Цель урока:
- Образовательная:
- познакомить учащихся с историей развития взглядов о строении атома;
- дать знания о модели атома Резерфорда-Бора;
- сформулировать постулаты Бора;
- Развивающая:
- систематизировать и расширить знания учащихся по теме «Атомная физика»;
- развивать внимание и любознательность при объяснении нового материала;
- формировать умение объяснять явления, происходящие в природе.
- Воспитательная:
- вырабатывать устойчивое внимание при объяснении нового теоретического материала;
- развивать правильную речь, используя физические термины;
- показать значение работ ученых-физиков в вопросе о сложном строении атома.
Тип урока: урок-лекция (2 часа)
Оборудование: ПК, проектор, презентация
ХОД УРОКА
I. Изучение нового материала
Слайд 1 Вопрос о том, как устроен мир, является одним из тех, которые причисляются к разряду вечных. Открывая законы природы, спрятанные под покровом бесконечно многообразного мира явлений, человек научился применять их для своих целей, создавать то, чего никогда не было в самой природе. Было изобретено радио, построены громадные электрические машины, освобождена внутриядерная энергия; человек вышел в космическое пространство. Много веков длится процесс познания окружающего мира.
Слайд 2 Какими же путями добывается научная истина? Сегодня мы это и узнаем. Тема нашего урока: «Строение атома»
Слайд 3 В физике много разделов, и
каждый изучает свои явления. Раздел
физики, в котором изучают строение и состояние
атомов, называется атомная физика.
А. ф. возникла в конце 19 – начале 20 вв.
Предыстория атомной физики
Слайды 4-7 Мысль о существовании атомов как неделимых частиц материи возникла ещё в древности; идеи атомизма впервые были высказаны древнегреческими мыслителями Демокритом и Эпикуром.
Слайд 8 В XVII-XVII веках вопросом о
строении атома занимались Бойль, Ньютон,
Ломоносов.
Представления об атомах, господствовавшие в XVII-XVII
вв., были малоопределёнными. Атомы считались
абсолютно неделимыми и неизменными твёрдыми
частицами, различные виды которых отличаются
друг от друга по размеру и форме.
Возникновение атомной физики
Слайд 9 Важнейшими событиями в науке, от которых берёт начало А. ф., были открытия электрона и радиоактивности.
Слайд 10 При исследовании прохождения электрического тока через сильно разреженные газы были открыты лучи, испускаемые катодом разрядной трубки (катодные лучи) и обладающие свойством отклоняться в поперечном электрическом и магнитном полях. Выяснилось, что эти лучи состоят из быстро летящих отрицательно заряженных частиц, названных электронами. Из этого было сделано заключение, что электроны входят в состав любых атомов. Отсюда далее следовало, что нейтральные атомы должны также содержать и положительно заряженные частицы.
Слайд 11 30 апреля 1897 английский физик Джозеф Джон Томсон на заседании Королевского общества сделал доклад, где говорилось об открытии электрона.
Слайды 12-13 Результаты исследования свойств электрона и радиоактивности позволили строить конкретные модели атома. В модели, предложенной Томсоном в 1903 году, атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую вкраплены незначительные по размеру (по сравнению с атомом) отрицательные электроны.
Слайд 14 В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбиталям вращались электроны, объединённые в кольца.
Создание Резерфордом планетарной модели атома.
Слайды 15-18 Модель атома Томсона
оказалась неудовлетворительной. На её основе не
удалось объяснить совершенно неожиданный
результат опытов английского физика Э.
Резерфорда и его сотрудников Х. Гейгера и Э.
Марсдена по рассеянию a-частиц атомами. В этих
опытах быстрые a-частицы были применены для
прямого зондирования атомов. Проходя через
вещество, a-частицы сталкиваются с атомами. При
каждом столкновении a-частица, пролетая через
электрическое поле атома, изменяет направление
движения — испытывает рассеяние. В подавляющем
большинстве актов рассеяния отклонения a-частиц
(углы рассеяния) были очень малы. Поэтому при
прохождении пучка a-частиц через тонкий слой
вещества происходило лишь небольшое размытие
пучка. Однако очень малая доля a-частиц
отклонялась на углы более 90°(1 из 2 000). Этот
результат нельзя было объяснить на основе модели
Томсона, т.к. электрическое поле в
"сплошном" атоме недостаточно сильно, чтобы
отклонить быструю и массивную a-частицу на
большой угол. Чтобы объяснить результаты опытов
по рассеянию a-частиц, Резерфорд предложил
принципиально новую модель атома, напоминающую
по строению Солнечную систему и получившую
название планетарной. Она имеет следующий вид. В
центре атома находится положительно заряженное
ядро, размеры которого (~10–12см) очень
малы по сравнению с размерами атома (~10–8 см),
а масса почти равна массе атома. Вокруг
ядра движутся электроны, подобно планетам вокруг
Солнца; число электронов в незаряженном
(нейтральном) атоме таково, что их суммарный
отрицательный заряд компенсирует (нейтрализует)
положительный заряд ядра. Электроны должны
двигаться вокруг ядра, в противном случае они
упали бы на него под действием сил притяжения.
Различие между атомом и планетной системой
состоит в том, что в последней действуют силы
тяготения, а в атоме — электрические
(кулоновские) силы. Вблизи ядра, которое можно
рассматривать как точечный положительный заряд,
существует очень сильное электрическое поле.
Поэтому, пролетая вблизи ядра, положительно
заряженные a-частицы (ядра гелия) испытывают
сильное отклонение.
Однако планетарная модель атома натолкнулась на
принципиальные трудности. 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. Но при
этом они за ничтожную долю секунды потеряли бы
всю свою кинетическую энергию и упали бы на ядро.
