Учитель физики ГУО СОШ № 39 Камыш С.С. Тема урока: "Строение атома.

Учитель физики ГУО СОШ № 39
Камыш С.С.
Тема урока: "Строение атома.
Тип урока: урок изучения нового материала
Вид урока: урок-конференция
Цель урока: через анализ фундаментальных исторических опытов подвести
учащихся к пониманию природы атомной системы.
Задачи урока:




Познакомить учащихся с историей развития взглядов на строение атома
Изучить фундаментальные опыты Резерфорда
Сформировать представление об атоме и атомном ядре
На примере истории развития научных представлений о строении атома
формировать у учащихся научное мировоззрение, умение выделять и
описывать физические явления, строить гипотезы
 Формировать умение самостоятельно работать с различными источниками
информации, обобщать материалы, развивать монологическую речь
 Показать роль крупных ученых в развитии науки
Ход урока:
«Если бы я мог упомнить названия
всех элементарных частиц,
я бы стал биологом»
Энрико Ферми
1. Замечательный английский поэт и художник Уильям Блейк (1757–1827) в
своем стихотворении «Изречение невинности» призывал:
В одно мгновенье видеть вечность,
Огромный мир – в зерне песка,
В единой горсти – бесконечность
И небо – в чашечке цветка.
Оказывается, любая песчинка, – действительно, целая Вселенная, т.к. включает в
себя почти столько же мельчайших частиц, сколько звезд содержится во всей
Мегагалактике!
1
Из этих частиц состоит и камень, одиноко лежащий на обочине, и цветок,
радующий нас своей естественной красотой, и пушистые облака, неторопливо
плывущие по голубому небу.
Еще в глубокой древности, 2500 лет назад, некоторые ученые высказывали
предположение о строении вещества.
Задача нашего урока – совершить экскурс в историю развития взглядов на
строение атома, начиная с древних времен до начала 20-го века, познакомиться с
фундаментальными экспериментальными и теоретическими работами конца 19-го
– начала 20-го века, которые перевернули представления об атоме и привели к
созданию новой квантовой модели атома.
2. Из истории развития взглядов на строение и природу атома
Гипотеза о существовании атомов, тех неделимых частиц, различные
конфигурации которых в пустоте образуют окружающий нас объективный мир,
так же стара, как и наша цивилизация. Понятие атома существует уже по крайней
мере 25 столетий.
Демокрит (460-370 гг. до н.э.). Биография (сообщение Казаков Вл.)
Родился в городе Абдеры во Фракии. За время своей жизни много
путешествовал, изучая философские воззрения различных народов (Древний
Египет, Вавилон, Персия, Индия, Эфиопия). Слушал в Афинах пифагорейца
Филолая и Сократа, был знаком с Анаксагором.
Рассказывают, что на эти путешествия Демокрит потратил большие
деньги, доставшиеся ему по наследству. Однако растрата наследства в
Абдерах преследовалась в судебном порядке. На суде, вместо своей защиты,
Демокрит зачитал отрывки из своего произведения, «Великий мирострой», и
был оправдан: сограждане решили, что отцовские деньги потрачены не зря.
Образ жизни Демокрита, однако, казался абдеритам непонятным: он
постоянно уходил из города, скрывался на кладбищах, где вдали от городской
суеты предавался размышлениям; иногда Демокрит без видимой причины
разражался смехом, настолько смешными казались ему людские дела на фоне
великого мирового порядка (отсюда его прозвище «Смеющийся Философ»).
Сограждане сочли Демокрита умалишенным, и даже пригласили для его
освидетельствования знаменитого врача Гиппократа. Тот действительно
встретился с философом, но постановил, что Демокрит абсолютно здоров
как физически, так и психически, и помимо этого утвердил, что Демокрит
один из умнейших людей, с которыми ему приходилось общаться. Из учеников
Демокрита известен Бион из Абдеры.
