Урок по физике на темау: «Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору.»(11 класс)

Урок №70                                                                                                                                 Дата проведения 11___________

Тема: «Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору.»

Цель урока: изучить  квантовые постулаты  Бора, модель атома водорода Бора, показать  значение теории Бора в развитии физической науки.

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания и актуализация изучаемой темы.

Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов

1. Принятая в настоящий момент в науке модель структуры атома обоснована опытами по...

1.                   растворению и плавлению твердых тел

2.                   ионизации газа

3.                   химическому получению новых веществ

4.                   рассеянию a-частиц

              Ответ: 4.

2.В опыте Резерфорда a-частицы рассеиваются...

1.                   электростатическим полем ядра атом

2.                   электронной оболочкой атомов мишени

3.                   гравитационным полем ядра атома

4.                   поверхностью мишени

                    Ответ: 1.

5.                   Только 1       

6.                   Только 2

7.                   И 1, и 2

8.                   Ни 1, ни 2

 Ответ: 2                     

4.Какое утверждение соответствует планетарной модели атома?

Ответ:1

Ответ: 2.

Ответ: 3

Фронтальный опрос

– Какова была цель опыта Резерфорда?  Опишите установку Резерфорда, ход эксперимента.

–Какие результаты получил  Резерфорд?(Подавляющая часть альфа частиц проходила сквозь фольгу практически без отклонения или с отклонением на малые углы по отношению к направлению своего первоначального полёта. Но небольшая часть частиц отклонялась на значительные углы, достигающие почти 180°. Применив методы теории вероятностей, Резерфорд показал, что такие отклонения не могут быть следствием многократных столкновений  альфа частиц с атомами, поэтому объяснить этот результат на основе модели атома Томсона невозможно.)

- Какие выводы сделал Резерфорд из опыта? (Существует атомное ядро, в котором сконцентрирована почти вся масса атома и весь положительный заряд. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются отрицательные частицы электроны.)

-- Почему большинство ученых отрицательно отнеслись к модели атома Резерфорда? (Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом, не могла  объяснить  факт существования атома, точнее — его устойчивость. В соответствии с законами классической электродинамики Максвелла электроны при движении по орбитам c ускорением должны непрерывно излучать электромагнитные волны. Атом должен излучать свет и терять  энергию. С потерей энергии электрон за время порядка 0.1 нс должен «упасть» на ядро, а атом прекратить своё существование. В действительности атомы излучают свет, но не исчезают при этом. Кроме того, частота вращения электрона по мере приближения к ядру будет изменяться плавно, т. е. спектр излучения атома должен быть непрерывным, а не линейчатым. Таким образом, по законам классической электродинамики атом Резерфорда должен быт неустойчивым, а его спектр излучения — непрерывным, что противоречило результатам экспериментов. Ученым пришлось признать ограниченность применения законов классической физики.)

3.Изучение нового материала

Постулаты Бора.

   Первым решился на это признание выдающийся физик XX в. датский ученый Нильс Бор. В 1913 г. он с помощью гениальной интуиции сформулировал в виде постулатов основные положения новой теории.

   Изучая  противоречия модели атома Резерфорда и  законами  классической физики, Нильс Бор  выдвигает постулаты, определяющие строение атома и условия испускания и поглощения им электромагнитного излучения.

   Постулаты Бора показали, что атомы подчиняются  законам микромира.

   I постулат (постулат стационарных состояний).

   Атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E_n. В стационарных состояниях атом не излучает энергию, при этом электроны в атомах движутся с ускорением.

   Атом может находиться в стационарном состоянии сколь угодно долго.  

Стационарные состояния отличаются друг от друга различными орбитами, по которым движутся электроны в атоме. Набор электронных орбит, по сути, определяет стационарные состояния электрона в атоме. Стационарные состояния можно пронумеровать, присвоив им порядковый номер n=1, 2, 3, ...,причем каждое состояние обладает своей фиксированной энергией Е_n

    II постулат (правило частот).

   Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей  энергией E_k  в стационарное состояние с  меньшей энергией En. Энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний:

   Отсюда можно выразить частоту излучения:

    При  поглощении света, атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. При излучении  атом переходит из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.

      Второй постулат противоречит электродинамике Максвелла, т.к. частота излученного света свидетельствует не об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома.

      Модель атома водорода по Бору

     Используя законы механики Ньютона и правило квантования, на основе которого определяются возможные стационарные состояния атома. Бор смог вычислить радиусы орбит электрона и энергии стационарных состояний атома. Минимальный радиус орбиты определяет размеры атома.

     Для наглядного представления возможных энергетических состояний электрона в атоме используется энергетическая диаграмма, на которой каждому энергетическому состоянию электрона в атоме Е_n соответствует горизонтальная линия — энергетический уровень. Энергетическую диаграмму можно считать своеобразной «лестницей» с «нижней площадкой» (основным состоянием) и поднимающимися вверх «ступенями» (возбужденными состояниями). Значения энергий стационарных состояний  отложены на вертикальной оси  (в электрон - вольтах).

