Конспект урока "Доказательство существования структуры атома. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора"
ГБОУ «Лицей «Международная космическая школа им. В.Н. Челомея»»
Конспект урока
по теме:
«Доказательство существования структуры атома.
Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора»
Дата проведения урока: 10.02 2017г.
Класс: 11а
Учитель: Кутырёва Е.В.
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.
Оборудование: персональный компьютер, мультимедийный проектор, экран.
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.
Внимательно следите по рабочим листам за ходом урока. В конце пары по рассмотренным
вопросам вам предстоит написать самостоятельную работу.
Начнем с сообщений, которые вы подготовили.
Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества 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 не-
бытие. 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 каж-
дому 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
-19
Кл.
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.
(Во время рассказа ученики отмечают в рабочих листах, что представляют собой α-, β- и γ-лучи.)
Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В. Вебером в 1896 г., развил
Г. 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
-10
м. 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
-31
кг.
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:
кг
кг
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: Схема опыта Резерфорда у вас на рабочих листах. Сейчас посмотрим фильм и
вспомним, какие выводы Резерфорд 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
-10
м, 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
-15
м, 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. Условие задачи в рабочих листах.
По данным рентгеноструктурного анализа расстояние между центрами атомов золота
2,5∙10
-10
м. Толщина фольги 0,4 мкм. Сколько слоев атомов содержит фольга?
Дано: Решение:
d=2,5∙10
-10
м
а=0,4∙10
-6
м N=
а
=
м
м
= 1600
N=?
Вывод: α-частицы пролетают через тысячи атомов и 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
-15
м, размер атома 10
-10
м.
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, стр.273 в учебнике Пинского.
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
-11
м.
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 Е
1
и
Е
2
, Е
2
и Е
3
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 Е
1
,. Это состояние атома
называется основным или нормальным состоянием. Все остальные стационарные состояния
атома с энергиями Е
2
, Е
3
, ..., 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. Пинский 69.1, стр.282. На рисунке 7.9 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?
Ответ: а) 1–5
б) 2–1
69.2.По рисунку 7.9 найдите переход с излучением фотонов с максимальной энергией и переход
с поглощением света с максимальной длиной волны.
Ответ: а) 5–1
б) 1–2
3.Рымкевич №1172. При облучении атом водорода
перешел из первого энергетического состояния в
третье. При возвраще- нии в исходное состояние он
сначала перешел из третьего во второе, а затем из
второго в первое. Сравнить энергии фотонов,
поглощенных и излученных атомом.
4.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.
5. 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?
7.Контроль результатов учебной деятельности.
Учащимся предлагается тест по теме «Строение атома. Постулаты Бора» на два варианта.
8. Подведение итогов урока. Оценка знаний.
9. Домашнее задание к следующему уроку:
§ 65–67 выучить.
Решить задачи:
1. Считая радиус атома водорода равным 5,3∙10
-11
м, определите угловую скорость и период
обращения электрона по этой орбите.
2. Определить скорость α-частицы, обладающей энергией 1 эВ.
3. Во сколько раз скорость движения электрона по первой боровской орбите атома водорода
больше скорости движения самолета (1000 км/ч)?
4. Во сколько раз напряженность электрического поля на первой орбите атома водорода больше
напряженности поля в атмосфере перед сильным грозовым разрядом (10
8
В/км)?
5. При переходе электрона атома водорода с одной орбиты на другую, более близкую к ядру.
Энергия атома уменьшается на 1,892 эВ. При этом атом водорода излучает квант света.
Определить длину волны излучения.
