ПЛАН – КОНСПЕКТ УРОКА ПО ФИЗИКЕ
план-конспект занятия (физика, 11 класс) по теме

ПЛАН – КОНСПЕКТ  УРОКА ПО ФИЗИКЕ

Учитель физики: Маслова Екатерина Николаевна

Тема урока: Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Испускание и поглощение энергии атомом.

Тип урока: урок объяснение, изучение и закрепление нового материала.

Вид урока: комбинированный урок.

 Цель урока: Ознакомится с историей открытия и моделями атома; изучить строение атома; рассмотреть фундаментальный опыт Резерфорда; процесс испускание и поглощение энергии атомом; изучить постулаты Бора и его теорию.

Задачи:

Образовательные:

Изучить ядерную модель атома. Познакомить студентов с гипотезой Томсона и фундаментальным опытом Резерфорда и его последователя Бора и работами других ученых в этой области. Научиться решать задачи.

Развивающая:

Развивать интеллектуальные и творческие способности студентов.

Воспитательные: 

Развивать познавательный интерес к предмету и  кругозор.

Показать значение опытных фактов и развитие гипотез в совместной работе ученых.

Оборудование: компьютер, проектор для показа презентаций,  графические заданий, портреты ученых, модели атомов Томсона и Резерфорда и Бора (презентация), Опыт Резерфорда (презентация ). Комбинированный тест .

Ход урока.

Подготовительная часть: организационный момент, постановка цели урока.

Основная часть:

1. Проверка домашнего задания

А. сдача рефератов по теме «Внутренний и внешний фотоэффект»:

Б. Презентации  по теме урока (опережающее обучение) «Биографии знаменитых ученых. Дж. Дж. Томсоном. Э. Резерфорд. Н. Бор.»

3. Изучение нового материала.

После открытия в 1897 г. электрона, входящего в состав атома, был сделан вывод о сложном строении атома. Первая достаточно разработанная модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. Согласно этой модели вещество в атоме несет положительный заряд и равномерно заполняет весь объем атома. Электроны “вкраплены” в атом. Первая модель атома сыграла положительную роль. Но она требовала доказательств.

Чтобы проверить гипотезу Дж. Дж. Томсона необходимо провести эксперимент, что и сделал Э. Резерфорд. Он решил проникнуть внутрь атома с помощью αчастиц, которые имели положительный заряд, массу почти в 7300 раз большую чем масса электрона и очень большую скорость (около 20000км/c). С точки зрения Резерфорда α- частицы должны были легко "пробить" атом и тем самым доказать справедливость модели атома Томсона.

  Цель опыта:  изучить структуру атома.

Рис.1

Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

Порядок проведения опыта

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка.

Рисунок 2.

Опыт Э. Резерфорда. Альфа-частицы  ударяются  о золотую пластинку.

Если бы атом был устроен так, как предполагал Дж.Томсон, то Э.Резерфорд увидел бы следующую картину: α- частицы пробивают атом и практически не отклоняясь пролетают сквозь него.  

• большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения;
• небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°
• очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

То, что некоторые    частицы отскакивали от фольги назад, противоречило модели Томсона. Результаты эксперимента настолько удивили Резерфорда, что он воскликнул: "... неправдоподобно так же, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и убил бы вас самих".

Объяснение результатов опыта

Рисунок 3.

Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов.

Чтобы объяснить результаты опыта, Резерфорд рассуждал так. Известно, что  частицы имеют положительный заряд. Если некоторые из них отталкиваются фольгой назад, значит, положительный заряд есть и в атомах фольги. Но поскольку бoльшая часть частиц пролетает сквозь фольгу, почти не отклоняясь при этом, значит, этот положительный заряд занимает лишь малую часть каждого атома. Ее назвали ядром атома.

Наблюдавшееся Резерфордом рассеяние заряженных частиц и объясняется таким распределением зарядов в атоме. При столкновениях с отдельными электронами     частицы испытывают отклонения на очень небольшие углы, так как масса электрона мала. Однако в тех редких случаях, когда она пролетает на близком расстоянии от одного из атомных ядер, под действием сильного электрического поля ядра может произойти отклонение на большой угол.

 Так как большая часть пространства в атоме пуста, быстрые   альфа -частицы могут почти свободно проникать через значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.

Опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Ядро содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы, а плотность его должна быть ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома.

Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны (рис. 3).

Ядерная модель атома не позволяла обьяснить в рамках классической физики спектральные закономерности  и существование спектральных линий (строго определенных длин волн излучения и поглощения атомов). Нельзя было объяснить и устойчивость самого атома. Электрон двигаясь вокруг ядра с центростремительным ускорением под действием силы притяжения к ядру, должен, как и всякий движущейся с ускорением заряд, непрерывно излучать электромагнитные волны , теряя энергию. Частота излучения электрона должна при этом непрерывно меняться, а сам он с каждым оборотом должен приближаться к ядру, и упасть на него, но этого не происходит .  

Чтобы объяснить противоречия между опытами и классической физикой датский ученый Н.Бор создал гипотезу дискретности энергетических значений атома, энергетических уровней и квантования орбит. В основе теории Н.Бора лежат три постулата.

ПОСТУЛАТЫ БОРА

1. Электроны могут двигаться вокруг ядра атома только по строго определенным орбитам, соответствующим одному из энергетических уровней атома.

2. Когда электрон движется по одной из разрешенных орбит , атом находится в устойчивом состоянии , т. е. не излучает и не поглощает энергию.

3. Когда электрон перескакивает с одной из дозволенных орбит на другую, более близкую к ядру, атом испускает квант энергии (фотон) в виде излучения, частота которого определяется по формуле Планка:

Е=hv

Из постулатов Бора  следует, что величина кванта, испускаемого из одного устойчивого состояния в другое, равна разности значений энергии атома в этих двух состояниях:

hv=  Em-En,

а так как v=c/длину волны,. то

1/ длину волны= (Em-En)/hc

Где  h=6,62.10 -34 Дж .с

Бор рассчитал радиусы дозволенных орбит электрона в атоме водорода и вычислил соответствующие им энергетические уровни. Теория Бора  объяснила весь спектр атома водорода.

 Модель атома Бора

Представьте, что электроны в атоме движутся по определенным электронным орбитам - по аналогии с движениями планет Солнечной системы. Каждая планета движется по своей орбите, так и электроны вращаются вокруг ядра атома. Каждая такая орбита для электрона получила название "уровень энергии". Энергия электронов в атоме может изменяться только скачкообразно. Т.е. электрон может перескакивать с одной орбиты на другую и обратно (но не может занимать положение между орбитами). Говорят, что энергетические состояния электронов в атоме квантованы.

Энергия электрона зависит от радиуса его орбиты. Минимальная энергия у электрона, который находится на ближайшей к ядру орбите. При поглощении кванта энергии электрон переходит на орбиту с более высокой энергией (возбужденное состояние). И наоборот, при переходе с высокого энергетического уровня на более низкий - электрон отдает (излучает) квант энергии.


Рис.4
Кроме того, Бор указал, что разные энергетические уровни содержат разное количество электронов: первый уровень - до 2 электронов; второй уровень - до 8 электронов…

Рис.5

К сожалению, описать атомы со сложной структурой, опираясь на модель Бора, не представляется возможным. Поэтому, в 20-х годах прошлого века получила широкое распространение квантово-механическая модель (КММ) атома.

 Квантово-механическая модель строения атома

В основу КММ положена квантовая теория атома, согласно которой электрон обладает как свойствами частицы, так и свойствами волны. Другими словами, о местоположении электрона в определенной точке можно судить не точно, а с определенной долей вероятности. Поэтому в КММ орбиты Бора заменили орбиталями (эдакие "электронные облака" - области пространства в которых существует вероятность пребывания электрона).

Состояние электрона в атоме описывают с помощью 4 чисел, которые называют квантовыми:

Главное квантовое число n

Описывает:

• среднее расстояние от орбитали до ядра;
• энергетическое состояние электрона в атоме.

Чем больше значение n, тем выше энергия электрона и больше размер электронного облака. Если в атоме несколько электронов с одинаковым n, то они образуют электронные облака одинакового размера - электронные оболочки.

Орбитальное квантовое число l (азимутальное)

Описывает форму орбитали, которая зависит от n.

