Методический электронный образовательный центр Министерства образования Оренбургской области и Оренбургского государственного университета
Методический электронный образовательный центр Министерства образования Оренбургской области и Оренбургского государственного университета
Название предмета: физика
Класс: 11
УМК: Физика, Г.Я. Мякишев, 2010
Уровень обучения: базовый
Тема урока: «Строение атома. Опыт Резерфорда»
Общее количество часов, отведенное на изучение темы: 14
Место урока в системе уроков по теме: раздел «квантовая физика»-5 урок
Цель урока: ознакомить обучающихся с ядерной моделью атома.
Задачи урока:
1. Ознакомить с различными представлениями о строении атома.
2. Рассмотреть опыт, подтверждающий сложность строения атома (опыт Резерфорда).
3. Познакомить обучающихся с результатами этого опыта и недостатками модели атома Резерфорда.
Планируемые результаты:
обучающиеся должны знать: строение и состав атома, состав атомного ядра;
обучающиеся должны уметь: объяснять различия атомов по их внутреннему строению;
определять состав атома;
объяснять результаты опыта Резерфорда.
Техническое обеспечение урока:
1. Мульмедийный проектор.
2. Презентация к уроку
Дополнительное методическое и дидактическое обеспечение урока:
сайт: https://infourok.ru/razrabotka_uroka_po_fizike-297649.htm
Содержание урока:
1. Оргмомент
2. Актуализация знаний: Давайте вспомним ранее изученный материал:
1. В чем состоит явление фотоэффекта?
2. Каково условие существования фотоэффекта?
3. В чем состоит различие между внешним и внутренним фотоэффектом?
4. Как объяснить световое давление на основе квантовых представлений о свете?
5. Что понимается под словами корпускулярно-волновой дуализм?
3. Объяснение нового материала
1. Важнейший этап становления современной физики – это открытие сложного строения атома. Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. В начале века в физике бытовали самые разные и часто фантастические представления о строении атома. В 1903 – 1904 годах появились публикации о строении атома, принадлежащие одна японскому физику Хантаро Нагаока, другая английскому физику Джозефу Джону Томсону. Нагаока представил строение атома аналогичным строению Солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по кольцеобразным орбитам движутся «планеты» - электроны. Дж. Томсон предложил модель атома в виде положительно заряженного шара, в котором «плавают» электроны, нейтрализующие положительный заряд. У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок выполняют электроны.
Например, ректор Мюнхенского университета Фердинанд Линдеман в 1905 г. утверждал, что «атом кислорода имеет форму кольца, а атом серы - форму лепешки». Продолжала жить и теория «вихревого атома» лорда Кельвина, согласно которой, атом устроен подобно кольцам дыма, выпускаемым изо рта опытным курильщиком.
Большинство физиков склонялось, что прав Дж. Томсон.
Однако в физике уже более 200 лет принято правило: окончательный выбор между гипотезами вправе сделать только опыт.
Такой опыт поставил Эрнест Резерфорд (1871-1937) со своими сотрудниками.
Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то 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 году применить зондирование атома с помощью α-частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и других некоторых элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это полностью ионизированные атомы гелия. Скорость α-частиц велика, она составляет 1/15 скорости света. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны из-за своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы, например, как маленький камушек при столкновении с автомобилем не может значительно изменить его скорость. Изменение направления движения α-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Поэтому, по рассеянию α-частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома.
