Старовойтова
реклама
Дата:27.02.2009 г. Тема урока: Сложное строение атома. Опыты Резерфорда. Квантовые постулаты Бора. Тип урока: урок изучения нового материала Вид урока: урок-конференция, урок-лекция Цель урока: через анализ фундаментальных исторических опытов подвести учащихся к пониманию квантовой природы атомной системы Задачи урока: Познакомить учащихся с историей развития взглядов на строение атома, повторить фундаментальные опыты Резерфорда. Изучить постулаты Бора. 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. Ведущие идеи урока: Постулаты Н.Бора (1913 г.) – первый шаг на пути создания квантовой механики. Первый постулат Бора • Атомная система может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еn; в стационарных состояниях атом не излучает. Второй постулат Бора • Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Еk в стационарное состояние с меньшей энергией Еn. Энергия излученного фотона равна разности энергий: hνkn = Ek - En Методы обучения: Репродуктивные методы; Демонстрации и материалы к уроку: Диаграмма энергетических состояний атома водорода (рисунок) Литература: 1.Купер Л. «Физика для всех», т.2,М.,1974 г. 2.Храмов Ю.А. «Физики», М., 1983 г. 3.Сауров Ю.А., Мултановский В.В. «Квантовая физика. Модели уроков», М.,1996 г. 1 План урока. № Этап урока 1 2 3 Постановка задачи урока Представление исследовательских ученических работ по истории развития взглядов на строение атома Постулаты Бора 4 Подведение итогов и д/з Приемы и методы Рассказ учащихся, демонстрация слайдов Рассказ учителя, работа с опорным конспектом, анализ диаграммы энергетических уровней водорода Составление учащимися синквейна по теме «Атом» Время, мин 5 15-20 15 5 Ход урока. 1. 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 (представление работы учащихся) 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.). Демокрит происходил из богатого и знаменитого рода в северной Греции. Все доставшиеся ему в наследство деньги он потратил на путешествия. За это его осудили: по греческим законам растрата отцовского имущества являлась серьезным преступлением. Но он был оправдан, так как ему удалось доказать, что в своих путешествиях он приобрел обширные знания. В конечном счете, горожане признали Демокрита мудрецом и выделили денежное содержание, которое позволило ему продолжать научные занятия. Основные элементы его картины природы таковы. 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). Различая два вида частиц материи, он 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». Английский ученый Джон Дальтон (1766-1844) впервые предпринял попытку количественного описания свойств атомов. Именно им было введено понятие атомной массы и составлена первая таблица относительных атомных масс 2 различных химических элементов. При этом атом представляется как мельчайшая неделимая, т.е. бесструктурная, частица вещества. Однако 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. 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. Чтобы определить природу катодных лучей, английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) проводит следующий эксперимент. Его экспериментальная установка представляет собой вакуумную электронно-лучевую трубку (рис.). 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. 3 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 ( 1,6 10 19 Кл ), то масса катодной частицы оказывается почти в 1840 раз меньше массы иона водорода. Так открыли первую элементарную частицу с массой me 9,11 10 31 кг и 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 была предложена Томсоном. Согласно этой модели вещество в атоме несет 4 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. 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 α –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 α -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 возвращаются…» (Позже Резерфорд вспоминал: «Это было самым невероятным событием в моей жизни. Оно было столь же невероятным, как если бы 15дюймовый снаряд, выпущенный в кусок папиросной бумаги, отскочил от нее и ударил бы в стреляющего»). «Они» возвращались редко: в среднем одна α-частица из восьми тысяч. Отражение от мишени означало, что α-частица встретила на пути 5 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 α-частицы попадают в массивную атомную сердцевину. Подавляющее большиство пролетает в отдалении от нее и рассеивается на малые углы. Резерфорд «увидел» атомное ядро! В мае 1911 г. он изложил результаты экспериментальных и теоретических поисков в области строения атома. Согласно расчетам положительный заряд атома должен быть сосредоточен в сфере радиусом порядка 10-12 см. Электроны же распределены вокруг ядра в области, размеры которой порядка 10-8 см. Электрон не может стоять на месте: иначе он упадет на ядро из-за электрического притяжения. Но электрон может вращаться вокруг ядра, и тогда мы получим своего рода солнечную систему заряженных частиц, если назвать ее так по аналогии с планетарной солнечной системой. Неужели природа так экономна? Неужели наш мир так устроен, что в качестве основы атомного строения материи лежит повторение в атомных масштабах планетарной солнечной системы? После предположения Резерфорда возник кризис, который