«Изучения строение атома в профильной школе»
материал по физике

Реферат на тему «Изучения строение атома в профильной школе»

Оглавление

Введение

Представленная работа посвящена теме "Изучения строение атома в профильной школе". Тема "Строение атома" изучается на стыке сразу нескольких взаимосвязанных дисциплин.  Это в основном  химия и биология. В школьном курсе физики первые представление об атоме появляются с рассмотрения такой темы как строение вещества. Ее изучают в курсе 7 класса, затем непосредственно в курсе восьмого класса рассматривается уже строение атома. На данном этапе она рассматривается и в курсе химии. Далее изучая радиоактивность, строение атома рассматривается вместе со строением атомного ядра. На завершающем этапе обучения в курсе физике 11-го класса в разделе «Атомная физика», понятие строение атома закрепляется различными моделями и опытами. Для ребят,  которые изучают физику на профильном уровне, важно показать не только ее суть, но и весь объем, и связь понятий.

Цель нашей работы заключается в том, чтобы рассмотреть, как это можно сделать. Поэтому в соответствии с данной целью, нами были поставлены следующие задачи:

- рассмотреть все понятия, связанные со строением атома;

- выделить модель изучения данной темы;

- рассмотреть методические особенности обучения данной темы в профильной школе.

Методы: теоретический анализ методической литературы по данной теме.

1.Строение атома. Основные понятия

Понятие атом возникло еще в античном мире для обозначения частиц вещества. В переводе с греческого атом означает «неделимый».

Атом - химически неделимая электронейтральная частица, которая состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательных заряженных электронов. Ядро атома состоит из элементарных частиц протонов и нейтронов. Оно определяет массу атома. Электроны определяют размеры атома. Положительный заряд ядра атома равен числу протонов, в свою очередь число протонов равно числу электронов в атоме:

Состав ядра – А=Z+N, где A- массовое число,  Z- (протонное число) количество протонов, N- количество нейтронов.

 Массовое число - общее число протонов и нейтронов в ядре атома.

Химический элемент - вид атома с определенным зарядом ядра. Также химическим элементом называется совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. В нем заключено приблизительно 90 % электронного облака, и это означает, что около 90 % времени электрон находится в этой части пространства. По форме различают 4 известных ныне типа орбиталей, которые обозначаются латинскими буквами s, p, d и f. Графическое изображение некоторых форм электронных орбиталей представлено на рис.1 (см. на следующей странице)

Рис.1 Вид и форма орбиталей

Порядок заполнения орбиталей – увеличение энергии орбиталей 1s‹2s‹2p‹3p ‹4s≈3d‹4p‹5s≈4d‹5p и т.д.

Важнейшей характеристикой движения электрона на определенной орбитали является энергия его связи с ядром. Электроны, обладающие близкими значениями энергии, образуют единый электронный слои, или энергетический уровень. Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра, — 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7.

Целое число n, обозначающее номер энергетического уровня, называют главным квантовым числом. Оно характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня, электроны последующих уровней будут характеризоваться большим запасом энергии. Следовательно, наименее прочно связаны с ядром атома электроны внешнего уровня.

Наибольшее число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле:

N=2n2,

N – наибольшее количество элементов; n — номер уровня, или главное квантовое число. Следовательно, на первом, ближайшем к ядру энергетическом уровне может находиться не более двух электронов; на втором — не более 8; на третьем — не более 18; на четвертом — не более 32.

Начиная со второго энергетического уровня (n = 2) каждый из уровней подразделяется на подуровни (подслои), несколько отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром. Число подуровней равно значению главного квантового числа: первый энергетический уровень имеет один подуровень; второй — два; третий — три; четвертый — четыре подуровня. Подуровни в свою очередь образованы орбиталями. Каждому значению n соответствует число орбиталей, равное n.

Подуровни принято обозначать латинскими буквами, равно как и форму орбиталей, из которых они состоят: s, p, d, f.

Пример: Пример Углерод, С:

           Протонов в ядре 6

Заряд ядра +6

Электронов на всех уровнях 6

Изотопы

 Некоторые элементы существуют в виде нескольких изотопов. «Изотопы» означает «занимающий одно и тоже место». Изотопы имеют одинаковое число протонов, но отличаются массой, т. е. числом нейтронов в ядре (числом N). Поскольку нейтроны практически не влияют на химические свойства элементов, все изотопы одного и того же элемента химически неотличимы.

