Урок физики по теме "Атомная физика"

Разделы: Физика

Продолжительность: 2 часа

Тип урока: изучение нового материала

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, учебник или плакаты

Цели урока:

1) формирование представления о содержании атомной физики;

2) демонстрация нетрадиционных подходов к решению поставленных задач;

3) развитие интереса к практическому применению достижений атомной физики.

Задачи урока:

1) познакомить обучающихся с фундаментальным опытом Э.Резерфорда;

2) изучить постулаты Бора, раскрывающие основные свойства атома;

3) раскрыть гениальность идей Э.Резерфорда и Н. Бора для своего времени;

4) познакомить учеников с линейчатыми спектрами атома водорода;

План урока:

1. Оргмомент.

2. Из истории физики.

3. Модель Томсона.

4. Опыт Резерфорда.

5. Противоречия.

6. Постулаты Бора.

7. Энергетическая диаграмма атома водорода.

8. Домашнее задание.

9. Сообщения о Э.Резерфорде и Н. Боре.

Ход урока

Урок начинаем с рассказа о том, что уже в восьмом классе из курса физики и химии известно, что все тела состоят из атомов, В центре атома находится очень малое положительно заряженное ядро. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Электроны располагаются вокруг ядра на разных расстояниях, образуя электронные слои. Известно также, сколько электронов может находиться в слое и подслое-оболочке. Но сих пор физические законы, по которым "устроен" атом, не изучались. Сейчас наша задача в том, чтобы изучить эти законы.

В конце 19 - начале 20 вв. идеи о строении атома витали в воздухе.

Открытие Д.И. 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.

В 1896 г. А.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.

Презентация.

Важным фактором, свидетельствующим о сложной внутренней структуре атомов, было открытие линейчатых спектров, а после открытия электрона в 1897 г.Дж.Дж. Томсоном стала очевидной связь явлений излучения и поглощения света атомами с наличием в них электронов (Слайд №3 ).

Первая, достаточно разработанная модель атома была предложена в 1903 г. английским физиком Дж.Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом - атом водорода - представляет собой положительный заряженный шар радиусом около 10-8 см, внутри которого находится электрон (Слайд №4). У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны. Дж. Дж. Томсон считал, что периодическая повторяемость химических свойства атомов и спектральные закономерности получат свое объяснение, если будут найдены радиусы концентрических оболочек внутри положительно заряженного шара, число электронов на каждой оболочке и закономерности их заполнения.

Томсон с помощью данной модели объяснил ряд физических явлений. Например, хорошая проводимость металлов объяснялась тем, что атомы металлов легко теряют часть электронов. Первая модель атома сыграла положительную роль: в дальнейшем была использована верная идея о слоях электронов в атоме, о потере электронов атомами. Однако скоро обнаружилось несоответствие модели реальной действительности. В частности, модель атома Томсона оказалась в противоречии с результатами опыта Резерфорда (Слайд №5 ).

Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью а-частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость альфа-частиц очень велика: она составляет скорости света (Слайд №6).

В экспериментах по изучению внутренней структуры атома, осуществленных в 1910-1911 гг. Э.Резерфордом и его студентами Э. Марсденом и Х. Гейгером, золотая фольга (толщиной около микрона, т.е. состоит приблизительно из 3000 атомных слоев) облучалась (обстреливалась) альфа-частицами от радиоактивного источника (крупица радия в свинцовом контейнере). Самым важным было то, что следы альфа-частиц можно наблюдать на экране, если он покрыт специальным веществом (сернистым цинком). В точке, куда попадает эта частица, возникает вспышка, которую можно наблюдать через микроскоп. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух (Слайд №7).

Когда фольги не было, альфа-частицы летели прямолинейно и вспышки наблюдались только в центре экрана, против отверстия, где содержался источник альфа-частиц. Но когда на пути альфа-частиц ставили фольгу, вспышки можно было наблюдать при разных углах. Экран с микроскопом устанавливали под разными углами и каждый раз подсчитывали число вспышек за равные промежутки времени.

Важнейшие результаты этих измерений таковы:

1) подавляющее число альфа-частиц проходило сквозь листок, почти не отклоняясь от первоначального направления, хотя атомы в металле расположены очень плотно;

2) Среди частиц, отклонившихся от первоначального направления, имелись частицы, рассеянные под всевозможными углами, и некоторые частицы даже отлетели обратно (Слайд №8 ).

