Планетарная модель атома
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

МКОУ «Возовская  СОШ»

Урок по теме

«Планетарная модель атома»

11 класс

(по учебнику:С.А. Тихомировой)

           Подготовила: Татаренкова Л.П.

Физика 11 класс

Тема урока: «Планетарная модель атома»

Цели урока:изучить планетарную модель атома, познакомить с фундаментальным опытом Резерфорда,  на примере жизни и деятельности Э. Резерфорда показать роль крупных учёных в развитии науки.

Оборудование и демонстрации к уроку:

1.Таблица: «Опыт Резерфорда»

2. Видеоролик  «Опыт Резерфорда.  Модель атома»

План урока.

1. Организационный момент.
2. Повторение материала предыдущих уроков.
3. Объявление темы урока. Постановка цели.
4. Изложение  нового материала. Выступление уч-ся с сообщением о Резерфорде. (см. Приложение)

а)Опыт Резерфорда.

б) Результаты опыта Резерфорда.

в) Объяснение результатов опыта.

г) Планетарная модель атома.

д) Трудности модели Резерфорда.

5. Закрепление нового материала.

6.Рефлексивно-оценочный.

7.Постановка домашнего задания.

8.Итоги урока.

Ход урока.

1.Организационный момент.

На доске эпиграф к уроку:

Из идеи движения  электронов, подобного движению планет, возникла атомная физика.

                   М. Планк

2.Повторение материала предыдущих уроков.

1.Какие явления объясняются волновой теорией света?

2.Какие явления объясняются квантовой теорией света?

3. Что такое корпускулярно- волновой дуализм?

4. Приведите примеры химического действия света.

5.Какая химическая реакция происходит под действием света на фотопластинке?

3. Объявление темы урока. Постановка цели.

Тема нашего урока: «Модель атома Резерфорда». Сегодня мы рассмотрим, как развивались взгляды на строение атома, углубим знания о нём, познакомимся с планетарной моделью строения атома.

4.Изложение  нового материала.

Планк пришёл к гипотезе, что атомы могут излучать и поглощать энергию света только порциями. Но гипотеза Планка не раскрывала, ни закономерностей взаимодействия света с атомами, ни закономерностей их строения.

О том, что вещество состоит из частиц, знали давно. Около 420 г. до н.э. греческий учёный, философДемокритподдержал гипотезу о том, что материя состоит из крошечных неделимых частиц.

По-гречески  «atomos»  означает «неделимый», поэтому эти частицы назвали атомами. Долгое время считали атом неделимой частицей.

Вторым рождением атомов человечество обязано английскому учёному Джону Дальтону. Он проводил опыты с газами и изучал пути их соединения. Учёный обнаружил, что кислород и водород, образуя воду, всегда соединяются в одних и тех же пропорциях по массе, исходя из этого, он сделал вывод, что вещества состоят из атомов, атом неделимая частица – твёрдый шарик, который переходит от одной молекулы к другой в ходе химических реакций. То, что вещество состоит из атомов, было доказано. Оставалась неясной внутренняя структура атома. Первые экспериментальные результаты, из которых можно было сделать вывод о сложной структуре атома, о наличии внутри атомов электрических зарядов были получены Майклом Фарадеем в 1833 году при изучении законов электролиза.

Первый шаг в данном направлении сделал английский физик Джозеф Джон Томсон. В 1897 году он доказал, что катодные лучи – не что иное, как потоки отрицательно заряженных частиц. Так был открыт электрон.

В 1903 – 1904 годах появились публикации о строении атома, принадлежащие одна японскому физику ХантароНагаока, 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.

Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на рождественский пудинг, в котором большая, но лёгкая по массе положительна заряженная сфера радиусом r = 10-10м, усеяна отрицательно заряженными частицами.

