Разработка урока по физике Строение атома. Опыт Резерфорда (11 класс)

Тема урока: «Строение атома. Опыт Резерфорда»
Цели урока:
обучающая: синтез со знаниями, полученными на уроках химии, для формирования целостного представления об атоме; расширить кругозор учащихся;
развивающая: способствовать развитию знаний об атоме, пробудить у учащихся интерес к научно-популярной литературе и изучению физики, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений; заинтересовать процессом мышления первооткрывателей атомной физики; продолжить развитие мышления, умение анализировать, сравнивать, делать логические;
воспитательная: навыков культуры общения; воспитание основ нравственного самосознания; толерантного отношения друг к другу; умение излагать свою точку зрения и отстаивать свою правоту.
Задачи урока:
рассмотреть факты, доказывающие сложное строение атома;
сформировать целостное представление об атоме.
Оборудование:
Мульмедийный проектор.
Опорный конспект: «История открытия атомного ядра» (презентация).
План
Оргмомент
Повторение пройденного материала
Перед тем как перейти к изучению новой темы, давайте повторим предыдущий материал. А для этого напишем физический диктант («Световые кванты»), который состоит из 5 вопросов. После того, как ответите на вопросы, обмениваетесь листочками с соседом по парте и выставляете оценку по критериям приведенных на доске и эталону правильных ответов.

Оценка
«5»
«4»
«3»
«2»

Количество правильных ответов

5

4

3

2-0


Отдельная порция электромагнитной энергии, испускаемая атомом, называется
а) джоулем; б) электрон-вольт; в) электроном; г) квантом; д) ваттом.
Коэффициентом пропорциональности во второй из простых «великих» формул называется постоянной
а) Фарадея; б) Авогадро; в) Планка; г) Больцмана; д) Эйнштейна.
Явление вырывания электронов из вещества под действием света называют
а) фотосинтезом; б) ударная ионизацией; в) фотоэффектом;
г) электризацией; д) квантованием.
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
а) линейно возрастает с увеличением длины волны и мощности излучения;
б) линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности;
в) линейно взрастает с частотой света и его интенсивностью;
г) линейно убывает с частотой света и не зависит от его интенсивности;
д) линейно убывает с частотой света и его интенсивностью.
Какое из перечисленных ниже выражений показывает зависимость энергии кванта от работы выхода и кинетической энергии электрона?
а) А+13 EMBED Equation.3 1415 б) h
·; в) 13 EMBED Equation.3 1415 г) 13 EMBED Equation.3 1415 д) 13 EMBED Equation.3 1415 (3, 25(

№ вопроса
1
2
3
4
5

Вариант ответа
Г
В
В
Б
А


Объяснение нового материала
Гипотеза о том, что все вещества состоят из большого числа атомов, зародилась свыше двух тысячелетий тому назад. Сторонники атомической теории рассматривали атом как мельчайшую неделимую частицу и считали, что все многообразие мира есть не что иное, как сочетание неизменных частиц - атомов.
Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. Открыли электрон, измерили его массу и заряд. Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В. Вебером в 1896 году, развил Л. Лоренц. Именно он создал электронную теорию: электроны входят в состав атома.
В начале века в физике бытовали самые разные и часто фантастические представления о строении атома. 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.
Опираясь на открытия, Дж. Томсон в 1898 г. предложил одну из первых модель строения атома. Атом – шар, по всему объёму которого равномерно распределён положительный заряд. Внутри шара находятся электроны. Каждый электрон может совершать колебательные движения около своего положения равновесия. Положительный заряд шара равен по модулю суммарному заряду электронов, поэтому заряд атома в целом равен нулю.
Большинство физиков склонялось, что прав Дж. Томсон.

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]


Рис.1. Строение атома



Рис. 2. Д. Томсон

Однако в физике уже более 200 лет принято правило: окончательный выбор между гипотезами вправе сделать только опыт. Такой опыт поставил в 1909 г. Эрнест Резерфорд (1871-1937) со своими сотрудниками.
Пропуская пучок
·-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
·-частиц отражается от фольги. Но, согласно модели атома Томсона, эти
·-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,
·-частица, летящая со скоростью 20 км/с, все равно, что пушечное ядро с горошиной.