Слайд 19 Физкультминутка
Слайды 20-28 Противоречия модели Резерфорда оказалось возможным разрешить, лишь отказавшись от ряда привычных представлений классической физики. Важнейший шаг в построении теории атома был сделан датским физиком Н. Бором (1913).
Постулаты Бора и модель атома Бора
В основу квантовой теории атома Бор положил 2 постулата, характеризующих те свойства атома, которые не укладывались в рамки классической физики. Эти постулаты Бора могут быть сформулированы следующим образом:
1 постулат: атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает.
2 постулат: 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:
hv = En – Em,
где h – постоянная Планка.
При испускании или поглощении света изменяется энергия атома, это изменение равно энергии испущенного или поглощённого фотона, т. е. имеет место закон сохранения энергии.
Дальнейшее развитие А. ф. показало справедливость постулатов Бора не только для атомов, но и для других микроскопических систем — для молекул и для атомных ядер. Эти постулаты следует рассматривать как твёрдо установленные опытные квантовые законы. Они составляют ту часть теории Бора, которая не только сохранилась при дальнейшем развитии квантовой теории, но и получила своё обоснование. Иначе обстоит дело с моделью атома Бора, основанной на рассмотрении движения электронов в атоме по законам классической механики при наложении дополнительных условий квантования. Такой подход позволил получить целый ряд важных результатов, но был непоследовательным: квантовые постулаты были присоединены к законам классической механики искусственно.
Последовательной теорией явилась созданная в 20-х гг. 20 в. квантовая механика. Её создание было подготовлено дальнейшим развитием модельных представлений теории Бора, в ходе которого выяснились её сильные и слабые стороны.
Развитие модельной теории атома Бора
Однако далеко не все вопросы теории атома удалось объяснить на основе модельных представлений теории Бора. При переходе к объяснению движений электронов в атомах, более сложных, чем атом водорода, модельная теория Бора оказалась в тупике. Уже атом гелия, в котором вокруг ядра движутся 2 электрона, не поддавался теоретической интерпретации на её основе. Трудности при этом не исчерпывались количественными расхождениями с опытом. Теория оказалась бессильной и в решении такой проблемы, как соединение атомов в молекулу.
Квантовомеханическая теория атома
Слайд 29 Ограниченность боровской модели атома коренилась в ограниченности классических представлений о движении микрочастиц. Стало ясно, что для дальнейшего развития теории атома необходимо критически пересмотреть основные представления о движении и взаимодействии микрочастиц. Неудовлетворительность модели, основанной на классической механике с добавлением условий квантования, отчётливо понимал и сам Бор, взгляды которого оказали большое влияние на дальнейшее развитие А. ф. Началом нового этапа развития А. ф. послужила идея, высказанная французским физиком Л. де Бройлем (1923) о двойственной природе движения микрообъектов, в частности электрона. Эта идея стала исходным пунктом квантовой механики, созданной в 1925-26 трудами В. Гейзенберга и М. Борна (Германия), Э. Шрёдингера (Австрия) и П. Дирака (Англия), и разработанной на её основе современной квантовомеханической теории атома.
Представления квантовой механики о движении электрона (вообще микрочастицы) коренным образом отличаются от классических. Согласно квантовой механике, электрон не движется по траектории (орбите), подобно твёрдому шарику; движению электрона присущи также и некоторые особенности, характерные для распространения волн. С одной стороны, электрон всегда действует (например, при столкновениях) как единое целое, как частица, обладающая неделимым зарядом и массой; в то же время электроны с определённой энергией и импульсом распространяются подобно плоской волне, обладающей определённой частотой (и определённой длиной волны). Энергия электрона Е как частицы связана с частотой v электронной волны соотношением: E = hv, а его импульс р — с длиной волны λ соотношением: р = h'λ.
На основе квантовой механики удалось путём решения уравнения Шрёдингера правильно рассчитать энергии электронов в сложных атомах.
Современная атомная физика
Важнейшая задача А. ф. — детальное определение всех характеристик состояний атома. Речь идёт об определении возможных значений энергии атома — его уровней энергии, значений моментов количества движения и других величин, характеризующих состояния атома. Исследуются тонкая и сверхтонкая структуры уровней энергии, изменения уровней энергии под действием электрических и магнитного полей — как внешних, макроскопических, так и внутренних, микроскопических. Большое значение имеет такая характеристика состояний атома, как время жизни электрона на уровне энергии. Наконец, большое внимание уделяется механизму возбуждения атомных спектров.
Двойственная природа электрона
Подтвержденная экспериментально в 1927 г.
двойственная природа электрона, обладающего
свойствами не только частицы, но и волны,
побудила ученых к созданию новой теории строения
атома, учитывающей оба этих свойства.
Современная теория строения атома опирается на
квантовую механику.
Двойственность свойств электрона проявляется в
том, что он, с одной стороны, обладает свойствами
частицы (имеет определенную массу покоя), а с
другой – его движение напоминает волну и может
быть описано определенной амплитудой, длиной
волны, частотой колебаний и др. Поэтому нельзя
говорить о какой-либо определенной траектории
движения электрона – можно лишь судить о той или
иной степени вероятности его нахождения в данной
точке пространства.
Следовательно, под электронной орбитой следует
понимать не определенную линию перемещения
электрона, а некоторую часть пространства вокруг
ядра, в пределах которого вероятность пребывания
электрона наибольшая. Иными словами, электронная
орбита не характеризует последовательность
перемещения электрона от точки к точке, а
определяется вероятностью нахождения электрона
на определенном расстоянии от ядра.
Слайд 30
II. Домашнее задание: записи в тетради.