В 1905 году В. Вин выступил на съезде немецких естествоиспытателей в Мюнхене с докладом об электронах. Он говорил, что проще было бы понимать каждый атом как планетарную систему. Но такая система не может быть устойчивой, так как электроны излучают энергию. Поэтому учёные вынуждены обратиться к системе, в которой электроны находятся в относительном покое. Такой статической моделью был атом Томсона.

а. Опыт Резерфорда.

Модель атома Томсона была умозрительной. Её можно было подтвердить или опровергнуть с помощью эксперимента. Экспериментом, который внёс решающий вклад в создание современной теории строения атома был опыт, проведённый в 1911 году Эрнестом Резерфордом совместно со своими ассистентами – Г. Гейгером и Э. Марсденом.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда и массы внутри атома Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и других радиоактивных элементов и представляют собой дважды ионизированный атом гелия: qα=2е, mα=6,64*10-27кг. Скорость α-частиц велика и составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжёлых элементов. Рассеяние α-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеиванию частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома.

Видеоролик  «Опыт Резерфорда.  Модель атома»

Рассказ об опыте Резерфорда.

Разъяснение назначения всех узлов установки с помощью таблицы:

1-свинцовый контейнер, содержащий крупицу радия;

2-тонкая фольга из исследуемого материала;

3-полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка;

4-микроскоп для наблюдения вспышек.

Экран вместе с микроскопом мог поворачиваться, что позволяло измерять угол φ, под которым частицы попадали на экран, всего было подсчитано свыше 100 000 вспышек.

б. Результаты опыта.

Задание 1.

Учитывая, что в твёрдом теле атомы плотно упакованы, а расстояние между их центрами составляет 2,5*10-10м, рассчитайте, сколько слоёв атомов по толщине содержит золотая фольга толщиной 0,4 мк м (примерно 1 600 слоёв).

Задание 2.

Рассчитайте, во сколько раз α-частица тяжелее электрона (примерно в 7 350 раз).

Опыт показал, что подавляющая часть α-частиц проходит сквозь фольгу отклоняясь на малые углы. Однако некоторая часть частиц отклоняется на значительные углы (см. таблицу). Из таблицы видно, что примерно одна из 20 000 частиц испытывает отклонение на угол 900, одна из 40 000 – на угол 1200, и одна из 70 000 – на угол 1500.

Вопросы (фронтальная беседа):

1. Каких результатов мог ожидать Резерфорд? ( α-частицы пройдут через фольгу без отклонения или отклоняясь на малые углы)
2. Каковы результаты эксперимента? (подавляющая часть α-частиц проходит сквозь фольгу отклоняясь на малые углы, но некоторая часть частиц отклоняется на значительные углы)
3. Какой вывод можно сделать о состоятельности модели атома Томсона?

(модель атома не справедлива)

в. Объяснение результатов опыта.

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.

г. Планетарная модель атома.

Резерфорд пришёл к идее атомного ядра – тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд ядра атома.

Задание 3.

Оцените размер атомного ядра, если энергия α-частицы равна 5МэВ, порядковый номер золота Z =79. Для случая когда α-частицы отскакивают назад. (r=10-14м.)

Наименьшее расстояние, на которое частица может приблизиться к положительному заряду атома порядка 10-14-10-15м. Это и есть размер ядра атома. Размеры самих атомов 10-10м.

Резерфорд пришёл к выводу планетарной модели строения 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. В целом атом нейтрален.

д. Трудности модели Резерфорда.

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.

Выход из создавшегося противоречия мы рассмотрим на следующем уроке.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставили многих ученых сомневаться в их справедливости. Не исключением был и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только через два года (в 1911 году) после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома.

А сейчас, вы открываете учебник, стр. 165 «Планетарная модель атома», прочитав эту часть параграфа, вы должны ответить на вопрос: «В чём заключается суть планетарной модели атома?» На работу даётся 3-4 мин.

Учитель: Итак, в чём заключается суть планетарной модели атома?

Ответ учеников: Опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Радиус ядра 10-15м. Радиус атома 10-10м. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро. Атом должен прекратить существование.

