греции. Все доставшиеся ему в
наследство деньги он потратил на путешествия. За это его осудили: по
греческим законам растрата отцовского имущества являлась серьезным преступлением.
Но он был оправдан, так как ему удалось доказать, что в своих путешествиях
он приобрел обширные знания. В конечном счете, горожане признали Демокрита
мудрецом и выделили денежное содержание, которое позволило ему продолжать
научные занятия.
Основные
элементы его картины природы таковы:
- Все тела состоят
из атомов, которые неделимы и имеют неизменную форму.
- Число атомов
бесконечно, число различных типов атомов тоже бесконечно.
- Атомы обладают
различными выступами, углублениями и крючками, позволяющими им сцепляться друг
с другом и тем самым образовывать устойчивые соединения.
Философ был
настолько убежденным атомистом, что даже человеческую душу представлял в виде
комбинации атомов.
- В России идеи о мельчайших частицах вещества развивал Михаил Васильевич
Ломоносов (1711-1765).
Различая два вида
частиц материи, он дает им названия “элементы” (равные понятию “атом”) и
“корпускулы” (равные понятию “молекула”). По Ломоносову,
“элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших частиц”,
а “корпускула есть собрание элементов в одну небольшую массу”.
- Английский ученый
Джон Дальтон (1766-1844) впервые предпринял попытку количественного
описания свойств атомов. Именно им было введено понятие атомной массы и
составлена первая таблица относительных атомных масс различных химических
элементов. При этом атом представляется как мельчайшая неделимая, то есть
бесструктурная, частица вещества.
К концу 90-х годов
19 века появляются неопровержимые факты, свидетельствующие о сложном строении
атома. Наиболее серьезный удар по привычным представлениям об атомах нанесло открытие
электрона, частицы входящей в состав атома, было установлено, что в
состав вещества входят отрицательно и положительно заряженные частицы.
Особенную роль в этом сыграло открытие катодных лучей и изучение их свойств.
Сообщение
ученика 2:
(слайд 6) Чтобы
определить природу катодных лучей, английский физик Джозеф Джон Томсон
(1856-1940) проводит эксперимент, в ходе которого обнаружил, что катодные
лучи ведут себя как отрицательно заряженные частицы: “Поскольку катодные лучи
несут отрицательный заряд, отклоняются под действием электростатической силы,
как если бы они были отрицательно заряженными, и реагируют на магнитную силу
точно так же, как реагировали бы на неё отрицательно заряженные тела,
двигавшиеся вдоль линии распространения лучей, я не могу не прийти к
заключению, что катодные лучи суть заряды отрицательного электричества,
переносимые частицами материи. Тогда встаёт вопрос: что это за частицы?
Являются ли они атомами, молекулами или материей в более тонком состоянии
разделения? С целью пролить некоторый свет на этот вопрос я провёл целый ряд
измерений отношений массы этих частиц к величине заряда, переносимого ими”.
Так открыли первую
элементарную частицу с массой 9,1 • 10-31 кг и с наименьшей величиной
электрического заряда. В дальнейшем она получила название "электрон".
30 апреля 1897 г., когда Джозеф Джон Томсон доложил о своих
исследованиях, считается “днём рождения” электрона.
После открытия в
1897 году электрона, входящего в состав атома, был сделан вывод о сложном
строении атома. Первая достаточно разработанная модель атома была
предложена Томсоном. Согласно этой модели вещество в атоме несет
положительный заряд и равномерно заполняет весь объем атома. Электроны
“вкраплены” в атом, словно изюм в булку. (слайд 7)
Сообщение
ученика 3:
Конкретные
представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о
свойствах вещества. (слайд 5)
1897 г - Дж.
Дж. Томсон доказал существование электрона,
измерил его заряд и массу.
1897 г - В.
Вебер впервые высказал мысль об электронном
строении атома (электроны входят в состав атома).
1905 г - Ф.