Орбитальное число l может принимать целочисленные значения в диапазоне от 0 до n-1. Например, при n=2: l=0 l=1

Значение l определяет форму орбитали, а n - ее размер

Орбитали, имеющие одинаковое n, но разные l называют энергетическими подуровнями и обозначают буквами латинского алфавита:

Состояние электрона в атоме для различных главных и орбитальных квантовых чисел принято записывать следующим образом: 2s; 3p; 3d…

Магнитное квантовое число m

Описывает ориентацию орбиталей в пространстве. 

Может принимать целочисленные значения в диапазоне от -l до +l (включая 0). Например:

Для l=0 возможно только одно значение: m=0. Это значит, что s-орбиталь имеет только одну пространственную ориентацию.
Для l=1: m=-1;0;+1 - p-орбиталь имеет три пространственные ориентации.
Для l=2: m=-2;-1;0;+1;+2 - d-орбиталь имеет пять пространственных ориентаций.

Спиновое квантовое число ms

Описывает направление вращения электрона в магнитном поле - по часовой стрелке или против. На каждой орбитали может находиться только два электрона: один со спином +½ другой -½.


Квантовые числа для первых трех энергетических уровней:

На первом уровне (n=1) есть только s-орбиталь, на которой может находиться только 2 электрона со спинами +1/2 и -1/2. Это справедливо для s-орбитали любого уровня: 1s; 2s; 3s…

На втором энергетическом уровне (n=2) есть уже две орбитали s; p. На третьем (n=3) - три орбитали: s, p, d. и т.д. С каждым новым энергетическим уровнем добавляется новая орбиталь.

Для 2p-орбитали существует три пространственных ориентации (формы облака), на каждой из которых может находиться по два электрона. Т.е. на втором энергетическом может находиться не более 6 p-электронов.

Для 3d - максимум 10 d-электронов и пять форм облаков.

Главные энергетические уровни отличаются энергией. 

Чем выше уровень - тем выше энергия. С другой стороны, различные орбитали одного и того же уровня также обладают разной энергией:

Энергия электронов на орбитали 2p выше, чем на 2s
Энергия электронов на орбитали 3p выше, чем на 3s
Энергия электронов на орбитали 3d выше, чем на 3s
Энергия электронов на орбитали 3d выше, чем на 3p

Что же касается электронов "внутри орбиталей", то их энергии одинаковы (так у всех десяти электронов 3d-орбитали энергии одинаковы).

Закрепление.

Беседа со студентами по пройденному материалу.

Вопросы

1) Рассказать о развитии представлений строения атома .

2) Описать опыт Э.Резерфорда.

3) Какие основные выводы по результатам опыта Э. Резерфорда были сделаны.

4) Каково современное представление атома по квантово-механической модели.

5) Рассказать расположение энергетических значения серий Лаймана, Бальмера, Пашена.

6) По рисунку (рис.2)  расскажите, как проходят α- частицы сквозь атомы вещества? Почему?

7) сформулируйте постулаты Бора.

8) Рассмотрите рисунок, в каком случае электрон отдает квант энергии, а в каком получает. Может ли электрон самостоятельно перейти на более высокий энергетический уровень. Может ли электрон перейти  на более высокий энергетический уровень, получив любое количество энергии. Какое состояние электрона называется «возбужденным».

Решение задач.

1. Найдите энергию, которую отдаст электрон перейдя с n=3 энергетического уровня на n= 1, пользуясь формулой ,  hv=  Em-En, и рисунком.

Дано:

 при n=3 E3= -1.51эВ, при  n=1 E1= -13.6эВ.  h=6,62.10 -34 Дж .с

Решение:

Е отданная= E3- E1 ,   Е отданная= -1.51эВ - ( -13.6эВ)=12.09эВ

Ответ : Е отданная=12.09 эВ

2. При испускании атомом водорода фотона энергия этого атома изменилась на 3,31 эВ.

Найти длину волны испускаемого света.

Дано:

Е отданная = 3,31 эВ =5,3 .10 -19 Дж.   h=6,62.10 -34 Дж .с.  с=3.10 8м/с

Решение:

Е отданная = hv

v = c/ длина волны

Е отданная = h (c/ длина волны)

длина волны = hc / Е отданная

длина волны = (6,62.10 -34  . 3.10 8)/ 5,3 .10 -19 = 3,75 .10 -7 =375нм

Ответ: длина волны = 375нм

Проверка усвоенного на уроке материала.

