Урок "Модель атома. Опыт Резерфорда"
план-конспект урока по физике (9, 11 класс)

"Модели атомов. Опыт Резерфорда"

Цели урока:

Образовательные:

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.

Развивающие: продолжить развитие мышления, умения анализировать, сравнивать, делать логические выводы.

Воспитательные:

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, 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».

Ход урока

1. Организация работы.

Объявление темы и цели урока, порядка работы на уроке.

2. Повторение изученного. Этап подготовки к активному и сознательному усвоению материала (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.

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?

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?

3. Изучение нового материала.

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.

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).

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.

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.

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.)

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.

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.

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.

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:

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».

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>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. 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

4. 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:

Каков заряд ядра атома He,Li,Be?

Сколько электронов в атоме He,Li,Be?

Чем отличаются друг от друга атомы различных химических элементов?

Что является главной характеристикой определенного химического элемента?

В чем сущность планетарной модели строения атома?

5. Изложение материала развивающего характера.

Сообщения учащихся: «Страницы биографии Эрнеста Резерфорда».

6. Подведение итогов. 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.

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

Литература

Физика –9 кл. А. В.Перышкин ,Е. М. Гутник Москва:,Дрофа,2003г.

Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы. Под редакций С.Е.Каменецкого Москва:,Akademia,2000 г.

Физика –11 кл. С.В.Громов Москва:,Просвещение,1999 г.

П.С. Кудрявцев Курс истории физики.Москва:,Просвещение,1974 г.

Первое сентября. Приложение «Физика» № 10 2004 г.

Интернет – ресурсы:

http;//www-college.ru;

http;//www.tdu.nstu.ru;

http;//bibliotekar.ru.

Самостоятельная работа  по теме «Строение атома»

(5-7 минут, текст самостоятельной работы приготовлен на отдельных листах для каждого учащегося)

Начальный уровень.

1. Каков знак электрического заряда ядра атома?

2. Какого знака заряд имеет электрон? Протон?

Средний уровень.

1. Существуют ли aтoмныe ядра с зарядом меньшим чем у протона? Почему?

2. Атом хлора принял один электрон. Как называется полученная   частица? Какой ее заряд?

Достаточный уровень.

1. В ядре атома азота 14 частиц, из них 7 нейтронов. Сколько   протонов и электронов содержится в этом атоме?

2. Вокруг ядра атома кислорода движется 8 электронов. Сколько       протонов имеет ядро атома кислорода?

Высокий  ypoвень.

1. Почему масса атома водорода ненамного отличается от массы

    протона? Намного ли отличаются размеры атома водорода от        размеров

     протона?

2. В каком из перечисленных ниже случаев можно утверждать, что мы имеем дело с двумя атомами одного и того же химиче­ского элемента: а) в ядрах атомов одинаковое число частиц; б) в ядрах атомов одинаковое число протонов; в) в ядрах ато­мов одинаковое число нейтронов?

Заключительная часть урока:

Ребята, скажите, пожалуйста, что мы сегодня с вами изучали на уроке? Какие трудности у вас возникли в изучении этой темы? Наша тема несколько перекликается с аналогичной темой по химии. Скажите, пополнили вы свои знания в этой области?  (ответы учащихся) Сегодня вы активно работали и  получили следующие оценки: учитель выставляет детям оценки за урок, комментируя  каждую оценку.

              Записываем в дневник домашнее задание:

Домашнее задание: § 30, упр. 11(3), разобрать строение атомов химических элементов III периода таблицы Менделеева.

Учитель: Урок окончен. Всем спасибо за внимание. До свидания.

В 1896 г. французский физик А. Беккерель, изучая явление люминесценции солей урана,

установил, что уран испускает лучи неизвестного типа.

Таким образом, А.Беккерель обнаружил явление радиоактивности, т.е. способность некоторых химических элементов самопроизвольно испускать радиоактивные лучи.

1897-98 г.физик Мария Склодовская-Кюри обнаружила аналогичное излучение у тория и, исследуя урановые руды, открыла новые радиоактивные химические элементы: полоний, радий.

Позднее было установлено, что все химические элементы, начиная с порядкового номера 83, являются радиоактивными.

1899г. - Английский физик Э.Резерфорд в результате проведенных опытов открыл

неоднородность радиоактивного излучения.

Опыт Резерфорда.

В магнитном поле поток радиоактивного излучения распадается на 3 составляющих: альфа- лучи, бета-лучи и гамма-лучи.

Явление радиоактивности свидетельствовало о сложном строении атома.

СТРОЕНИЕ АТОМА

Модель атома Томсона.

1896г. -Дж.Дж.Томсон - выдающийся ученый, директор знаменитой Кавендишской лаборатории,

лауреат Нобелевской премии. открыл электрон.