Линдеман утверждал, что атом кислорода имеет форму
кольца, а атом серы - форму лепешки.
1903-1904 гг -
Дж. Дж. Томсон предложил модель атома в виде
положительно заряженного шара, в котором “плавают” электроны.
Учитель физики:
Модель Томсона
нуждалась в экспериментальной проверке. (слайд 8) Этой задачей занялся Эрнест
Резерфорд (1871-1937 гг.) – английский ученый, известный своими
исследованиями строения атома и радиоактивности, один из создателей атомной и
ядерной физики. Резерфорд был членом Лондонского королевского общества –
академии наук Англии, почетным членом более 30 академий и научных обществ разных
стран мира, в том числе Академии наук СССР. В 1908 году он был лауреатом
Нобелевской премии за исследования радиоактивности.
В лаборатории
Резерфорда были проведены следующие эксперименты (слайд ). В качестве
бомбардирующих частиц взяли тяжелые частицы, которые лучше всего подходили для
изучения строения атома. Чтобы, по возможности, точнее исследовать единичные
столкновения частиц с атомами мишени, было желательно, чтобы сама мишень была
как можно тоньше. К счастью, золотая фольга обладает тем замечательным
свойством, что путем расплющивания ее можно сделать исключительно тонкой,
толщиной всего лишь в 400 атомов золота.
В ранних
экспериментах исследовались малые углы рассеяния и было обнаружено, что
практически все частицы проходили через мишень, не отклоняясь, как если бы
атомы мишени были совершенно прозрачны для бомбардирующих частиц (угол
отклонения порядка одного градуса).
Затем молодому
сотруднику Марсдену было поручено выяснить вопрос о том, могут ли частицы
рассеиваться на большие углы? И вот в 1909 году наступил тот зимний день, когда
Марсден остановил на университетской лестнице Резерфорда и совсем буднично
произнес:”Вы были правы, профессор: они возвращаются…” (Позже Резерфорд
вспоминал: “Это было самым невероятным событием в моей жизни. Оно было столь же
невероятным, как если бы 15-дюймовый снаряд, выпущенный в кусок папиросной
бумаги, отскочил от нее и ударил бы в стреляющего”). “Они” возвращались редко:
в среднем одна частица из восьми тысяч. Отражение от мишени означало, что
частица встретила на пути достойную преграду – массивную и положительно
заряженную: только такая может с силой оттолкнуть от себя прилетевшую гостью.
Редкость события говорила о крайне малых размерах преграды. И потому,
пронизывая атомы мишени, лишь немногие частицы попадают в массивную атомную
сердцевину. Подавляющее большинство пролетает в отдалении от нее и рассеивается
на малые углы. Альфа-частицы от радиоактивного источника, пройдя через
диафрагму, попадают на тонкую фольгу из золота. Она имеет толщину около микрона,
т.е. состоит приблизительно из 3000 атомных слоев. Большая часть альфа-частиц
легко проходит через фольгу, мало отклоняясь. Но некоторые, редкие
альфа-частицы отклоняются на значительные углы и даже на углы, близкие к 180°,
т.е. отбрасываются назад.
Вопрос учащимся:
Как можно объяснить результаты опытов?
Ответ: Результаты опыта можно объяснить следующим образом. Альфа-частицы,
проходя через фольгу, проходят сквозь атомы золота. Это возможно потому, что
легкие электроны почти не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Так как
альфа-частицы в большинстве случаев отклоняются на малые углы, атом в большей
части своего объема пустой и лишь небольшую их часть занимает положительный
заряд. Эта центральная часть атома получила название ядра. Из опытов следует,
что ядро и отталкивает альфа-частицу, причем тем сильнее, чем ближе к ядру она
проходит.
Учитель физики:
По соотношению
между общим числом частиц и числом отклонившихся на определенные углы частиц
рассчитывается размер ядра и заряд ядра. Оказалось, что радиус ядра имеет
порядок 10- 12 см (10- 14 м). Заряд же ядра положителен и определяется формулой
q = Z*e, где Z - порядковый номер элемента в периодической системе, а е -
модуль заряда электрона.