Изотопами называются разновидности атомов одного и того же химического элемента с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым числом протонов), но с разным числом нейтронов в ядре.

Изотопы отличаются друг от друга только массовым числом. Это обозначается либо верхним индексом в правом углу, либо в строчку: 12Сили С-12. Если элемент содержит несколько природных изотопов, то в периодической таблице Д.И. Менделеева указывается, его средняя атомная масса с учетом распространённости. Например, хлор содержит 2 природных изотопа 35Cl и37Cl, содержание которых составляет соответственно 75% и 25%. То есть, атомная масса хлора будет равна: Аr(Cl)=0,75.35+0,25.37=35,5

Таким образом, изотопы - разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов в ядре, но разную массу.

Для тяжёлых искусственно-синтезированных атомов приводится одно значение атомной массы в квадратных скобках. Это атомная масса наиболее устойчивого изотопа данного элемента.

Основные модели строения атома

Исторически первой в 1897 году была модель атома Томсона.

Рис. 1. Модель строения атома Дж. Томсона «Пудинг с изюмом»:

Английский физик Дж. Дж. Томсон предположил, что атомы состоят из положительно заряженной сферы, в которую вкраплены электроны (рис. 1). Эту модель образно называют «сливовый пудинг», булочка с изюмом (где «изюминки» – это электроны), или «арбуз» с «семечками» – электронами. Однако от этой модели отказались, т. к. были получены экспериментальные данные, противоречащие ей.

Рис. 2. Модель строения атома Э. Резерфорда

В 1910 году английский физик Эрнст Резерфорд со своими учениками Гейгером и Марсденом провели эксперимент, который дал поразительные результаты, необъяснимые с точки зрения модели Томсона. Эрнст Резерфорд доказал на опыте, что в центре атома имеется положительно заряженное ядро (рис. 2), вокруг которого, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются электроны. Атом в целом электронейтрален, а электроны удерживаются в атоме за счет сил электростатического притяжения (кулоновских сил). Эта модель имела много противоречий и главное, не объясняла, почему электроны не падают на ядро, а также возможность поглощения и излучения им энергии.

Бор предположил, что электроны в атоме могут устойчиво существовать только на орбитах, удаленных от ядра на строго определенные расстояния. Эти орбиты он назвал стационарными. Вне стационарных орбит электрон существовать не может. Почему это так, Бор в то время объяснить не мог. Но он показал, что такая модель (рис. 3) позволяет объяснить многие экспериментальные факты.

Рис.3 Планетарная модель Н. Бора

2. Модель изучения темы «Строения атома» в курсе физики профильной школы.

Структура         изучения данной темы в курсе физики профильного уровня глобально ничем не отличается от курса физики базового. Изучение ее идет по следующей моделе (схеме): 

Кроме того, предлагается учебный материал этих тем изучать примерно по такой схеме: экспериментальные факты, физическая модель, свойства модели, выраженные с помощью физических величин (понятий), взаимосвязи между ними в форме законов или теоретических положений, соответствующие выводы и практические приложения. Теоретический материал взаимосвязан с методами научного исследования, в частности моделированием [1] и экспериментом [2].

3.        Методические особенности обучения темы «Строение атома» в профильной школе.

Данная тема широко изучается в курсе 8-9 класса, в зависимости от уровня изучения. У учащихся 9 класса всё ещё большую роль играет наглядно-образное мышление, поэтому при изучении физических явлений, приходиться опираться на чувственно-конкретное восприятие, широко используя средства наглядности (демонстрацию опытов, показ приборов, плакатов, использование компьютерных презентаций, анимаций) речь о которых пойдет ниже.

Анализ уроков по теме «Строение атома» позволяет сделать следующие выводы:

- На данном  уроке полезно использовать задания в виде обобщающих и систематизирующих таблиц, а также таблиц, которые, по сути, являются тестовыми заданиями. Перед учащимися поставлена задача, не только изучить новый материал, но и систематизировать его, а также применить знания в различных ситуациях. Задания урока позволяют не только осознать новую информацию, но расширить ее.

