Модели атомов. Опыт Резерфорда. 9 кл
методическая разработка по физике (9 класс) по теме

Физика 9 класс

Подготовила и провела: Прокопенко Галина Анатольевна, учитель II квалификационной категории

Тема: "Модели атомов. Опыт Резерфорда"

Цель урока: 

Занимательно, широко используя межпредметные связи, познакомить учеников с планетарной моделью атома Резерфорда и опытом Резерфорда (установку, ход эксперимента, результаты), планетарную модель атома.

Задачи урока:

Образовательные: 

доказать, что атом, вопреки этимологическому началу термина (в переводе с древнегреческого атом – неделимый) – сложная частица;

 познакомить с планетарной моделью атома британского физика Эрнеста Резерфорда должны уметь объяснять результаты опыта Резерфорда.;

научить определять, используя Периодическую систему, количество элементарных частиц в атоме любого химического элемента;              провести первичное закрепление изученного материала с помощью теста в форме ЭГЕ.

Развивающие:

Способствовать развитию познавательного интереса к физике, продолжить формирование научного мировоззрения, умения анализировать, сравнивать, делать логические выводы,

развивать коммуникативные способности школьников (общение с одноклассниками, учителем).

Воспитательная:

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

пробудить у учащихся интерес к научно – популярной литературе и  истории, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений.

Тип урока: изучение нового материала.

Форма урока: комбинированный урок.

Методы урока: словесные, наглядные, практические.

Оборудование: 

персональный компьютер; мультимедийный проектор; интерактивная доска;

презентация в Power Point.

Раздаточный материал: таблица «Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева», тесты, жетоны (у каждого на столе) – атом, протон, нейтрон и электрон.

Используемые медиаресурсы:

Иллюстрация. Модель атома

Анимация. Видеоролик – анимация «Строение атома и ядра

План урока:

Ход урока

I. Организационный момент. Рефлексия.

(слайд 1)

Здравствуйте, дорогие друзья! Мне приятно видеть вас на уроке физики. Я очень надеюсь на плодотворную и усердную работу, а также на взаимное сотрудничество с вами, которое непременно даст свои плоды, если приложить достаточное количество усилий.

На перемене я попросила вас отметить уровень своих знаний по атомной физике: на обратной стороне доски прикрепить стилизованный атом, руководствуясь принципом – «Чем меньше я знаю, тем мой «атом» дальше от центра».

II. Мотивация и целеполагание.

Таким образом, к началу урока у нас получился «спектр» самооценки каждого ученика. И мы видим, что ещё многое нам предстоит узнать.

В качестве эпиграфа к уроку я взяла такие слова: 

 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 2)         Тема нашего урока: «Модели атомов. Опыт Резерфорда».

 Вопрос: Что вы хотите узнать по этой теме?

Цель урока - познакомиться с планетарной моделью атома Резерфорда.

III. Повторение изученного. Этап подготовки к активному и сознательному усвоению материала (актуализация знаний).

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

На доске вы видите таблицу, но в ней перепутаны ответы на вопросы. Расположите правильно ответы в данной таблице.

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

IV. Изучение нового материала.

Вопрос: Как называется мельчайшая структурная единица химического элемента? (Атом)

Учитель: Гипотеза о том, что все вещества состоят из большого числа атомов, зародилась свыше двух тысячелетий тому назад.

Сообщение учащегося:

(слайд 3)

Ещё в древней Греции зародилась идея о том, что все тела состоят из мельчайших частичек. Одним из основоположников этой идеи был греческий философ Демокрит. Мельчайшие частицы вещества Демокрит назвал атомами, что означает «неделимые».

Затем идею атомного строения вещества развил другой греческий философ – Эпикур. Сочинения Демокрита и Эпикура не дошли до нашего времени. Известны в основном только небольшие отрывки из них, помещённые в сочинениях других греческих учёных.

Это объясняется тем, что учение «атомистов» имело явно безбожный, материалистический характер. В Средние века их сочинения беспощадно уничтожались. Однако сочинение более позднего римского учёного Лукреция Кара «О природе вещей», в котором были изложены идеи древних атомистов, сохранилось и дошло до наших дней.

Выслушай то, что скажу, и ты сам, несомненно, признаешь,

Что существуют тела, которых мы видеть не можем...

...Стало быть, ветры – тела, но только незримые нами.

...Далее, запахи мы обоняем различного рода,

Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают...