Первый результат резерфорд объяснил тем, что атом не сплошь заполнен веществом, а почти "пустой". Второй результат - отбрасывание частиц обратно - нельзя было объяснить столкновением с электронами. Масса альфа-частиц в тысячи раз больше массы электрона, так что столкновение альфа-частиц с электронами не может заметно искривить ее траекторию (как столкновение тенистого мяча с пылинкой не может изменить траекторию мяча). Резерфорд пришел к выводу, что в центе атома имеется массивное тело, заряженное положительно. Это тело он назвал ядром. Чтобы объяснить возникновение колоссальных кулоновских сил, способных отбросить альфа-частицы обратно, пришлось допустить, что она может подходить очень близко к центру ядра, т.е. ядро имеет очень малые размеры (в десятки раз меньше размеров атома).

Анализируя результаты всех опытов, Резерфорд пришел к следующим выводам. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена вся масса атома, и из электронов вращающихся вокруг ядра по круговым орбитам. Размеры ядра составляют ничтожную долю атома (если атом водорода "раздуть" до размеров футбольной площадки, то ядро имело бы размер горошины, расположенной в центре площадки, а электрон был бы другой горошиной, облетающей первую по краю площадки). Заряд ядра совпадает с атомным номером данного элемента в таблице Менделеева (если за единицу заряда принять элементарный заряд). Число электронов равно заряду ядра, так что в целом атом является нейтральным. Проще всего устроен атом водорода. Заряд его ядра равен единице, а на орбите находится один электрон. У гелия заряд равен двум, а на орбите находится два электрона и т.д. На каждой орбите может быть ограниченное число электронов, так что число орбит растет по мере роста атомного номера (Слайд № 9).

В мае 1911г. на страницах лондонского "Философского журнала" он изложил результаты экспериментальных и теоретических поисков в области строения атома.

Из опыта Резерфорда непосредственно следует планетарная модель атома. - подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца, отрицательно заряженные электроны вращаются под действием кулоновских сил притяжения вокруг положительно заряженного атомного ядра, расположенного в центре атома (Слайд №10).

Модель атома, предложенная Резерфордом, была не в ладах с твердо установленными законами классической физики. Так, установлено было, что если заряд движется ускоренно, то он излучает электромагнитные волны. На этом основано действие антенны: заставляя электроны в антенне двигаться взад и вперед, т.е. ускоряться и тормозиться, мы тем самым заставляем их излучать радиоволны. Другим примером может служить рентгеновская трубка: когда электроны тормозятся в результате удара об анод, они испускают рентгеновские волны. Поскольку электрон движется по окружности, т.е. с определенным центростремительным ускорением, он должен излучать энергию. Но если он теряет энергию, он должен падать по спирали на ядро, как падает на Землю спутник, если он теряет энергию вследствие трения о воздух. Атом должен погибнуть за долю секунды, создав при этом вспышку света. Но ничего подобного не происходит, атомы существуют миллиарды лет. Атомы излучают свет, но не исчезают при этом.

Кроме того, частота излучения атома должна в соответствии с классической электродинамикой быть равной частоте обращения электрона вокруг ядра. Последняя же по мере торможения электрона в связи с потерей энергии на излучение должна плавно изменяться. Однако опыт показывает, что атомы испускают наборы строго определенных частот.

Таким образом, классические законы к планетарной модели атома неприменимы, потому что электрон - микрочастица, к которой неприменимы некоторые законы классической физики. В частности, мы знаем, что при движении электрон проявляет волновые свойства, а они в приведенных выше рассуждениях не учтены (Слайд №11).

Чтобы найти выход из этих противоречий, датский физик Нильс Бор (1885-1962) (Слайд №12) предложил (в 1913 г.) в мире атома господствуют иные (или во всяком случае более общие) законы, тем которые управляют поведением крупных тел (Слайд №13). Бор попытался угадать некоторые из этих законов и сформулировал их в виде двух постулатов. Применительно к атому водорода (или точнее, к резерфордовской модели этого атома) эти постулаты формулируются так:

1) электрон в атоме водорода может находиться не на любых расстояниях от ядра, а только на одной из разрешенных орбит: R1, R2, R3, :причем, пока электрон находится на данной орбите он не излучает энергии, т.е. энергия атома остается постоянной (постулат стационарных состояний) (Слайд №14 );

2) электроны могут перескакивать с одной орбиты на другую. Из законов механики следует, что при переходе на более близкую орбиту энергия электрона уменьшается. Поэтому перескок на более ближнюю орбиту сопровождается излучением энергии, а на более далекую - поглощением энергии. Частота испускаемого или поглощаемого света определяется законом сохранения энергии (правило частот) (Слайд №15 ):

hv mn = Em - En ,

где Em - энергия электрона на более далекой орбите Rm , а En - на близкой Rn . Перескок электрона на более близкую орбиту может происходить самопроизвольно, обратный же перескок только после получения соответствующей порции энергии (поглотив фотон или квант энергии другого вида, например, при столкновении с другими атомами).