. В конечном счете, горожане признали Демокрита мудрецом и выделили
денежное содержание, которое позволило ему продолжать научные занятия.
Основные элементы его картины природы таковы:
2
 Все тела состоят из атомов, которые неделимы и имеют неизменную форму.
 Число атомов бесконечно, число различных типов атомов тоже бесконечно.
 Атомы обладают различными выступами, углублениями и крючками,
позволяющими им сцепляться друг с другом и тем самым образовывать
устойчивые соединения. Философ был настолько убежденным атомистом,
что даже человеческую душу представлял в виде комбинации атомов.
В России идеи о мельчайших частицах вещества развивал Михаил Васильевич
Ломоносов (1711-1765). (сообщение Егоров Е.)
Различая два вида частиц материи, Михаил Васильевич Ломоносов дает им
названия “элементы” (равные понятию “атом”) и “корпускулы” (равные
понятию “молекула”). По Ломоносову, “элемент есть часть тела, не
состоящая из каких-либо других меньших частиц”, а “корпускула есть
собрание элементов в одну небольшую массу”.
В соответствии с ней все в мире состоит из атомов, различающихся своей
формой, порядком и ориентацией в теле, а между атомами находится
пустота. Что же лежит в основе всех вещей? Если в природе нет ничего,
кроме атомов и пустоты, как считал Михаил Васильевич Ломоносов, то
каким образом из них можно «сконструировать» эти вещи, причем так, что
одни из них оказываются твердыми, другие – жидкими, а иные –
газообразными?
По легенде идея о существовании атомов возникла у Демокрита, когда он
разрезал яблоко. До каких пор можно рассекать яблоко на части? Мысль о
том, что существует предел такого деления, побудила назвать мельчайшие
(далее уже неделимые) частицы материи атомами.
В буквальном переводе с языка древних греков слово «atomos» означает не
разрезаемый, не рассекаемый, неделимый.
Аристотель (Сообщение Сидоренко В.)
Атомистическая гипотеза впервые в научном познании предполагала
существование объектов, недоступных восприятию органов чувств человека.
Другие философы придерживались других точек зрения, и в IV веке до н.э.
Аристотель высказался в поддержку мнения, согласно которому материя
состоит из различных сочетаний так называемых четырех стихий – земли,
воздуха, огня и воды. Эта идея получила широкое распространение и легла в
основу алхимии – примитивной формы химии, господствовавшей до XVII
века.
Некоторые ученые продолжали придерживаться мнения, что материя
состоит из атомов. И только в начале XIX века, через два тысячелетия, эта
гениальная идея человеческого разума нашла свое экспериментальное
подтверждение.
3
Джон Дальтон (1766–1844) (Сообщение Солодухина Д.)
Вторым рождением атома человечество обязано английскому ученому
Джону Дальтону (1766–1844), который впервые предпринял попытку
количественного описания их свойств. Именно им было введено понятие
атомного веса и составлена первая таблица атомных весов различных
химических элементов. Джон Дальтон проводил опыты с газами и изучал
пути их соединения. Так, он обнаружил, что кислород и водород, образуя воду,
всегда соединяются в одних и тех же пропорциях по массе. Другие ученые
также сталкивались с подобными данными, но именно Дальтон впервые
осознал их значение. Он сделал вывод, что вещества состоят из атомов, и
что все атомы простого вещества имеют одинаковую массу. При соединении
простых веществ количества соединяющихся атомов находятся в
определенной неизменной пропорции.
Атомистика Дальтона объясняла, почему вещества соединяются в
неизменной массовой пропорции, а также явилась основой для детального
изучения материи. Так, объясняя химические превращения и реакции, он
пришел к выводу, что каждому химическому элементу соответствует свой
тип мельчайших невидимых атомов, а все вещества состоят из химических
соединений атомов. Обнаружение этой структуры ознаменовало третье
рождение атома. Так, из умозрительной гипотезы он превратился в реальную
и осязаемую единицу материи, а это означает, что многообразный
окружающий мир сконструирован примерно из сотни типовых блоков –
атомов. Последующая классификация атомов в периодической таблице
элементов Д.И.Менделеева в порядке возрастания массы показала, что всего
в природе насчитывается около 110 химических элементов.