Однако,
ядерная модель атома оказалась в противоречии с классической физикой.
Противоречие 1. Согласно теории Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд должен
непрерывно излучать электромагнитные волны. Электроны, обращающиеся вокруг
ядра, движутся с центростремительным ускорением и, следовательно, согласно
максвелловской электродинамике, должны непрерывно излучать электромагнитные
волны. Но в нормальном состоянии атомы не излучают!
Противоречие 2. Повседневный опыт свидетельствует об устойчивости атомов. Но
благодаря излучению электромагнитных волн энергия электронов должна непрерывно
уменьшаться и они должны приближаться к ядру и в конце концов “упасть” на него.
Расчеты показывают, что процесс “падения” электронов на ядро должен завершиться
за время, равное 10-8 с.
Таким образом,
факт длительного существования атомов несовместим с планетарной моделью атома
Резерфорда, если ее рассматривать с позиции классической электродинамики.
- В конце 19 века
большие успехи были достигнуты в изучении линейчатых спектров вообще и
линейчатого спектра водорода в особенности. Внимательный анализ спектра
водорода позволил в 1885 г учителю физики одной из швейцарских школ И.
Бальмеру установить, что частоты линий в видимой части спектра
водорода могут быть вычислены по формуле, которая получила позднее
название формулы Бальмера. Ядерная модель Резерфорда не могла объяснить
этих спектральных закономерностей.
- В 1913 году
датский физик Нильс Бор предпринял попытку
создания качественно новой модели атома, но это тема следующего урока.
4. Отработка изученного материала.
А пока давайте
вспомним, о чем мы говорили сегодня на уроке.
1. В чём заключается сущность модели Томсона?
2. В чём заключалась идея опыта Резерфорда?
3. Объясните по схеме опыт Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц.
4. Объясните причину рассеивания альфа-частиц атомами вещества.
5. В чём сущность планетарной модели атома?
6. В чем противоречивость модели атома Резерфорда?
Вам предлагается выполнить тест по
изученному материалу:
1. В атоме кремния 14 электронов. Выберите правильное утверждение.
А. В ядре атома
кремния 14 частиц.
Б. В ядре атома
кремния 14 протонов.
В. Масса
положительного иона кремния больше массы атома кремния.
Г. Среди
утверждений нет правильного.
2. Существуют ли атомные ядра с зарядом меньшим, чем у одного протона?
Почему?
3. Является ли нейтральным атом гелия, если вокруг его ядра обращается
один электрон?
4. В ядре атом серебра 107 частиц. Вокруг ядра обращаются 47 электронов.
Сколько в ядре
этого атома нейтронов и протонов?
5. В результате трения стеклянной палочки о шёлк ей сообщён положительный
заряд.
Объясните, все ли атомы, из которых состоит заряженная палочка,
нейтральны. Почему?
Изменилась ли масса стеклянной палочки после сообщения ей
положительного заряда? Как?
Почему?
5. Выводы.
Домашнее задание.
ЛИТЕРАТУРА
Мощанский В.Н., Савелова Е.В. История физики в
средней школе.М.,Просвещение,1981.
Физический энциклопедический словарь. М.,
Советская энциклопедия,1984.
Храмов Ю.А. Физики, биографический справочник.
М., Наука,1983.
Бублейников Ф.Д., Веселовский И. Н., Физика и
опыт. М, Просвещение, 1970.
Большая Российская энциклопедия. М. Научное
издательство, Большая Российская энциклопедия, 2005.
Марио Льоцци. История физики. М., Мир,1970.,
Мякишев Г.Я , Буховцев Б.Б. Физика 11 класс М.Просвещение
2003г
Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 11 класс, М.
Илекса 2006г.
Шахмаев Н.М., Шахмаев С.Н., Шодиев Д.Ш. Физика
11 класс, М.Просвещение 1998г.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.