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]


Рис. 3. Опыт Резерфорда
Рис.4. Э.Резерфорд


В поисках разгадки Резерфорд предложил Гейгеру и Марсдену проверить: «а не могут ли
·-частицы отскакивать от фольги назад».
Прошло два года. За это время Гейгер и Марсден сосчитали более миллиона сцинтилляций и доказали, что назад отражается примерно одна
·-частица из 8 тысяч.
Резерфорд показал, что модель Томсона находится в противоречии с его опытом. Обобщая результаты своих опытов, Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома:
1. Атом имеет ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома.
2. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома.
3. Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему атома.
Расчеты показали, что
·-частицы, которые взаимодействуют с электронами в веществе, почти не отклоняются. Только некоторые
·-частицы проходят вблизи ядра и испытывают резкие отклонения.
При расчете учитывают, что q
·=2e, где е - заряд электрона qя = Ze; Z- зарядовое число, равное количеству электронов в атоме; диаметр ядра 10-14-10-15 м, атома 10-10 м. (2, 324(

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

Рис. 5. Размеры атома
Рис. 6. Строение атома


Открытие нейтрона. Идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться поиском такой частицы.
Через 12 лет в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия? - частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На следующем рисунке приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]


[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]


Рис.7. Опыт Д. Чедвика
Рис.8. Д.Чедвик


Это не протон-электронная пара, как первоначально предполагал Резерфорд. По современным измерениям масса нейтрона mn = 1,6749·10-27 кг = 1,008665 а.е.м.
В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ.
Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона.
Протон-нейтронная модель ядра. Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.
По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,6·10 -19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10–22. Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.
Масса протона, по современным измерениям, равна mр = 1,6726·10-27 кг.
Протоны и нейтроны в ядре принято называть нуклонами.

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.9. Строение ядра

Символическое обозначение ядра атома - 13 EMBED Equation.3 1415Х
А - число нуклонов, т.е. протонов + нейтронов (или атомная масса)
Z - число протонов (равно числу электронов)
N - число нейтронов (или атомный номер )
N = A – Z
Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы нуклоновского отталкивания протонов.
Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными.
Особенности ядерных сил:
Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов.
Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц, лишь на расстояниях порядка размеров ядра (10–14–10–15 м). Ядерные силы очень быстро спадают с расстоянием.
Радиус их действия порядка 10-15 м.
Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение Фм (в честь итальянского физика Э. Ферми, 1901-1954).
Все ядра имеют размеры нескольких Ферми.
Радиус действия ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра - концентрация очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях. Ядерные силы - сильные взаимодействия.
На больших расстояниях проявляется действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.
На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре притягиваются не зависимо от наличия заряда, т. е. ядерные силы не зависят от электрического заряда.

Закрепление нового материала
В чем заключается сущность модели Томсона?
Начертите и объясните схему опыта Резерфорда по рассеиванию
·-частиц. Что наблюдаем в этом опыте?
Объясните причину рассеивания
·-частиц атомами вещества?
В чем сущность планетарной модели атома?

Решение задач
№ 1204, стр. 158 (Задачник, автор Рымкевич)
13 EMBED Equation.3 1415Na: А = 23, N = 23 - 11 = 12, Z = 11
13 EMBED Equation.3 1415F: А = 19, N = 19 - 9 = 10, Z = 9
13 EMBED Equation.3 1415Ag: А = 107, N = 107 - 47 = 60, Z = 47
13 EMBED Equation.3 1415Cm: А = 247, N = 247 - 96 = 151, Z = 96
13 EMBED Equation.3 1415Md: А = 257, N = 257 - 101 = 156, Z = 101
2. Самостоятельно: 8O16 3Li7 6C12 7N14 9F19 13Al27 92U235 82Pb207
3. Чем отличаются следующие элементы:
13 EMBED Equation.3 1415О и 13 EMBED Equation.3 1415О; 13 EMBED Equation.3 1415U и 13 EMBED Equation.3 1415U.

Домашнее задание

§ 94, упр. 13 (1), № 1205

Подведение итогов урока
Стихотворение. Валерий Брюсов “Мир электрона”. (1922г)

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.
Их мудрецы, свой мир бескрайний
Поставив центром бытия,
Спешат проникнуть в искры тайны
И умствуют, как ныне я.
А в миг, когда из разрушенья
Творятся точки новых сил.
Кричат, в мечтах самовнушенья.
Что Бог свой светоч загасил!

Список литературы
http://stihi.globala.ru/category/114/page/4
Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 11 класс. – М.: ВАКО, 2006. – 464с.
Иванов А.А., Иванова З.И. Тесты по физике. 11-й класс. – Саратов: «Лицей», 200. -48 с.
Root Entry