Конкурс "Я иду на урок"

C.Б.АФОНИН,
пос. Рязановский, Московская обл.
sergei_ba@mail.ru

Модель атома Резерфорда

Открытый урок с использованием компьютерной модели, 2 ч. 11-й класс

Базовый профиль

Я был поражён простотой аппаратуры, которую вы используете, и блестящими результатами, которые вы получаете. Мне представляется гением тот, кто может работать со столь примитивным оборудованием и собирать богатую жатву, далеко превосходящую то, что бывало добыто с помощью самых тонких и сложных приборов.

Хантаро Нагаока. Из письма Э.Резерфорду. 1911 г.

Урок был проведён для аттестации на высшую квалификационную категорию.

Цель урока: учащиеся должны знать опыт Резерфорда (установку, ход эксперимента, результаты), планетарную модель атома, постулаты Бора; должны уметь объяснять результаты опыта Резерфорда, недостатки модели атома Резерфорда.

Ход урока

I. Введение. Физическая картина мира, сложившаяся к началу ХХ в.

Учитель. Тема урока – «Модель атома». Давайте вспомним, что вы уже знаете о строении атома. (Фронтальная беседа.) Сегодня мы рассмотрим, как развивались взгляды на строение атома, углубим знания о нём. (Рассказ учителя по учебнику С.В.Громова «Физика-11». – М.: Просвещение, 2004, с. 160–163.)

II. Изучение нового материала

• Опыт Резерфорда

Учитель. Модель атома Томсона была умозрительной. Её можно было подтвердить или опровергнуть только с помощью эксперимента. Экспериментом, который внёс решающий вклад в создание современной теории строения атома, стал опыт, проведённый в 1911 г. Э.Резерфордом совместно со своими ассистентами – Г.Гейгером и Э.Марсденом. Основные работы Резерфорда относятся к физике атома и ядра. Он первым обнаружил (в 1899 г.), что излучение радиоактивных элементов имеет сложный состав; двум компонентам этого излучения он дал названия – -лучи и -лучи. Позднее он установил природу -лучей, отождествив их с дважды ионизированным атомом гелия: (Рассказ учителя об опыте Резерфорда. Демонстрация компьютерной модели опыта.)

Задание 1. Учитывая, что в твёрдом теле атомы упакованы плотно, а расстояние между их центрами составляет величину порядка 2,5 . 10^–10 м (по данным рентгено-структурного анализа), рассчитайте, сколько слоёв атомов по толщине содержит золотая фольга толщиной 0,4 мкм.

Учащиеся (решив задачу самостоятельно). Примерно 1600 слоёв.

Задание 2. Рассчитайте, во сколько раз -частица тяжелее электрона.

Учащиеся (решив самостоятельно). В 7350 раз.

• Результаты опыта Резерфорда

Учитель (останавливает компьютерную модель и строит на экране монитора график распределения рассеянных -частиц по углам отклонения, после чего проводит фронтальную беседу). Каковы результаты эксперимента? Каких результатов ожидал Резерфорд? Какой вывод можно сделать о состоятельности модели атома Томсона? Результаты эксперимента оказались неожиданными: подавляющая часть -частиц проходила сквозь фольгу практически без отклонения или с отклонением на малые углы по отношению к направлению своего первоначального полёта, но небольшая часть -частиц отклонялась на значительные углы, достигающие почти 180°. Применив методы теории вероятностей, Резерфорд показал, что такие отклонения не могут быть следствием многократных столкновений -частиц с атомами, поэтому объяснить этот результат на основе модели атома Томсона невозможно.

• Объяснение результатов опыта

Учитель. Резерфорд пришёл к выводу, что полученное в эксперименте распределение -частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле, которое создаётся положительным зарядом, связанным с большой массой и сконцентрированным в очень малом объёме. И он решил, что атом устроен наподобие планетной системы: малое по размерам положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и отрицательные электроны, обращающиеся вокруг ядра по замкнутым орбитам. Заряд, отклоняющий -частицы на большой угол, не может принадлежать электрону, т.к. масса электрона мала по сравнению с массой -частицы. Очевидно, что -частица даже не почувствует электрон-«дробинку». Следовательно, электрон не изменит направление движения -частицы. Это также позволяет сделать вывод, что с положительным зарядом, вызывающим отклонение -частиц, связана значительная масса.

Учащиеся (записывают в тетрадь). 1. Атом имеет положительно заряженное ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома. 2. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома. 3. Отрицательный заряд всех электронов распределён по всему объёму атома.

Учитель (запускает компьютерную модель рассеивания a-частиц ядром). Попробуем оценить размеры атомного ядра. Энергия -частиц в опыте Резерфорда была равна 5 МэВ, порядковый номер золота Z = 79. Предположим, что -частица налетает на атом «в лоб». Она будет сближаться с положительным зарядом до тех пор, пока вся её кинетическая энергия не превратится в потенциальную энергию взаимодействия зарядов: Е_к=Е_п= где r – наименьшее расстояние, на которое -частица приближается к положительному заряду атома.

Задание 3. Определите расстояние r.

Учащиеся (решив самостоятельно). 4,6^.10^–14 м.

Учитель. Смысл полученного результата: чтобы a-частица отклонилась на угол, близкий к 180°, она должна приблизиться к заряду на расстояние порядка 10^–14 м. Отсюда можно сделать вывод, что положительный заряд атома и связанная с ним масса не распределены по всему объёму атома, а сконцентрированы в малой его части, имеющей размеры порядка 10^–14 м. Между тем, как следует из МКТ, размеры атома порядка 10^–10 м, т.е. ядро в 10 000 раз мельче атома.

Резерфорд так описывал свои результаты: «Я должен признаться по секрету, что не верил, будто это возможно... Это было, пожалуй, самым невероятным событием, какое я когда-либо переживал в моей жизни. Это было почти столь неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по клочку газеты 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас».

Итоговая таблица

Такая модель объясняет результаты опыта Резер-форда: поскольку атом практически пустой, то большинство -частиц пролетает без всякого рассеяния через решётку из нескольких тысяч слоёв атомов. И только малая часть, проходящая вблизи ядра, испытывает рассеяние.

• Закрепление изученного

(Учащиеся заполняют первый столбец итоговой таблицы. В ходе фронтальной беседы записи обсуждаются и корректируются.)

III. Изучение нового материала

• Недостатки модели Резерфорда

(Заполняется второй столбец итоговой таблицы. В ходе фронтальной беседы записи обсуждаются и корректируются.)

• Модель атома Бора

(Учитель раздаёт каждому полный текст своей лекции. Работая с ней, учащиеся заполняют третий столбец итоговой таблицы, описывая, как Н.Бор разрешил описанные трудности. В ходе фронтальной беседы записи обсуждаются и корректируются.)

IV. Подведение итогов

Фронтальная беседа:

– Какова была цель опыта Резерфорда?

– Опишите установку Резерфорда.

– Опишите ход эксперимента.

– Какие результаты ожидал Резерфорд? Какие получил?

– Какие выводы сделал Резерфорд из опыта?

– Каковы недостатки модели атома Резерфорда?

– Как эти проблемы разрешил Н.Бор?

– Попробуйте описать строение атома Резерфорда–Бора.

V. Домашнее задание. В тетради опишите модель атома Резерфорда–Бора.