3.Модели атома
Хотя уже никто не сомневался в наличии атомов, реально существующие атомы
оказались совсем не такими, какими их представлял Демокрит. Уже Больцман по
этому поводу писал: «В неделимость атома не верит в настоящее время ни один
физик».
Исследования структуры вещества в пространственных масштабах, меньших
атомарных, привели к открытию новых простейших кирпичиков мироздания.
Вещества состоят из атомов, а из чего состоят атомы? Первые ключи к разгадке
этой тайны появились в конце XIX века, когда исследователи изучали
прохождение электричества через разрядные трубки, содержащие разреженный
воздух. Иногда стенки трубки излучали зеленый свет при подаче высокого
напряжения на две металлические пластинки-электроды. Свечение возникало при
4
попадании невидимых лучей от отрицательного электрода, или катода, на стенки
трубки.
Джозеф Томсон
(сообщение Устименко С.). Джозеф Томсон родился в 1856 году в ЧитемХилле вблизи Манчестера. Изучал физику, в 1876 году выиграл стипендию на
обучение в Кембридже. С 1884 года профессор физики на кафедре
экспериментальной физики в Кембридже. В 1911 г. разработал метод парабол
для измерения отношения заряда частицы к ее массе. Согласно его модели,
вещество в атоме несет положительный заряд и равномерно заполняет весь
объем атома. Электроны “ вкраплены” в атом, словно изюм в булку. Модель
так и назвали “ПУДИНГ С ИЗЮМОМ”, но эта модель не была подтверждена
опытами. . За научные заслуги награжден медалями Франклина, Фарадея,
Копли. Умер Джозеф Томсон в 1940 году.
К концу 19-го века появляются неопровержимые факты, свидетельствующие
о сложном строении атома. Наиболее серьезный удар по привычным
представлениям об атомах нанесло открытие электрона – частицы,
входящей в состав атома.
В 1887 году английский физик Томсон доказал, что катодные лучи (как их тогда
называли) – не что иное, как потоки заряженных частиц. Предполагалось, что эти
частицы исходят из атомов, хотя их расположение внутри атомов оставалось
неясным. Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на
рождественский пудинг, в котором большая, но легкая по массе положительно
заряженная сфера усеяна многочисленными отрицательно заряженными
частицами (электронами). Но различные опыты по изучению строения атома
доказали, что это, безусловно, ошибочная теория. Установить истинную
структуру атома все-таки удалось благодаря продолжительным и кропотливым
экспериментам.
Сообщение (Чернякова Л.)
На исходе 19-го века было проведено много опытов по изучению электрического
разряда в разреженных газах. Разряд возбуждался между катодом и анодом,
запаянными внутри стеклянной трубки, из которой был откачан воздух. При
достаточно большой разности потенциалов между катодом и анодом
наблюдалось свечение газа внутри трубки. При сильном разрежении (создании
вакуума) свечение внутри трубки исчезало, темная область вокруг катода
расширялась, пока не достигала противоположного конца трубки, который
начинал после этого светиться (цвет свечения зависел от сорта стекла). То,
что проходило от катода и заставляло светиться стеклянный экран, было
названо катодными лучами.
5
Чтобы определить природу катодных лучей, английский физик Джозеф Джон
Томсон (1856-1940) проводит следующий эксперимент. Его экспериментальная
установка представляет собой вакуумную электронно-лучевую трубку.
Накаливаемый катод К является источником катодных лучей, которые
ускоряются электрическим полем, существующим между анодом А и катодом К.
