Модель атома Резерфорда

План – конспект урока

по физике 11 класс

Тема: Модели атомов. Опыт Резерфорда.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Цель: Закрепить знания о радиоактивности и видах излучения, формирование у школьников научного мировоззрения, глубже познакомить учащихся с процессом физического познания мира. Синтез знаний, полученных на уроке химии, для формирования представления об атоме.

Учащиеся должны знать опыт Резерфорда (установку, ход эксперимента, результаты), планетарную модель атома, должны уметь объяснять результаты опыта Резерфорда.

Развитие навыков интеллектуальной коллективной работы; воспитание основ нравственного самосознания (мысль: ответственность ученого, первооткрывателя за плоды своих открытий);

Оборудование: компьютер, мультимедиа проектор, экран, презентация.

Раздаточный материал: таблица «Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева».

1. Организация работы.

Учащиеся должны в течение урока подобрать вопрос, на который они не смогут ответить. Оригинальные и интересные вопросы будут оценены.

II. Актуализация знаний.

Учитель:

Мир сложен –
Он полон событий, сомнений
И тайн бесконечных,
И смелых догадок.
Как чудо природы
Является гений
И в хаосе этом
Находит порядок.

Кто же этот гений, этот чудак, который совершил величайшее открытие в прошлом столетии? Чудаки украшают жизнь. Это беспокойные, необыкновенно пытливые и безгранично любопытные люди, упорно выискивающие малопонятные проблемы. Упорно что-то открывают, изобретают, экспериментируют, изготавливают. Много проблем ставит перед нами жизнь. Одни из них решаются очень легко. Над другими бьются несколько поколений ученых. Казалось бы, почти детский вопрос «Как устроен атом?». А ответ на него люди искали около 2500 лет. (слайд 1)

На предыдущем уроке мы говорили о существовании фактов, подтверждающих сложное строение атома.

Вопросы:

• В чем заключается открытие, сделанное А. Беккерелем в 1896 году?

• Как стали называть способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению?

• (слайд 2) Расскажите, как проводился опыт под руководством Э.Резерфорда, схема которого изображена на слайде. Что выяснилось в результате этого опыта?

• Как были названы частицы, входящие в состав радиоактивного излучения?

• Что представляют собой эти частицы?

Итак, сегодня нам предстоит выяснить, как устроен атом.

III. Изучение нового материала.

(слайд 3) Учитель: Гипотеза о том, что все вещества состоят из большого числа атомов, зародилась свыше двух тысячелетий тому назад. Сторонники атомистической теории рассматривали атом как мельчайшую частицу и считали, что все многообразие мира есть не что иное, как сочетание неизменных частиц – атомов.

Учитель: Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. Люди поняли, что атом делим и в природе существуют частицы, меньше атома.

Вопрос. Какие вы знаете частицы, меньше атома?

Учащиеся: электрон, протон, нейтрон.

(слайд 4) Учитель: После всех этих открытий, когда стало ясно, что атом может иметь сложную структуру, несколькими учеными были предложены различные теоретические модели строения атома. Наибольшую популярность из них получила модель, предложенная Дж.Дж Томсоном.

Учитель: Джозеф Джон Томсон показал на основе классической электромагнитной теории, что размеры электрона должны быть порядка 10 ^{– 15} м, кроме того было известно, что размеры атомов составляют несколько ангстрем (один ангстрем равен 10 – 10 м).

(слайд 5) На этом основании Томсон в 1903 году предложил модель атома, согласно которой атомы представляют собой однородные шары из положительно заряженного вещества, в котором находятся электроны. Суммарный (отрицательный) заряд электронов равен положительному заряду атома. Поэтому атом в целом нейтрален.

Эта модель получила название «пудинг», так как электроны были вкраплены в положительную среду, подобно изюму в пудинге.

Отклонение электрона в атоме от положения равновесия приводит к возникновению вращающей силы. Поэтому электрон, выведенный каким-либо образом из положения равновесия, совершает колебания, а потому является источником электромагнитного излучения.

Модель Томсона казалась привлекательной с той точки зрения, что предполагала наличие электрона в атоме. Однако она просуществовала только до 1911 года.

(слайд 6)

Опыт Резерфорда.

Итак, модель атома построена. Теперь необходимо проверить ее с помощью эксперимента. А что в ней проверять? Конечно, как распределен внутри атома положительный заряд и как в нем расположены электроны. Но ведь для этого нужно проникнуть внутрь атома! Разве это возможно? Чтобы проникнуть внутрь атома, нужны частицы таких же или меньших размеров. Такие частицы и были обнаружены при изучении явления радиоактивности.

