Урок по физике "Постулаты Бора"

Тип урока: изучение нового материала.

Цели урока:

• развитие естественнонаучного миропонимания о строении вещества;
• изучение механизма излучения и поглощения света атомами на основе теории строения атома Резерфорда–Бора;
• создать необходимые и достаточные условия для проведения виртуального эксперимента: для исследования механизма излучения и поглощения энергии атомами;
• показать историческую роль противоречия между моделями атомов Резерфорда, Бора и опытными фактами.

Задачи урока:

1. Создать условия для развития познавательной деятельности учащихся.
2. Сформировать понятие дискретного характера излучения и поглощения света атомами.
3. Закрепить умения:
   • работать с интерактивными моделями – освоить интерактивную модель атома по Бору;
   • применять полученные знания в условиях виртуального эксперимента;
   • обрабатывать полученную в ходе эксперимента информацию в графическом виде;
   • работать по заданному алгоритму (по инструкции)

Актуализация знаний: слайд 1

1. Что представляет собой планетарная модель атома?
2. Назови элементы атома, обозначенные на рисунке стрелками.
3. Атом какого химического элемента изображен на рисунке?
4. В чем сущность гипотезы Макса Планка?
5. Чем определяется энергия атома?

Теоретическое обоснование постулатов Бора.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, – это попытка применения классических представлений о движении тел к явлениям атомных масштабов. Эта попытка оказалась несостоятельной. Классический атом неустойчив. Электроны, движущиеся по орбите с ускорением, должны неизбежно упасть на ядро, растратив всю энергию на излучение электромагнитных волн (слайд 2),

Однако планетарная модель атома натолкнулась на принципиальные трудности:

1. Согласно классической электродинамике, заряженная частица, движущаяся с ускорением, непрерывно излучает электромагнитную энергию. Поэтому электроны, двигаясь вокруг ядра, т. е. ускоренно, должны были бы непрерывно терять энергию на излучение. При этом они за ничтожную долю секунды потеряли бы всю свою кинетическую энергию и упали бы на ядро (приложение 1).
2. Другая трудность, связанная также с излучением, состояла в следующем: если принять (в соответствии с классической электродинамикой), что частота излучаемого электроном света равна частоте колебаний электрона в атоме (т. е. числу оборотов, совершаемых им по своей орбите в одну секунду) или имеет кратное ей значение, то излучаемый свет по мере приближения электрона к ядру должен был бы непрерывно изменять свою частоту, и спектр излучаемого им света должен быть сплошным. Но это противоречит опыту. Атом излучает световые волны вполне определённых частот, типичных для данного химического элемента, и характеризуется спектром, состоящим из отдельных спектральных линий - линейчатым спектром. В линейчатых спектрах элементов был экспериментально установлен ряд закономерностей, первая из которых была открыта швейцарским учёным И. Бальмером (1885) в спектре водорода.

Слайд 3

Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома сделал в 1913 году выдающийся датский физик Н. Бор. Проанализировав всю совокупность опытных фактов, Бор пришел к выводу, что при описании поведения атомных систем следует отказаться от многих представлений классической физики. Он сформулировал постулаты, которым должна удовлетворять новая теория о строении атомов.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает.

Этот постулат находится в явном противоречии с классической механикой, согласно которой энергия движущегося электрона может быть любой. Он находится в противоречии и с электродинамикой, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн. Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию (слайд 4). Механическая энергия электрона, движущегося по замкнутой траектории вокруг положительно заряженного ядра, отрицательна. Поэтому всем стационарным состояниям соответствуют значения энергии En < 0. При En ≥ 0 электрон удаляется от ядра (ионизация). Величина |E₁| называется энергией ионизации. Состояние с энергией E₁ называется основным состоянием атома.

Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:

где h – постоянная Планка. Отсюда можно выразить частоту излучения:

Второй постулат Бора также противоречит электродинамике Максвелла, так как частота излучения определяется только изменением энергии атома и никак не зависит от характера движения электрона.

Весьма важным результатом теории Бора было объяснение спектра атома водорода, и сегодня на уроке в виртуальной лаборатории вы выясните, какие фотоны излучает атом водорода.