 Пример: Обучающиеся совместно с учителем заполняют следующую таблицу. Затем пытаются самостоятельно закончить предложения, данные ниже:

Выводы: 1) Заряд ядра равен числу…………………….; числу…………………….., а также………………………………………………………………………………………

2)Общее число протонов и нейтронов в ядре атома равно………………………………..

Кроме этого, сложность обучения данной теме связана с ограничением показа реальных экспериментов по атомной физике. Причиной является вредное воздействие на организм человека. Поэтому атомы можно увидеть только косвенным путем, с помощью использование информационных технологий. Для дальнейшей работы учителями методистами был приготовлен список сайтов, которые можно использовать как на уроке так и при индивидуальном обучении.

 Например, на сайте «Физика для всех» для обучающихся имеются описания самодельных приборов, рассказы о физиках и физике, рисунки учеников и их размышления. На сайте «Ядерная физика» представлены учебные материалы для курса «Физика атомного ядра и частиц», материалы спецкурсов: история атомного ядра, модели атомных ядер, деление ядер и т.д. Все подробно расписано и сопровождается примерами решения задач. Данный сайт подходит именно для классов с углубленным изучением физики. На сайте «Классная физика» имеются: слайды, интерактивные задачи, рисунки и анимации. Большое внимание уделяется рассматриваемой нами теме. В ней можно наглядно увидеть опыты Резерфорда, здесь изучение всей темы проходит пошагово. Приведенные  выше источники удобны в использовании.

Таким образом, при изучении «Строение атома» необходимо как можно больше использовать наглядные средства обучения, полезно использовать задания в виде обобщающих и систематизирующих таблиц. Так же использование на сегодняшний день информационных технологий выступает хорошим помощником в изучении данной теме и на более углублённом уровне.

Заключение

В данной работе мы рассмотрели основные понятия и модели строения атома, которые встречаются в школьном курсе физики, выделили модель изучения данной темы. Кроме того описали основные методические особенности обучения данной теме в профильной школе. На основании выделенных  аспектов, можно сказать, что такая тема как «Строение атома» не простая на первый взгляд. Поскольку зарождение ее приходится еще у начале курса физики. И затем она постепенно расширяется путем  взаимосвязи с другими элементами данной теории, а так же с появлениями законов или теоретических положений, соответствующих выводов и практических приложений. Поэтому изучая ее в профильной школе, важно использовать как можно больше разнообразных форм методов и средств на уроках.

Список литературы:

1. Методика изучения раздела «Квантовая физика». [Электронный ресурс] URL: http://mpf.altspu.ru/pages/test/kwf1.doc (дата обращения 6.12.2019 г.)
2. Капустина В.И. Рабочая программа по физике 7 класс. [Электронный ресурс] URL:   https://nsportal.ru/sites/default/files/2013/07/28/kapustina_v.i._urok.doc (дата обращения 7.12.2019)
3. Ковтун А.М. Рабочая программа по физике 9 класс. [Электронный ресурс] URL:    https://nsportal.ru/sites/default/files/2018/10/11/03_rabochaya_programma_po_fizike_9_klassa_k_uchebniku_peryshkina_fgos_na_3_chasa.doc (дата обращения 5.12.2019 г.)
4. Смольянинова С.А. Рабочая программа по физике 8 класс. [Электронный ресурс] URL: https://nsportal.ru/sites/default/files/2018/08/16/fizika_8_kl.docx (дата обращения 5.12.2019 г.)
5. Шувалова И.В. Рабочая программа по физике 10-11 класс. [Электронный ресурс] URL: https://nsportal.ru/sites/default/files/2019/09/29/profil_10_i_11.docx (дата обращения 5.12.2019 г.)
6. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.
7. Коровин Н.В., Курс общей химии – М: Высшая школа,1990. - 446с.

Электронные ресурсы:

8. https://spravochnick.ru/fizika/stroenie_atoma
9. http://www.dslib.net/teoria-vospitania/izuchenie-teoreticheskih-modelej-atoma-i-atomnogo-jadra-v-kurse-fiziki-osnovnoj.html
10. http://nuclphys.sinp.msu.ru/
11. http://www.fizika.ru/
12. http://class-fizika.ru/