(слайд 7) Вопросы.

1. Как называются эти частицы? (альфа, бета – частицы и гамма –излучение)

2. Каков их заряд? (  – частицы имеют положительный заряд,   - частицы имеют отрицательный заряд,   – частицы (излучение) нейтральны).

3. Какие частицы вы выбрали бы в качестве снарядов для проникновения в атом? Обоснуйте свой выбор. (Чтобы узнать, как внутри атома расположен электрический заряд, нужны заряженные частицы.)

Задание 1. Рассчитайте, во сколько раз   – частица тяжелее электрона.

Учащиеся: (Решив самостоятельно) В 7350 раз. Поэтому в качестве снарядов нужно выбрать   – частицу.

Учитель. Вы правы. Экспериментом, который внес решающий вклад в создание современной теории строения атома, стал опыт, проведенный в 1911 году Эрнестом Резерфордом, совместно с его ассистентами Г. Гейгером и Э. Марсденом.

(
слайд 8 с динамической моделью установки) Учитель: Детально рассмотрим схему опыта Резерфорда. В свинцовый контейнер помещали крупинку радиоактивного вещества – радия (Rn). Через небольшое отверстие из контейнера выходил узкий пучок   – частиц. Напротив отверстия располагался экран, покрытый сернистым цинком. Попадая на него,   – частицы вызывали сцинтилляции в небольшой части экрана, как раз напротив выходного отверстия. Когда на пути поместили тонкую фольгу из золота, область экрана, на которой наблюдались сцинтилляции, значительно увеличилась. Это означало, что   – частицы изменили свое первоначальное направление – испытали рассеяние.

Вопрос. Как вы думаете, что могло явиться причиной отклонения   – частиц?

Учащиеся. Электроны не могли изменить направление движения   – частиц, так как их масса во много раз меньше массы   – частицы. Значит что-то другое.

(слайд 9) Задание 2. Учитывая, что в твердом теле атомы упакованы плотно, а расстояние между их центрами составляет величину порядка 2,5 ·10^-10 м (по данным рентгено – структурного анализа), рассчитайте сколько слоев атомов по толщине содержит золотая фольга толщиной 0,4 мкм.

Учащиеся: (решив самостоятельно) примерно 1600 слоев.

(слайд 10) Учитель: Итак: тот факт, что многие   – частицы пролетают через тысячи атомов золота, не взаимодействую с ними, следует, что атом не является сплошным. (Модель атома Томсона не подтверждается). Если   – частица не испытывает действия положительного заряда атома, направление движения ее не меняется. Если такое действие есть, то направление движения меняется, причем тем сильнее отклоняется, чем сильнее действие. Чтобы обнаружить всевозможные отклонения частиц, экран сделали сферическим.

Вопрос. При проведении опытов обычно проводят измерения. Какие, по вашему мнению, проводились измерения в опытах Резерфорда?

Учащиеся: Подсчитывалось количество   – частиц, которые не испытали взаимодействия с атомами золота, и которые отклонились на различные углы.

Учитель: Подсчет рассеянных частиц дал следующие результаты:

1. Большинство   – частиц проходило через фольгу почти беспрепятственно, отклоняясь на углы, не превышающие 1 – 2⁰.

2. Небольшая часть  – частиц рассеялась на углы больше 2⁰ и примерно одна из каждых 20 000 отклонилась на углы 90⁰ и более.

Последнего результата никто не ожидал, так как все в то время придерживались модели Томсона, согласно которой атомы представлялись настолько «рыхлыми», что не были способны вызвать столь значительные отклонения частиц. Много позже Резерфорд рассказывал, как к нему «пришел страшно возбужденный Гейгер и сказал: «Нам удалось наблюдать   – частицы, возвращающиеся назад». Это было самым невероятным событием, которое мне пришлось пережить. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, и он вернулся бы назад и угодил бы в вас. Поразмыслив, я понял, что это обратное рассеяние должно быть результатом однократного столкновения, а когда я произвел расчеты, то увидел, что невозможно получить величину такого же порядка, разве что вы рассматриваете систему, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в малом ядре».

Для теоретического анализа полученных данных необходимо было знать теорию вероятностей. Чтобы ликвидировать пробелы в знаниях этого раздела математики, Резерфорд не постеснялся вновь сесть на студенческую скамью, вызвав удивление собственных студентов, неожиданно увидевших своего профессора рядом с собой.