В центре анода имеется отверстие. Катодные лучи, прошедшие через это
отверстие и движущиеся прямолинейно со скоростью v, попадают в точку G на
стенке трубки S напротив отверстия в аноде. Если стенка S покрыта
флуоресцирующим веществом, то попадание частиц в точку G проявляется как
светящееся пятнышко. На пути от A к G частицы проходят между пластинами
конденсатора CD, к которым может быть приложено напряжение от батареи.
Если включить эту батарею, то пучок частиц отклоняется её электрическим
полем и на экране S возникает пятнышко в положении G1. Создавая в области
между пластинами конденсатора ещё и однородное магнитное поле,
перпендикулярное плоскости рисунка (оно изображено точками), можно вызвать
отклонение пятнышка в том же или обратном направлении. Томсон обнаружил,
что катодные лучи ведут себя как отрицательно заряженные частицы:
“Поскольку катодные лучи несут отрицательный заряд, отклоняются под
действием электростатической силы, как если бы они были отрицательно
заряженными, и реагируют на магнитную силу точно так же, как реагировали
бы на неё отрицательно заряженные тела, двигавшиеся вдоль линии
распространения лучей, я не могу не прийти к заключению, что катодные лучи
суть заряды отрицательного электричества, переносимые частицами материи.
Тогда встаёт вопрос: что это за частицы? Являются ли они атомами,
молекулами или материей в более тонком состоянии разделения? С целью
пролить некоторый свет на этот вопрос я провёл целый ряд измерений
отношений массы этих частиц к величине заряда, переносимого ими.”
Опыты проводились таким образом, что отклонение катодных частиц
(корпускул, согласно терминологии Джозефа Джона Томпсона) электрическим
полем было скомпенсировано воздействием магнитного поля (пятнышко при
этом возникало в точке G). Приравняв действующие на частицы силы, можно
найти отношение e/m заряда частицы к её массе. Он оказался почти в 1840 раз
больше, чем удельный заряд самого лёгкого иона водорода, который был
определён до этого из других опытов. Если считать, что заряд корпускулы равен
по модулю заряду иона водорода , то масса катодной частицы оказывается
почти в 1840 раз меньше массы иона водорода.
Так открыли первую элементарную частицу с наименьшей величиной
электрического заряда. В дальнейшем она получила название "электрон". 30
апреля 1897 г., когда Джозеф Джон Томсон доложил о своих исследованиях,
считается “днём рождения” электрона.
После открытия в 1897 году электрона, входящего в состав атома, был сделан
вывод о сложном строении атома. Первая достаточно разработанная модель атома
6
была предложена Томсоном. Согласно этой модели вещество в атоме несет
положительный заряд и равномерно заполняет весь объем атома. Электроны
“вкраплены” в атом, словно изюм в булку.
Возникал вопрос о том, как электроны распределены в атоме? Эти сведения
можно было бы добыть с помощью следующего опыта. Тонкие пластинки
вещества бомбардируются различными частицами, и по отклонению этих частиц
можно получить сведения об атомах вещества пластинки.
(Сообщение Артимович А.)
Этой задачей занялся Эрнест Резерфорд (1871-1937 гг.) – английский ученый,
известный своими исследованиями строения атома и радиоактивности, один из
создателей атомной и ядерной физики. Резерфорд был членом Лондонского
королевского общества – академии наук Англии, почетным членом более 30
академий и научных обществ разных стран мира, в том числе Академии наук
СССР. В 1908 году он был лауреатом Нобелевской премии за исследования
радиоактивности.
Научная школа Резерфорда стала одной из крупнейших за всю историю физики и
самой большой в истории ядерной физики. Учениками Резерфорда были Чедвик,
Бор, из советских физиков – Петр Капица, Юлий Харитон и другие.