Методика выполнения практической работы

1. Откройте модель «Второй постулат Бора» (приложение 2);
2. Работа с интерактивной моделью атома водорода - приложение 2.1 или http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/19e31fb0-faf2-bfaa-f147-f7f8819a2123/00144676202578281.htm (не всегда удается открыть эту страницу Интернета).
   Вверху слева расположено рабочее поле модели, на котором помещена планетарная модель атома водорода, справа вверху изображены энергетические уровни атома. Ниже энергетических уровней расположены переключатели переходов на энергетические уровни. Внизу модели помещено табло линий спектра и кнопка «Сброс».
3. Добейтесь излучения фотона при переходе с вышестоящего на нижестоящий уровень, согласно таблице 1.
4. Определите длины волн излучаемых фотонов, рассчитайте соответствующие энергии фотонов и занесите данные в таблицу 1 (приложение 3)
5. Постройте график зависимости разности энергий стационарных состояний от длины волны излучаемого атомом кванта. Проведите его анализ и определите характер зависимости. Рассчитайте постоянный коэффициент (приложение 4)
6. Сделайте выводы по проделанной работе.

Вопросы к работе

1. Как объясняется происхождение линейчатых спектров теорией Бора?
2. В чем заключается противоречие планетарной модели строения атома с законами классической физики?
3. Сформулируйте квантовые постулаты Бора.

Домашнее задание

В качестве домашнего задания для закрепления пройденного материала учащимся предлагается несколько теоретических вопросов и расчетных задач:

1. Подготовить сообщение по теме: «Историческая роль квантовых постулатов Бора»:
   • их роль в разрешении противоречия между планетарной моделью атома водорода и линейчатым спектром излучения;
   • трудности теории Бора в описании механизмов излучения и поглощения света более сложными атомами. (Приложение 5).

2. Во втором энергетическом состоянии атом водорода имеет энергию E₂ = –3 эВ. Это состояние называется первым возбужденным состоянием. Среднее время жизни атома в этом состоянии (до перехода на основной уровень с испусканием фотона) равно τ = 10^–8 с. Сколько оборотов N сделает на орбите электрон за это время в соответствии с планетарной моделью атома?
3. В ультрафиолетовой части спектра атома водорода известны две спектральные линии с длинами волн λ₁ = 102,57 нм и λ₂ = 121,57 нм. Каждая из этих линий возникает при переходе электрона в наинизшее энергетическое состояние из стационарного состояния с более высокой энергией. Найдите длину волны λ₃ еще одной спектральной линии, которую, согласно теории Бора, можно предсказать в спектре водорода.
4. Предположим, что схема энергетических уровней атомов некоего элемента имеет вид, показанный на рисунке 2 , и атомы находятся в состоянии с энергией Е⁽¹⁾. Электрон, столкнувшись с одним из таких атомов, в результате столкновения получил некоторую дополнительную энергию. Импульс электрона после столкновения с покоящимся атомом оказался равным 1,2'10^-24 кг'м/с. Определите кинетическую энергию электрона до столкновения. Возможностью испускания света атомом при столкновении с электроном пренебречь.

Источники информации:

Для учителя имеется методическая разработка данного урока – приложение 6.

1. Берков А.В., Грибов В.А. ЕГЭ:2009:Физика.М.:АСТ:Астрель 2009.
2. Глазунов А. Т., Кабардин О. Ф, Малинин А. Н. и др.; Под ред. Пинского А.А.
   Физика–11. Глава 7. Физика атома.
   § 67. Квантовые постулаты Бора.
   § 68. Спектр атома водорода.
   § 69. Объяснение происхождения линейчатых спектров (с. 273–282).
3. Касьянов В. А. Физика. 11 класс.
   Электромагнитное излучение. Глава 7. Квантовая теория электромагнитного излучения.
   § 77. Строение атома.
   § 78. Теория атома водорода.
   § 79. Поглощение и излучение света атомом (с. 328–339)
4. Мякишев Г. Я. , Буховцев Б. Б. Физика–11.
    Глава 9. Атомная физика.
   § 73. Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору (с. 177–179).
5. Интерактивная модель «Второй постулат Бора»: http://fcior.edu.ru/search.page
   http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/19e31fb0-faf2-bfaa-f147- f7f8819a2123/00144676204791282/00144676204791282.htm
   http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/19e31fb0-faf2-bfaa-f147-f7f8819a2123/00144676202578281.htm
   http://www.internet-school.ru/Enc.ashx?item=544146
6. Квантовые постулаты Бора. http://www.college.ru/enportal/physics/content/chapter9/section/paragraph2/theory.html