Проанализировав результаты опытов, Резерфорд пришел к выводу:

- что столь сильное отклонение   – частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле. Было рассчитано, что такое поле могло быть создано зарядом, сконцентрированным в очень малом объеме (по сравнению с объемом атома);

- так как m m_e примерно в 8000 раз, то электроны, входящие в состав атома, не могли изменить направление движения   – частиц.

(слайд 11 динамическая модель атома с иллюстрацией отклонения а-частиц)

Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил ядерную модель (планетарную) строения атома. Атом напоминает Солнечную систему, только вместо Солнца в нем находится ядро, а вместо планет – электроны.

Ядерная модель оказалась очень изящной и намного более простой, чем модель атома Томсона. Резерфорд был доволен. Ещё бы! Ведь он оказался первым человеком, которому открылась тайна строения атома.

Масштабы атома «по Резерфорду» можно представить так:

Ядро меньше атома во столько раз, во сколько раз маковое зерно меньше здания Московского университета на Воробьевых горах;

Если увеличить атом приблизительно в 10¹⁵ раз, то он станет размером с город Москва;

Если ядро атома размером с вишню будет находиться в центре Красной площади, то электрон – размером с пылинку будет летать по окружности кольцевой автодороги. Все остальное в атоме – пустота

IV. Закрепление новых знаний.

Учитель: Теперь откройте таблицу Менделеева и внимательно посмотрите на нее. Рассмотрим строение атома химических элементов водорода, гелия, лития, бериллия (H, He,Li,Be). Пример: Атом водорода занимает первую клеточку в таблице Менделеева. Электрический заряд ядра атома водорода положителен и равен произведению элементарного электрического заряда e на порядковый номер Z химического элемента в таблице Менделеева. q=Ze .Значит, заряд ядра равен 1. Мы можем определить и количество электронов в атоме водорода. Так как атом нейтрален, то количество электронов в атоме водорода будет равно 1.Электрон имеет отрицательный заряд.

Вопросы:

1. Каков заряд ядра атома He,Li,Be?

2. Сколько электронов в атоме He,Li,Be?

3. Чем отличаются друг от друга атомы различных химических элементов?

4. Что является главной характеристикой определенного химического элемента?

5. В чем сущность планетарной модели строения атома?

V. Домашнее задание §56. Нарисовать схему модели атома лития, азота, кислорода, фтора. Определить заряд ядра каждого атома.

VI. Рефлексия. Подведение итогов. Учащиеся задают вопросы, которые они должны были придумать в течение урока, другие учащиеся пытаются ответить. Учитель оценивает качество вопросов.

Ученикам, отвечавшим на вопросы и самостоятельно размышлявшим в ходе урока, выставляются оценки. При ответах оценивается не только правильность ответа, но и ход рассуждений, количество и качество ошибок.

Аспектный анализ урока

Модели атомов. Опыт Резерфорда

Цель урока: Закрепить знания о радиоактивности и видах излучения, формирование у школьников научного мировоззрения, глубже познакомить учащихся с процессом физического познания мира. Синтез знаний, полученных на уроке химии, для формирования представления об атоме.

Учащиеся должны знать опыт Резерфорда (установку, ход эксперимента, результаты), планетарную модель атома, должны уметь объяснять результаты опыта Резерфорда.

Развитие навыков интеллектуальной коллективной работы; воспитание основ нравственного самосознания (мысль: ответственность ученого, первооткрывателя за плоды своих открытий);

Тип урока: урок изучения нового материала с использованием ИКТ на всех этапах урока

Форма проведения: лекция с элементами диалога и проблемной деятельности

Класс: 11

Межпредметные связи: химия, математика, статистика, литература.

Введение в анализ урока

Урок дан в соответствии с тематическим планированием

Использование компьютерной презентации оправданно

Роль компьютера на уроке

Демонстрация экспериментов, постановка которых в реальных учебных условиях невозможна (опыт Резерфорда), анимированных моделей атомов по Томсону и Резерфорду, иллюстраций.

Работает для учителя и учащихся на всех этапах урока.

Компьютер позволяет сделать урок динамичным, что способствует здоровьесбережению.

Аспектный анализ

Вывод: учителю в ходе всего урока удалось вместе с учащимися произвести анализ материала с последующим обобщением и систематизацией, что говорит о его профессионализме и мастерстве.