2. Рассмотрим сам опыт Резерфорда (рис.1): В качестве источника был взят радиоактивный элемент, который помещался внутри свинцового цилиндра, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α-частиц из канала падал на тонкую золотую фольгу. После рассеяния α-частицы попадали на люминесцирующий экран. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света, которую можно было наблюдать в микроскоп. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачен воздух. При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствии фольги на экране появлялся светлый небольшой кружок, вызванный тонким пучком α-частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, α-частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади. Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α-частиц на большие углы. Пропуская пучок α-частиц (заряд +2е, масса 6,64·10-27 кг) через тонкую золотую фольгу, Э. Резерфорд обнаружил, что какая-то из частиц отклоняется на довольно значительный угол от своего первоначального направления, а небольшая часть α-частиц отражается от фольги. Но, согласно модели атома Томсона, эти α-частицы при взаимодействии с атомами фольги должны отклоняться на малые углы, порядка 2°. Однако несложный расчет показывает: чтобы объяснить даже такие небольшие отклонения, нужно допустить, что в атомах фольги может возникать огромное электрическое поле напряженностью свыше 200 кВ/см. В полиэтиленовом шаре Томсона таких напряжений быть не может. Столкновения с электронами тоже не в счет. Ведь по сравнению с ними, α-частица, летящая со скоростью 20 км/с, все равно, что «если бы вы выстрелили снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар.».
Предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя.
Рис. 1. Опыт Резерфорда
3. Результаты опыта показали, что при распределении по всему объёму положительный заряд не мог создать интенсивное электрическое поле, способное отбросить α-частицу назад. Максимальная сила отталкивания, действующая на частицу, определяется по закону Кулона.
Для того, чтобы увеличить силу отталкивания частицы нужно уменьшить R, в котором сосредоточен положительный заряд атома. Заряд, отклоняющий α-частицу на большой угол, не может принадлежать электрону, так как его масса мала по сравнению с массой α-частицей.
Отклонение α-частиц от первоначального направления полёта происходят не в результате большого числа малых отклонений, претерпеваемых частицей при полёте сквозь множество атомов фольги, а в результате однократного столкновения частицы с одним ядром атома.
Исходя из результатов своего опыта, Резерфорд пришёл к выводу, что внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле, которое создаётся положительным зарядом, связанным с большой массой и сконцентрированным в малом объёме.
Подсчитывая число α-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Наименьшее расстояние, на которое частица может приблизиться к положительному заряду атома порядка 10-14-10-15м (у разных ядер диаметры различны)(рис.2). Размер же самого атома 10-10м, т.е. в 10-100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.
На основе своих опытов он создал планетарную модель атома. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома. Отрицательный заряд всех электронов распределён по всему объёма атома (рис.3). В целом атом нейтрален.
Рис. 2. Размеры атома
Рис.3. Строение атома
Недостатки модели Резерфорда в том, что на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики должен излучать электромагнитные волны. При этом излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию электроны должны приближаться к ядру и за ничтожно малое время электрон должен упасть на ядро. Атом должен прекратить своё существование. В действительности атомы устойчивы и в невозбуждённом состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы.
4. Закрепление нового материала
1. Какие представления о строении атома вы сегодня узнали? (строению Солнечной системы: роль Солнца-положительная часть атома, вокруг орбиты движутся «планеты» - электроны; «кекс с изюмом»; «вихревой атом» и др.)
2. Как вы думаете в чем была цель опыта Резерфорда? (Подтвердить или опровергнуть модель атома Томсона)
3. Опишите опыт Резерфорда. ( радиоактивный препарат помещался внутри свинцового цилиндра, пучок α-частиц попадал на фольгу исследуемого материала, проходя сквозь фольгу частицы попадали на экран, при этом на экране возникала вспышка, которую наблюдали в микроскоп)
4. Каких результатов получил Резерфорд? (подавляющая часть α-частиц проходит сквозь фольгу отклоняясь на малые углы, но некоторая часть частиц отклоняется на значительные углы)
5. Какой выводы сделал Резерфорд из опыта? (модель атома Томсона не справедлива)
6. В чем недостатки модели атома Резерфорда? (модель не позволяет объяснить устойчивость атома)
5. Домашнее задание
§ 93, напишите краткое изложение на тему «Почему планетарная модель атома не согласуется с законами классической физики?»
6. Подведение итогов урока
Список литературы:
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни – 19-е изд. – М.: Просвещение, 2010 г.
2. Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 11 класс. – М.: ВАКО, 2011. – 461с.
Автор(ы): Картбаева А. С.
Скачать: Физика 11кл - Конспект.docxАвтор(ы): Картбаева А. С.
Скачать: Физика 11кл - Презентация к уроку.pptx