...Но это всё обладает, однако, телесной природой,

Если оно способно приводить наши чувства в движенье:

Ведь осязать, как и быть осязаемым, тело лишь может,

И, наконец, на морском берегу, разбивающем волны,

Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет;

Видеть, однако, нельзя, как влага на нём оседает,

Как и не видно того, как она исчезает от зноя.

Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,

Что недоступны они совершенно для нашего взгляда.

...........................

Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше,

Но отделение тел, из неё каждый миг уходящих,

Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво.

Учитель:   (слайд 4)  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. Давайте вспомним с вами, что мы знаем из физики и химии об атоме и ответим на вопрос: какие вы знаете частицы, меньше атома?

Учащиеся: электрон, протон, нейтрон.

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:  (Слайд 5)   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).                                          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.

 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.

Вопросы.

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

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

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.)

Альфа– частица тяжелее электрона в 7350 раз. Поэтому в качестве снарядов нужно выбрать – частицу.

Учитель. 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.

Итак, однажды…

Миниатюра в исполнении  учащихся.

Ведущий:

Через 4 года после смерти Фарадея Великобритания подарила человечеству нового гения – «отца экспериментальной физики», лауреата Нобелевской премии Эрнеста Резерфорда.  (слайд 6)

(Разыгрывается сценка «В научной лаборатории»)

Молодые учёные Марсден и Гейгер.

Молодец наш «папа»! Хорошо придумал – бомбить альфа-лучами металлическую фольгу. Мы видим в микроскоп, как они отклоняются на некоторые углы. Но что это? Некоторые частицы отброшены назад! Учитель! Резерфорд!

Резерфорд. (входит)

Такое невозможно! Это «неправдоподобно так же, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и убил бы вас самих!».

Ведущий:

А через год в майском номере «Философского журнала», органа Королевского общества, появилась статья профессора Резерфорда «Рассеяние альфа- и бета-радиаций в веществе и структура атома».

Резерфорд. (рассуждает о структуре атома).

«Атом подобен Солнечной системе. Но его размеры очень малы. В центре атома – ядро. Оно имеет размеры 10-12 – 10-13см, а размеры самого атома в

10 000 раз больше. Вокруг ядра движутся электроны, как планеты вокруг Солнца».

Учитель: Большое спасибо. Эта историческая миниатюра – всего лишь отправная точка в нашем изучении строения атома. Вам хорошо известно, что нельзя создавать будущее, не зная прошлого. Именно поэтому мы познакомились с истоками интересующей нас темы, проникли в историю науки.                                                                                                          

  (слайд 7)     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 (вспышки) в небольшой части экрана, как раз напротив выходного отверстия.

(слайд 8)      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.

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), золотая фольга толщиной 0,4 мкм содержит 1600 слоев атомов по толщине.                                                                                Итак: тот факт, что многие – частицы пролетают через тысячи атомов золота, не взаимодействуют 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.

  Просмотр Fk

Чтобы обнаружить всевозможные отклонения частиц, экран сделали сферическим.

 Схематически опыт Резерфорда выглядит так. (слайд 9)

При проведении опытов подсчитывалось количество – частиц, которые не испытали взаимодействия с атомами золота, и которые отклонились на различные углы.

(слайд 10)   Подсчет рассеянных частиц дал следующие результаты:

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

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».

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>me примерно в 8000 раз, то электроны, входящие в состав атома, не могли изменить направление движения – частиц.

Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил ядерную модель (планетарную) строения атома.

Ролик «Планетарная модель атома»

(слайд 11)      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.

V. Релаксация.

Пантомима.

Задание. Разбить класс на 2 группы. Каждая группа должна представить с помощью пантомимы атом химического элемента и поведение частиц, из которых он состоит.

VI. Первичное закрепление учебного материала

Провести первичное закрепление изученного материала с помощью теста в форме ЭГЕ. 

Ф – 9                         Тест 18. Строение атома и атомного ядра

Вариант 1 

А1. Атомное ядро имеет заряд:
 1) положительный
 2) отрицательный
 3) не имеет заряда
 4) у различных ядер он разный
А2. Какой заряд имеют -частица, -частица?

  1)-частица — отрицательный, -частица — положительный
 2) - и -частицы — положительный
 3) -частица — положительный, -частица — отрицательный
 4) - и -частиц — отрицательный
А3. С помощью опытов Резерфорд установил, что:

 1) положительный заряд распределён равномерно  по всему объёму атома;

 2) положительный заряд сосредоточен в центре атома и занимает очень малый объём;

 3) в состав атома входят электроны;

 4) атом не имеет внутренней структуры.