     Обычно атом находится в основном состоянии  (в этом состоянии атома электрон движется по первой стационарной орбите) с наименьшим значением энергии, равны:

     Второй постулат Бора позволяет вычислить (по известным значениям энергий стационарных состояний) частоты излучений атома водорода.

     Теория Бора приводит к количественному согласию с экспериментом для значений этих частот. Все частоты излучений атома водорода составляют в своей совокупности ряд серий, каждая из которых образуется  при переходах атома в одно из энергетических  состояний  со всех верхних энергетических состояний (состояний с большей энергией). 

     Переходы в первое возбужденное состояние (на второй энергетический уровень) с верхних уровней образуют серию, названную по имени швейцарского учёного серией  И. Бальмера.  Эти переходы изображены стрелками: красная, зеленая и две синие линии в видимой части спектра водорода (рис. V, 3 на цветной вклейке в учебнике) соответствуют переходам:Е3  -  Е2 ,  Е4  -  Е2 ,  Е5  -  Е2  , Е6  - Е2.)

      И. Бальмер  еще в 1885 г. на основе экспериментальных данных вывел простую формулу для определения частот видимой части спектра водорода. 

    R=109737, 31 (1/ см) – постоянная Ридберга.

     Поглощение света — процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетических состояний  в высшие состояния. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из высших энергетических состояний  в низшие. 

     Значение постулатов Бора

     Эйнштейн оценил проделанную работу Бором «как высшую музыкальность в области мысли», всегда его поражавшую.

     На основе двух постулатов и правила квантования Бор определил радиус атома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволило вычислить частоты излучаемых и поглощаемых атомом водорода  электромагнитных волн. Теория Бора позволяет описать не только атом водорода, но и ионизированные атомы (ионы) других элементов, вокруг ядер которых, как и в атоме водорода, вращается один электрон. Такие ионы называются водородоподобными. Примерами водородоподобных ионов могут служить однократно ионизированный атом гелия (Не+), двукратно ионизированный атом лития (Li + +) и т. д.

    Теория Бора явилась важным этапом в развитии квантовых представлений, введение которых в физику требовало кардинальной перестройки механики и электродинамики. Такая перестройка была осуществлена в 20-е – 30-е годы XX века, когда были созданы новые физические теории квантовая механика и квантовая электродинамика.

    Однако надо помнить то, что для атомов с большим числом электронов (больше 1)  расчеты по теории Бора неприменимы. Представление Бора об определенных орбитах, по которым движутся электроны в атоме, оказалось весьма условным. На самом деле движение электрона в атоме очень мало похоже на движение планет или спутников. Физический смысл имеет только вероятность нахождения  электрона  в том или ином месте окрестности ядра.

      В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить практически на любой вопрос, относящийся к строению и свойствам электронных оболочек атомов. С количественным описанием электронных оболочек атомов вы познакомились в курсе химии.

4.Закрепление нового материала

-  Какие затруднения вызвала модель Резерфорда для объяснения процессов  излучения энергии атомами? ( Ядерная модель Резерфорда просто обосновывала экспериментальные данные, но не позволяла объяснить устройство атома  исходя из классических законов физики).

-  Сформулируйте первый постулат Бора.

- Сформулируйте и запишите второй постулат Бора.

- В чём заключаются противоречия между постулатами Бора и законами классической механики и классической электродинамики? (Как следует из постулатов, вопреки классической электродинамике электроны движутся по замкнутым орбитам и электромагнитные волны при этом не излучают.)

- При каком условии происходит излучение, а при каком условии происходит поглощение энергии атомом? (При  поглощении света, атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. При излучении атом переходит из стационарного состояния с большей энергией,  в стационарное состояние с меньшей энергией.)

- Каково значение теории Бора в развитии физической науки? (Теория Бора явилась важным этапом в развитии квантовых представлений о строении атома. Бор определил радиус атома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволило вычислить частоты излучаемых и поглощаемых атомом водорода  электромагнитных волн. Теория Бора позволяет описать не только атом водорода, но и водородоподобные ионы других элементов.)

Работа с учебником: найдите в учебнике на стр.278 изображение диаграммы энергетических уровней  атома водорода. Вопросы:

- На рисунке12.4,стр278  изображена диаграмма энергетических уровней  атома водорода. Энергия ионизации атома равна: а)0;   б)3.4эВ;  в)0.54эВ; г)13.6эВ ( 13.6эВ. Энергия ионизации - энергия, которую нужно затратить для перевода электрона из основного состояния в состояние с нулевой энергией. Исходя из диаграммы, в основном состоянии электрон имеет энергию Е = -13.6эВ.)

- Сколько квантов (с различной энергией) может  испускать атом водорода, если электрон находится  на третьем возбужденном уровне. (Рис12.4,стр278) (атом водорода может испускать кванты с тремя различными энергиями .Возможные переходы:   n=3 ---n=1,n=2--- n=1, n=3--- n=2.)

Домашнее задание: §94