1903г. - Дж.Дж.Томсон выдвинул гипотезу о том, что электрон находится внутри атома.

Но атом в целом нейтральный, поэтому ученый предположил, что отрицательные электроны окружены в атоме положительно заряженным веществом. Атом, по мысли Дж. Томсона, очень похож на "пудинг с изюмом", где "каша" - положительно заряженное вещество атома., а электроны- " изюм" в ней.

( см. эдесь)

Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц.

3.1911г. - Э. Резерфорд ставит опыт по рассеянию альфа-частиц. Пучок aльфа-частиц пропускался через тонкую золотую фольгу.

Золото было выбрано как очень пластичный материал, из которого можно получить фольгу толщиной практически в один атомный слой.

Некоторые альфа-частицы проходили сквозь фольгу, образуя на экране размытое пятно, а следы от других альфа-частиц были зафиксированы на боковых экранах.

Опыт показал, что положительный заряд атома сконцентрирован в очень малом объеме - ядре,

а между ядрами атомов существуют большие промежутки.

Резерфорд показал, что модель Томсона находится в противоречии с его опытами.

Ядерная ( планетарная ) модель строения атома Резерфорда.

1911г. - Резерфорд предложил современную ядерную (планетарную) модель строения атома

Резерфорд шел к своему открытию строения атома в течение 5 лет. Долгих пять лет проводил он опыты по исследованию строения атома.

Резерфорд установил, что:

Атом имеет в центре ядро, размеры которого во много раз меньше размеров самого атома .

Вокруг ядра по орбитам движутся электроны.

Почти вся масса атома сконцентрирована в его ядре.

Суммарный отрицательный заряд всех электронов равен суммарному положительноиу заряду ядра атома и компенсирует его.

КНИЖНАЯ ПОЛКА

Ученик об учителе.

Радиоактивность вод суши и океана.

ЛИРИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ !

Ты никогда не думал о том, что может быть "космос внутри нас" ?

... а человек в основном состоит из пустоты ?

Вот строки русского поэта Валерия Яковлевича Брюсова:

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 также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же

Их бесконечность...

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?

Планетарную модель атома, названную после опытов Резерфорда его именем, теоретически разработал еще в 1901 г. французский физик Перрен, прославившийся экспериментальным исследованием броуновского движения. Статья Перрена так и называлась « Ядерно – планетарная модель строения атома».

___

Ни один самый совершенный оптический микроскоп не позволяет увидеть отдельные атомы - его увеличение в тысячи раз меньше, чем требуется для этой цели. Но в 1951 году Эрвин Мюллер изобрел ионный микроскоп, позволивший в деталях разглядеть атомную структуру металла. В камеру с гелием низкого давления помещается металлическая игла, на которую подается высокий положительный потенциал. Атомы гелия прилипают к металлу, ионизуются и летят к отрицательно заряженному экрану, рисуя на нем структуру кристаллической решетки металла

___

Если бы Энрико Ферми удалось полностью объяснить результаты своих опытов по искусственной радиоактивности, вызванной нейтронами, то весь мир уже в 1934 г. узнал бы о возможности создания атомной бомбы. В то время был еще жив Резерфорд , категорически отрицавший использование ядерных реакций для промышленных целей.

___

Для внутреннего обогрева Лунохода при его многомесячной работе на поверхности Луны на нем был установлен тепловой блок, состоящий из гермртических ампул с радиоактивными веществами.

ИНТЕРЕСНО!

 Грибы являются накопителями радиоактивных элементов, в частности цезия 6137.

Все виды исследованных грибов можно разделить на четыре группы:

- слабо накапливающие — опенок осенний;

- средне накапливающие — белый гриб, лисичка, подберезовик;

- сильно накапливающие — груздь черный, сыроежка, зеленуха;

-  аккумуляторы радионуклидов — масленок, польский гриб.

К СОЖАЛЕНИЮ !

Жизнь обоих поколений ученых – физиков Кюри была в прямом смысле принесена ей в жертву науке. Мария Кюри, ее дочь Ирэн и зять Фредерик Жолио-Кюри умерли от лучевой болезни, возникшей в результате многолетней работы с радиоактивными веществами. Вот что пишет М.П.Шаскольская: «В те далекие годы, на заре атомного века, первооткрыватели радия не знали о действии излучения. Радиоактивная пыль носилась в их лаборатории. Сами экспериментаторы спокойно брали руками препараты, держали их в кармане, не ведая о смертельной опасности. К счетчику Гейгера поднесен листок из блокнота Пьера Кюри (через 55 лет после того, как в блокноте велись записи!), и ровный гул сменяется шумом, чуть ли не грохотом. Листок излучает, листок как бы дышит радиоактивностью...»