Комбинированный тест.

1. Укажите один правильный вариант ответа.

В нейтральном атоме всегда одинаковое количество..

А) нейтронов и электронов                  В) протонов и электронов

Б) нейтронов и протонов                      Г) нуклонов и электронов

2. Укажите один правильный вариант ответа.

Э.Резерфорд проводил свой опыт по столкновению  альфа-частиц с золотой фольгой с целью изучить …

А) структуру атома                                 В)  золотую  фольгу

Б)  альфа- частицы                                  Г)  ядро атома

3.  Пользуясь рисунком, расставьте буквы К, Э, Ф, М соответственно  названиям частей экспериментальной установки для опыта Резерфорда по рассеянию α- частиц?

Контейнер –K. Экран– Э. Фольга– Ф.Микроскоп –M.

Или

3а. Вставте пропущенные слова в текст по описанию экспериментальной установки для опыта Э.Резерфорда.

Радиоактивного источник заключенного в свинцовый контейнер К.

 α-частицы от радиоактивного источника, направляются на тонкую фольгу Ф.

Рассеянные частицы попадают на экран Э.

Вспышки от рассеянные частиц наблюдались глазом с помощью микроскопа М.

4. Вставьте пропущенные слова в текст по описанию результатов опыта Э.Резерфорда.

Большинство α-частиц не отклоняется от траектории полета;

Небольшая часть α-частиц отклоняется на значительные углы.

Очень редкие α-частицы отклоняются на углы, близкие к 180°.

5.  Вставьте пропущенные слова в текст с выводами по  результатам опыта Э.Резерфорда.

В центре атома находится плотное  ядро.

Его диаметр не превышает 10–14–10–15 метров.

Ядро содержит весь положительный заряд.

Ядро содержит не менее 99,95 % массы атома.

Заряд ядра равен заряду всех электронов в атоме.

6. Проведите стрелки  и составьте схему состава атома  из данных слов. 

                                                           Атом

                     Ядро                                                    Электронная оболочка

     протоны     нейтроны                                               электроны

7. Укажите один правильный вариант ответа.

В состав ядра атома входят следующие частицы:
А) мюоны и электроны;                      В) протоны и электроны;
Б) нейтроны и протоны;                      Г) нейтроны и электроны.

8. Укажите один правильный вариант ответа.

Современная модель структуры атома обоснована опытами…
А) по рассеянию α- частиц;                В) по электризации;
Б) по сжимаемости жидкости;            Г) по тепловому расширению.

9. Укажите один правильный вариант ответа.

Ядерную модель строения атома предложил…
А) Беккерель;                                       В) Кюри;
Б) Томсон;                                            Г) Резерфорд.

10. По современным представлениям атом – это…
А) копия простейшей молекулы о вещества;
Б) мельчайшая частица любого вещества;
В) однородный шар с вкраплениями электронов;
Г) положительно ядро, вокруг которого электроны.


11. С помощью опытов по рассеянию α- частиц Резерфорд установил, что…
А) положительный заряд распределен равномерно по всему объему атома;
Б) положительный заряд сосредоточен в центре атома и имеет малый объем;
В) в состав атома входят электроны, распределенные равномерно по  атому;
Г) отрицательный заряд распределен равномерно по  всему объему атома.

Подведение итогов .

Заключительное слово учителя: На волне открытий строения атома поэт Валерий Брюсов в 1922 году написал стихотворение “Мир электрона”, в котором провел аналогию между строением атома и Солнечной системы.

Мир электрона.

Быть может, эти электроны-
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков.


Еще, быть может, каждый атом -
Вселенная, где сто планет,
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но так же то, чего здесь нет.


Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь,
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь...

Домашнее задание.

2.  На какую величину изменилась энергия атома, если он поглотил длину =375нм

Дано:

длина волны = 375нм =3,75 .10 -7 м .   h=6,62.10 -34 Дж .с.  с=3.10 8м/с

Решение:

Е полученная = hv

v = c/ длина волны

Е полученная = h c/ длина волны

Е полученная = (6,62.10 -34  . 3.10 8)/ 3,75 .10 -7   = 5,3 .10 -19 Дж

Ответ: Е полученная = 5,3 .10 -19 Дж    

Раздаточный материал.