А4. В атомном ядре содержится  Z протонов и  N нейтронов. Чему равно массовое число А этого ядра?
 1) N
 2) Z-N
 3) N-Z
 4) Z+N

В1 Каков состав ядра германия ? (Z  - протонов, N – нейтронов).

Ф – 9                                   Тест 18. Строение атома и атомного ядра
Вариант 2 

А1. Из каких элементарных частиц состоят ядра атомов всех химических элементов?
 а) из протона
 б) из нейтрона
 в) из электрона
 1)а
 2) а и б
 3)6 и в
 4) а и в
А2. Какой заряд имеют -частица, -излучение?

 1) -частица — положительный, -излучение — отрицательный
2) -частица — отрицательный, -излучение не имеет заряда
3) -частица и -излучение — отрицательный
4) -частица и -излучение — положительный
А3. Кто открыл явление радиоактивности?
 1) М. Кюри
 2) Н. Бор
 3) Э. Резерфорд
 4) А. Беккерель

А4. В ядре атома кальция содержится:

20 нейтронов и 40 протонов;

40 нейтронов и 20 электронов;

20 протонов и 40 электронов;

20 протонов и 20 нейтронов.

В1. Какой состав  ядра изотопа урана ? (Z  - протонов, N – нейтронов).

Ф – 9                                   Тест 18. Строение атома и атомного ядра
Вариант3 

А1. Из каких частиц состоят ядра атомов?
  1) из протонов
  2) из протонов, нейтронов и электронов
  3) из нейтронов
  4) из протонов и нейтронов

А2. На рисунке изображены схемы четырех атомов. Электроны изображены в виде черных точек. Какая схема соответствует атому ?

А3. Излучение -частиц — это:
 1) излучение квантов энергии
 2) поток ядер гелия
 3) поток электронов
 4) поток нейтронов

А4.  Почему в опыте Резерфорда большая часть α-частиц свободно проходит сквозь фольгу, испытывая малые отклонения от прямолинейных траекторий?

электроны имеют малую по сравнению с α-частицей массу.

  ядро атома имеет положительный заряд.

ядро атома имеет малый по сравнению с атомом размер.

α-частицы имеют большую по сравнению с ядрами атомов массу.

В1. Ядро состоит из 90 протонов и 144 нейтронов. Записать количество электронов и химический элемент.

Ф – 9                                   Тест 18. Строение атома и атомного ядра
Вариант4 

А1.  Явление радиоактивности, открытое Беккерелем, свидетельствует о том, что:

Все вещества состоят из неделимых частиц-атомов;

В состав атома входят электроны;

Атом имеет сложную структуру;

Это явление характерно только для урана.

А2. Излучение -частиц — это:
     1) поток электронов
     2) поток ядер атомов гелия
     3) излучение квантов энергии
     4) поток нейтронов
А3. На рисунке изображены схемы четырех атомов. Черные точки — электроны. Какая схема соответствует атому Не?

А4. Чему равно массовое число ядра атома марганца ?

25;                2)80;                   3)30;                 4)55.

В1. Ядро состоит из  35 электронов и 132 нейтронов. Записать количество протонов и химический элемент.

Ф – 9                                   Тест 18. Строение атома и атомного ядра

Вариант5

А1. В состав радиоактивного излучения могут входить:

только электроны;

только протоны;

только альфа-частицы;

бета-частицы, альфа-частицы, гамма-кванты.

А2. Кто предложил ядерную модель строения атома?

Беккерель;                                2)Гейзенберг;

3)Томсон;          4)Резерфорд.

А3. В состав атома входят следующие частицы:

только протоны;                     2) нуклоны и электроны;

3) протоны и нейтроны;            4) нейтроны и электроны.

А4. На рисунке изображены схемы четырех атомов. Электроны изображены в виде черных точек. Какая схема соответствует атому ?

В1. Какой состав  ядра радия ? (Z  - протонов, N – нейтронов).

Проверка выполнения задания.

Слайд 12.

Если останется время:  (Изложение материала развивающего характера.                         Сообщение учащихся: «Страницы биографии Эрнеста Резерфорда».)

VII. Итог урока:

Назовите планетарную модель атома.

Оценки.

VIII. Д/З (слайд 13)

IX. Рефлексия

Спасибо вам за урок, ребята. Я надеюсь, вы пополнили свой багаж знаний по атомной физике. Пожалуйста, когда будете выходить из класса я попрошу вас прикрепить к доске одну из «элементарных частиц»: протон, если урок понравился; электрон, если урок не понравился; нейтрон, если впечатление от урока среднее.