привел к полному краху классической физики и замене ее квантовой механикой. Дело в том, что модель Резерфорда обладает одним пороком. Этот порок непреодолим, неизбежен и губителен; он вытекает непосредственно из теории Максвелла. Особой заслугой теории Максвелла было предсказание того факта, что движущаяся с ускорением заряженная частица, например вращающийся по кругу электрон, будет излучать электромагнитные волны. Электрон, вращающийся вокруг положительного заряда в планетарной модели атома, должен излучать свет с частотой, равной частоте его обращения. Излучая свет, электрон теряет энергию. При этом он будет приближаться к положительному заряду, пока, непрерывно 6 излучая, не упадет на ядро. Время, за которое электрон упал бы со своей орбиты на ядро, чрезвычайно мало, порядка миллиардной доли секунды, что абсолютно не согласуется с нашим ощущением устойчивости атома. Далее, излучение, испущенное электроном во время падения, было бы непрерывным, причем его частота возрастала бы с уменьшением радиуса орбиты электрона. Спектр атома был бы непрерывным, тогда как эксперимент дает линейчатый спектр для излучающего атома. 3. Рассказ учителя и работа с опорным конспектом. Полученные противоречия свидетельствовали, что классические представления неприменимы для атомной системы. Необходимо было строить новую теорию, чтобы спасти «обреченный» атом. Спасение пришло в лице датского физика Нильса Бора (18851962 гг.). В 1913 году Бор выдвинул ряд постулатов. Его цель заключалась в том, чтобы объяснить устойчивость атома и образование линейчатых спектров. Для этого необходимо было предположить следующее (оформление опорного конспекта): Постулаты Н.Бора (1913 г.) – первый шаг на пути создания квантовой механики. Первый постулат Бора • Атомная система может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еn; в стационарных состояниях атом не излучает. Второй постулат Бора • Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Еk в стационарное состояние с меньшей энергией Еn. Энергия излученного фотона равна разности энергий: hνkn = Ek - En Каждое из предположений – условие квантования, отсутствие излучения при нахождении электрона на одной из стационарных орбит и излучение света при переходе с одной орбиты на другую – противоречит классической теории. Однако ведь надо же было каким-то образом постулировать устойчивость атома! Конечно, было несколько самонадеянно выдвигать предположения, противоречащие электродинамике Максвелла и механике Ньютона, но Бор был молод и смел. О правильности его предположений свидетельствовало совпадение с экспериментом. Блестящее совпадение теоретических и экспериментальных исследований было получено для спектральных линий водорода, хотя количественного описания атомов других элементов Бору дать не удалось. 7 Модель атома водорода по Бору (n –главное квантовое число; состояние атома с n=1 соответствует наименьшей отрицательной энергии Е1 атома и называется основным состоянием; состояния с n>1 называются возбужденными состояниями атома; при n→∞ энергия связи электрона с атомом стремится к нулю, т.е. электрон становится свободной частицей; таким образом, энергия Е1 равна энергии ионизации атома; выше нулевого значения энергии находится область положительных непрерывно изменяющихся энергий свободного электрона) Обратить внимание, что происхождение различных серий в спектре водорода объясняется тем, на какой энергетический уровень переходит возбужденный атом. Серия Лаймана (в ультрафиолетовом участке спектра) возникает при переходах атомов из возбужденных состояний в основное состояние (т.е. на первый энергетический уровень). Серия Бальмера для видимого участка спектра – при переходах атомов в первое возбужденное состояние (т.е. на второй энергетический уровень), серия Пашена (в инфракрасном участке спектра) – на третий энергетический уровень. Вопросы учащимся: используя схему энергетических уровней водорода, сравните спектр излучения и спектр поглощения; сколько квантов с различной энергией может испустить атом водорода, если он находится в 4-ом энергетическом состоянии; может ли электрон в атоме водорода иметь энергию -20 эВ? -2 эВ? Квантуется ли энергия электрона, если он свободен? Теория Бора была революцией в физике и вообще в представлениях человека об окружающем мире: она показала, что атомы «живут» по законам, совершенно не похожим на те, которые управляют поведением макроскопических тел. За заслуги в изучении строения атома Бор в 1922 г. был удостоен Нобелевской премии. Хотя в некотором смысле можно сказать, что теория Бора вызвала больше вопросов, чем дала ответов. Где находился электрон в процессе перехода? Существовал 8 ли он вообще между разрешенными орбитами? Существовал ли он в обычном смысле, когда находился на разрешенных орбитах? На эти вопросы будут пытаться ответить Луи де Бройль, Шредингер, Макс Борн, Гейзенберг и другие физики, работы которых построят новую квантовую механику. 4. Подведение итогов. Мы рассмотрели на уроке фундаментальные экспериментальные и теоретические работы, которые в свое время перевернули представление ученых об атоме. Что нового об атоме сегодня узнали Вы? Попробуйте составить синквейн на тему «Атом» 5. Д/з: §8-10 (ответить на вопросы, выучить постулаты Бора) 9