Этого ничего не происходит. Атомы устойчивы и в невозбуждённом состоянии могут существовать неограниченно долго. Не согласующийся с опытом вывод о неизбежности гибели атома вследствие потери энергии на излучение – это результат применения законов классической физики к явлению внутри атома. Явление атомных масштабов противоречит законам классической физики.

Учитель: Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно, явилась крупным шагом в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц. Однако она оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, то есть его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10-8с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

К явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы. Попыткой спасения планетарной модели атома стали постулаты Нильса Бора,

о которых мы с вами поговорим на следующем уроке.

4. Закрепление нового материала:

Фронтальная беседа:

1. Какова была цель опыта Резерфорда? (подтвердить или опровергнуть модель атома Томсона)
2. Опишите установку Резерфорда. (свинцовый контейнер, содержащий крупицу радия; тонкая фольга из исследуемого материала; полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка; микроскоп для наблюдения вспышек)
3. Опишите ход эксперимента. ( радиоактивный препарат помещался внутри свинцового цилиндра, пучок α-частиц попадал на фольгу исследуемого материала, проходя сквозь фольгу частицы попадали на полупрозрачный экран, при этом на экране возникала вспышка, которую наблюдали в микроскоп)
4. Какие результаты ожидал Резерфорд? Какие получил? (подавляющая частьα-частиц проходит сквозь фольгу отклоняясь на малые углы, но некоторая часть частиц отклоняется на значительные углы)

Какие выводы сделал Резерфорд из опыта? (модель атома Томсона не справедлива)

5. Каковы недостатки модели атома Резерфорда? ( модель не позволяет объяснить устойчивость атома)

6.Рефлексивно-оценочный.

 Какая проблема стояла перед нами в начале урока? Удалось ли нам её решить?

7. Постановка домашнего задания.

§58

8. Итоги урока.

Объявление оценок учащимся, активно работающим на уроке.

                                        Приложение:

Эрнест Резерфорд

Эрнест родился 30 августа 1871 г. вблизи г. Нелсон (Новая Зеландия) в семье переселенца из Шотландии. Эрнест был четвертым из 12 детей. Мать работала сельской учительницей. Отец организовал деревообрабатывающее предприятие. Под руководством отца мальчик получил хорошую подготовку для работы в мастерской, что впоследствии помогало ему при конструировании и постройке научной аппаратуры. Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже Нелсон, куда поступил в 1887 г. В колледже на него оказали большое влияние его учителя: преподаватели физики, химии и математики.

Его магистерская работа касалась обнаружения высокочастотных волн.

В 1891 г., будучи студентом 2-го курса, Эрнест выступил в кружке с докладом «Эволюция элементов». Название доклада удивило всех слушателей. Он заявил, что все атомы - сложные вещества и построены из одних и тех же составных частей. Большинство участников кружка посчитало доклад лишенным здравого смысла. Но через 12 лет молодой ученый уже имел первые неопровержимые экспериментальные доказательства.

В 1903 г. его избирают членом Лондонского Королевского общества, а в 1907 г. Эрнест возвращается в Англию и занимает должность профессора кафедры физики Манчестерского университета. В университете Резерфорд вместе с Гейгером развернул работы по подсчету А-частиц с помощью сцинтилляционного метода. В 1908 г. Резерфорд становится Нобелевским лауреатом за исследование радиоактивных элементов.

С 1925-1930 гг. Эрнест Резерфорд - президент Королевского общества, а в 1931 г. получил титул барона и стал лордом. Школа Резерфорда становится самой большой в Манчестере.

В 1937 г. 19 октября умер Эрнест Резерфорд. Его смерть стала огромной утратой для науки.

«С уходом из жизни Эрнеста закончился путь одного из величайших людей, работавших в науке. Безграничный энтузиазм и неутомимое дерзание Резерфорда вели его от открытия к открытию», говорил про Эрнеста Н. Бор.