Свои постулаты Н.Бор применил для построения теории атома водорода: электроны могут двигаться в атоме только по определенным орбитам, которые определяются условиями:

mеvnrn= n(),

где rn - радиус n-й орбиты; vn - скорость электрона на этой орбите; me - масса электрона; mеvnrn - момент импульса электрона; n - целое число (n 0) (Слайд №16).

Для наглядного представления возможных энергетических состояний атомов используются энергетические диаграммы, на которых каждое состояние атома отмечается горизонтальной линией, называемой энергетическим уровнем. Эти уровни изображаются в виде горизонтальных линий, расположенных одна под другой (Слайд №17). Наивысший уровень (13,6 эВ) соответствует выбитому из атома электрону. Вне атома энергия выбитого электрона может быть любой.

Самый низкий уровень называют основным, так как при отсутствии внешнего воздействия атом всегда возвращается к этому уровню (Это соответствует общему правилу: наиболее устойчивое состояние соответствует минимуму потенциальной энергии). Если атом находится в состоянии с более высокой энергией, атом называется возбужденным.

Если за нулевой уровень принять основное состояние, тогда энергии всех остальных уровней будут выражаться положительными числами. Однако, такой выбор не всегда удобен, так как потенциальная энергия электрона, находящегося вне атома, не будет в этом случае иметь одного определенного значения, а будет зависеть от того, в каком атоме (в атоме водорода, в атоме калия и т.д.) выбрали начало отсчета. Желательно выбирать такой нулевой уровень, который был бы общим для всех электронов. Поэтому нулевую энергию условились приписывать электронам, находящимся бесконечно далеко от атома, а энергия внутриатомных электронов будет выражаться при этом отрицательными числами.

Линейчатые спектры были открыты еще в начале 19 века, однако закономерности линейчатых спектров и их происхождение долго не удавалось установить. В середине 18 в. Г. Кирхгоф обнаружил: свечение газов дает четко выраженные дискретные линии. Швейцарский преподаватель И. Бальмер эмпирически вывел формулу для спектра водорода (1885 г.):

v =R *,

где n - любое целое число >2, т.е. n=3,4,5 и т.д.

R - постоянная Ридберга, R=1,097*107м-1 * (3,02 * 1015 Гц)

Затем Ф.Пашен:

v =R * ,

где n = 4,5,6,: (инфракрасное излучение),

Т.Лайман:

v =R *,

где n=2,3,4,: (ультрафиолетовое излучение)

Значение длин волн спектральных линий, вычисленных по этим формулам, совпали с исключительной точностью со значениями длин волн этих линий, измеренных экспериментально. Только через 30 лет Н.Бор дал физическую интерпретацию этой формулы. Он предположил, что два члена в формуле Бальмера представляют собой полные энергии разрешенных орбит электрона в атоме водорода. Преобразовав формулу Бальмера (умножив обе части на hc), получим

vhc=hcR * ,

E=hv =hR * = En-E2. (Слайд №17).

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 не сняла, а на время сгладила противоречия между классическими и квантовыми представлениями о строении атома, так как она использовала и те и другие. В частности было не понятно, что лежит в основе квантовых переходов электрона с орбиты на орбиту.

Если рассматривать не атом водорода, а атом другого элемента, то диаграмма энергетических уровней там будет иметь более сложный вид. Однако и в этом случае энергия атома не может быть произвольной, а может принимать только ряд определенных значений. Однако построить количественную теорию для следующего за водородом атома гелия на основе боровских представлений не удалось. Относительно атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволяла дать лишь качественные заключения. Теория Бора была внутренне противоречивой, потому что использовала законы механики Ньютона, закон Кулона, а также вводились квантовые постулаты никак не связанные с механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Требовалась радикальная перестройка, которая началась в XX веке когда были созданы новые физические теории: квантовая механика и квантовая электродинамика.

Постулаты Бора оказались совершенно правильными. Но они выступали уже не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий.

Презентация.

Вопросы на закрепление:

  • К каким выводам привели опыты Резерфорда?
  • В чем причина рассеяния альфа-частиц?
  • В чем достоинство и недостатки модели атома Резерфорда?
  • Какие экспериментальные факты невозможно объяснить исходя из ядерной модели атома Резерфорда?
  • Какова сущность постулатов Бора?
  • Каков механизм излучения и поглощения электромагнитных волн атомами по теории Бора?
  • В чем заключались противоречия постулатов Бора с классической механикой и электродинамикой?

Домашнее задание: параграфы 94-96, упр.13(3)

Сообщения:

  • Э. Резерфорд;
  • Н. Бор.