1.

Решение задач.

1. Найдите энергию, которую отдаст электрон перейдя с n=3 энергетического уровня на n= 1, пользуясь формулой ,  hv=  Em-En, и рисунком.

Дано:

 при n=3 E3= -1.51эВ, при  n=1 E1= -13.6эВ.  h=6,62.10 -34 Дж .с

2. При испускании атомом водорода фотона энергия этого атома изменилась на 3,31 эВ.

Найти длину волны испускаемого света.

Дано:

Е отданная = 3,31 эВ =5,3 .10 -19 Дж.   h=6,62.10 -34 Дж .с.  с=3.10 8м/с

Решение:

2.

Тестовое задание по теме Ядерная модель атома.

 студента____________________ группы ______ дата_____________

Проверка усвоенного на уроке материала.

Комбинированный тест.

1. Укажите один правильный вариант ответа.

В нейтральном атоме всегда одинаковое количество..

А) нейтронов и электронов                  В) протонов и электронов

Б) нейтронов и протонов                      Г) нуклонов и электронов

2. Укажите один правильный вариант ответа.

Э.Резерфорд проводил свой опыт по столкновению  альфа-частиц с золотой фольгой с целью изучить …

А) структуру атома                                 В)  золотую  фольгу

 Б)  альфа- частицы                                  Г)  ядро атома

3.  Пользуясь рисунком, расставьте буквы К, Э, Ф, М соответственно  названиям частей экспериментальной установки для опыта Резерфорда по рассеянию α- частиц?

Контейнер –___. Экран– ___. Фольга– ___.Микроскоп –____.

Или

3а.Вставте пропущенные слова в текст по описанию экспериментальной установки для опыта Э.Резерфорда.

Радиоактивного источник заключенного в свинцовый ________________ К.

 α-частицы от радиоактивного источника, направляются на тонкую _______ Ф.

Рассеянные частицы попадают на ______________ Э.

Вспышки от рассеянные частиц наблюдались глазом с помощью _________ М.

4. Вставьте пропущенные слова в текст по описанию результатов опыта Э.Резерфорда.

Большинство α-частиц не ______________от траектории полета.

Небольшая часть α-частиц отклоняется на _____________ углы.

Очень редкие α-частицы отклоняются на углы, близкие к _____.

5.  Вставьте пропущенные слова в текст с выводами по  результатам опыта Э.Резерфорда.

В центре атома находится плотное  ____________.

Его диаметр не превышает ____________ метров.

Ядро содержит весь _______________________ заряд.

Ядро содержит не менее ___________ % массы атома.

Заряд ядра равен заряду всех _____________ в атоме.

6. Проведите стрелки  и составьте схему состава атома  из данных слов. 

                                                           Атом

                     Ядро                                                    Электронная оболочка

     протоны     нейтроны                                               электроны

7. Укажите один правильный вариант ответа.

В состав ядра атома входят следующие частицы:
А) мюоны и электроны;                      В) протоны и электроны;
Б) нейтроны и протоны;                      Г) нейтроны и электроны.

8. Укажите один правильный вариант ответа.

Современная модель структуры атома обоснована опытами…
А) по рассеянию α- частиц;                В) по электризации;
Б) по сжимаемости жидкости;            Г) по тепловому расширению.

9. Укажите один правильный вариант ответа.

Ядерную модель строения атома предложил…
А) Беккерель;                                        В) Кюри;
Б) Томсон;                                             Г) Резерфорд.

10. Укажите один правильный вариант ответа.

По современным представлениям о строении атома считается, что атом – это…

А) копия простейшей молекулы о вещества;
Б) мельчайшая частица любого вещества;
В) однородный шар с вкраплениями электронов;
Г) положительно ядро, вокруг которого электроны.

11. Укажите один правильный вариант ответа.

С помощью опытов по рассеянию α- частиц Резерфорд установил, что…

А) положительный заряд распределен равномерно по всему объему атома;
Б) положительный заряд сосредоточен в центре атома и имеет малый объем;
В) в состав атома входят электроны, распределенные равномерно по  атому;
Г) отрицательный заряд распределен равномерно по  всему объему атома.