В своих воспоминаниях Петр Капица писал: “Я не могу вспомнить другого
ученого - современника Резерфорда, в лаборатории которого воспитывалось бы
столько крупных физиков. История науки показывает, что крупный ученый –
это не обязательно большой человек, но крупный учитель не может не быть
большим человеком”.
В лаборатории Резерфорда были проведены следующие эксперименты (см. рис.).
В качестве бомбардирующих частиц взяли тяжелые частицы, которые лучше
всего подходили для изучения строения атома. Чтобы по возможности точнее
исследовать единичные столкновения частиц с атомами мишени, было
желательно, чтобы сама мишень была как можно тоньше. К счастью, золотая
фольга обладает тем замечательным свойством, что путем расплющивания ее
можно сделать исключительно тонкой, толщиной всего лишь в 400 атомов
золота.
В ранних экспериментах исследовались малые углы рассеяния и было
обнаружено, что практически все частицы проходили через мишень, не
отклоняясь, как если бы атомы мишени были совершенно прозрачны для
бомбардирующих частиц (угол отклонения порядка одного градуса).
Затем молодому сотруднику Марсдену было поручено выяснить вопрос о том,
могут ли частицы рассеиваться на большие углы? И вот в 1909 году наступил
тот зимний день, когда Марсден остановил на университетской лестнице
Резерфорда и совсем буднично произнес:”Вы были правы, профессор: они
7
возвращаются…” (Позже Резерфорд вспоминал: “Это было самым
невероятным событием в моей жизни. Оно было столь же невероятным, как
если бы 15-дюймовый снаряд, выпущенный в кусок папиросной бумаги, отскочил
от нее и ударил бы в стреляющего”). “Они” возвращались редко: в среднем одна
частица из восьми тысяч. Отражение от мишени означало, что частица
встретила на пути достойную преграду – массивную и положительно
заряженную: только такая может с силой оттолкнуть от себя прилетевшую
гостью. Редкость события говорила о крайне малых размерах преграды. И
потому, пронизывая атомы мишени, лишь немногие частицы попадают в
массивную атомную сердцевину. Подавляющее большинство пролетает в
отдалении от нее и рассеивается на малые углы.
Результаты опыта можно объяснить следующим образом. Альфа-частицы,
проходя через фольгу, проходят сквозь атомы золота. Это возможно потому, что
легкие электроны почти не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Так как
они в большинстве случаев отклоняются на малые углы, атомы в большей части
своего объема заполнены электронами и лишь небольшую их часть занимает
положительно заряженное вещество. Эта центральная часть атома получила
название ядра. Из опытов следует, что ядро и отталкивает альфа-частицу, причем
тем сильнее, чем ближе к ядру она проходит.
4.Отработка изученного материала проводится с помощью вопросов,
предложенных в мультимедийном пособии.
 Опроверг ли своими опытами Э. Резерфорд модель атома Томсона?
 Какая модель атома вытекает из опытов Э. Резерфорда?
 Что принимается за размер атома в планетарной модели атома?
Задача с выбором ответа:
Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц показали:
 электрон вращается в атоме по круговой орбите;
 альфа-частицы положительно заряжены;
 атом не взаимодействует с альфа-частицами;
 атом состоит из малого по объему и массивного ядра и легких электронов;
 атом состоит из заряженных частей.
Выберете правильный и исчерпывающий ответ.
5. Подведение итогов: (выставляем оценки, благодарим активных учащихся,
ребят, подготовивших интересные сообщения.)
6. Домашнее задание по физике: §17;
Предлагаем ребятам по желанию творческое задание (записано на доске):
 Используя изученные на уроке термины: атом, ядро, оболочка, протон,
нейтрон, электрон; фамилии ученых: Томсон, Резерфорд, составить
кроссворд.
 Нарисовать иллюстрации к прозвучавшему на уроке .
 Сочинить историю в любом жанре (сказка, басня, детектив и т.д.):
a) на что по-вашему похож атом?
b) Если бы не было открыто строение атома, то……………
8