Модель ядра и атома

“Из идеи движения электронов, подобно движению планет, возникла атомная физика”

М. Планк

Тема урока: Модель ядра и атома

Цели урока:

Образовательные:

1. Закрепить знания о модели атома и ядра, формирование у школьников научного мировоззрения, глубже познакомить учащихся с процессом физического познания мира.

2. Синтез знаний, полученных на уроке химии, для формирования представления об атоме.

3. Учащиеся должны знать опыт Резерфорда, планетарную модель атома, должны уметь объяснять результаты опыта Резерфорда.

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

Воспитательные:

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

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

Форма урока: комбинированный урок.

Методы урока: словесные, наглядные, практические.

Оборудование:

• 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).

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.

1 задания. «Проверка знания» ответьте на следующие вопросы. 

1. Кем и когда был открыт электрон?

Электрон был открыт в 1897г. английским физиком Дж.Томсоном в Кавендишской физической лаборатории Кембриджа.

1. Кем было названо частица электрон и что оно означает?

Английский физик Стоней в 1890г. назвал эту частицу электроном. Электрон по-гречески означает «янтарь». Еще несколько сотен лет назад было известно, что если палочку из янтаря потереть сукном, то она начинает притягивать к себе кусочки бумаги. Таким образом, еще с древних времен с янтарем связывали электрические явления. Отсюда и произошло название новой частицы – электрон.

1. Кем и когда был открыт нейтрон?

Нейтрон был открыт 27 февраля 1932г. английским физиком Джеймс Чедвик.

1. Расставьте по порядку единицы измерения энергии, начиная с наибольшей.

А) Джоуль. Б) Килоджоуль. В) Электрон-вольт. Г) Мегаджоуль. (Верный ответ. мегаджоуль, килоджоуль, джоуль, электрон-вольт)

1. Расположите частицы в ряд по размеру, начиная с наибольшей.

А) Ядро. Б) Атом. В) Протон. Г) Электрон. (Атом, ядро, протон, электрон)

2 задания. «Найдите соответствие»

1. Формула Планка -

2. Постоянная Планка – h=6,68*10^-34Дж

3. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта –

4. Импульс фотона -

5. Закон радиоактивного распада – N-число нераспавшихся ядер в момент времени

- начальное число распадающихся ядер, n – число периодов полураспада

1. Красная граница фотоэффекта- A-работа выхода (Дж) , h- постоянная Планка (Дж*с)

2. Энергия фотона - , m_e=9,1*10^-31кг, с=3*10⁸ м/с

3. Элементарный заряд – е=1,6·10^-19 Кл.

4 задания. Отгадывание кроссворда

1. Способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению (радиоактивность).

2. Древнегреческий философ, высказавший предположение о том, что все тела состоят из мельчайших частиц (Демокрит).

3. Ученый, доказавший сложный состав радиоактивного излучения (Резерфорд).

4. Ученый, предложивший одну из первых моделей строения атома (Томсон).

На слайд выведены все вопросы, отвечать на которые можно в любом порядке. Для проверки правильности ответа, необходимо нажать на цифру вопроса, после чего номер вопроса исчезнет, а появится правильный ответ. Проверку знаний можно расширить, если воспользоваться кнопкой перехода по гиперссылке на соответствующий слайд, поставленной на каждый вопрос. Вернуться на слайд кроссворда можно с помощью управляющей кнопки. После разгадывания кроссворда, по вертикали можно прочитать слово “атом”, чтобы это было явно, необходимо нажать на любое место в столбце, он закрасится более темным цветом.

3. Изучение нового материала.

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.

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? электрон, протон, нейтрон.

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.

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.

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.)

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

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

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

(решив самостоятельно) примерно 1600 слоев.

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?

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

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 mm_e 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.

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.

В истории развития физики одна из самых интересных и увлекательных страниц – это история открытия сложного строения атома. На протяжении веков люди думали о строении вещества.

Сообщения учащихся.

Первый ученик.  О том, что вещество состоит из частиц, знали давно. Около 420 г. до н.э. греческий учёный, философ Демокрит поддержал гипотезу о том, что материя состоит из крошечных неделимых частиц. По-гречески atomos означает «неделимый», поэтому эти частицы назвали атомами. Долгое время считали атом неделимой частицей. 
Демокрит (460-370 гг. до н.э.). Демокрит происходил из богатого и знаменитого рода в Северной Греции. Все доставшиеся ему в наследство деньги он потратил на путешествия. За это его осудили: по греческим законам растрата отцовского имущества являлась серьезным преступлением. Но он был оправдан, так как ему удалось доказать, что в своих путешествиях он приобрел обширные знания.

Основные элементы его картины природы таковы:

• все тела состоят из атомов;

• атомы имеют форму правильных многогранников: куба («атомы земли»), тетраэдра («атомы огня»), октаэдра («атомы воздуха»), икосаэдра («атомы воды»).

Второй ученик.  Прошло более 20 столетий, прежде чем были получены экспериментальные подтверждения идеи атомистического строения вещества. 
В России идеи о мельчайших частицах вещества развивал Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765). Различая два вида частиц материи, он дает им названия “элементы” (равные понятию “атом”) и “корпускулы” (равные понятию “молекула”).
По Ломоносову, “элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших частиц”, а “корпускула есть собрание элементов в одну небольшую массу”.

Третий ученик. Английский ученый Джон Дальтон (1766-1844) впервые предпринял попытку количественного описания свойств атомов. Он проводил опыты с газами и изучал пути их соединения. Учёный обнаружил, что кислород и водород, образуя воду, всегда соединяются в одних и тех же пропорциях по массе, исходя из этого, он сделал вывод, что вещества состоят из атомов, атом неделимая частица – твёрдый шарик, который переходит от одной молекулы к другой в ходе химических реакций.
Именно им было введено понятие атомной массы и составлена первая таблица относительных атомных масс различных химических элементов. При этом атом представляется как мельчайшая неделимая, то есть бесструктурная, частица вещества. То, что вещество состоит из атомов, было доказано.

Выстраивалась следующая логическая цепочка:

Оставалось ответить только на один вопрос: как устроен атом?

В конце XIX в. появились факты, свидетельствующие, что атом имеет сложное строение. Особенно это стало очевидно после того, как французский учёный А. Беккерель в 1896 г. обнаружил, что соли урана являются источником неизвестного в то время излучения. Это излучение впоследствии получило название радиоактивного излучения. (Слайд 19)

Модель Томсона.

Следующий  шаг в данном направлении сделал английский физик Джозеф Джон Томсон. В 1897 году он доказал, что катодные лучи – не что иное, как потоки отрицательно заряженных частиц. Так был открыт электрон. 30 апреля 1897 г., когда Джозеф Джон Томсон доложил о своих исследованиях, считается “днём рождения” электрона. 
Первая достаточно разработанная модель атома была предложена Томсоном. Согласно этой модели вещество в атоме несет положительный заряд и равномерно заполняет весь объем атома. Электроны “вкраплены” в атом, словно изюм в булку. Суммарный заряд электронов равен положительному заряду атома. Поэтому атом в целом электрически нейтрален.  Модель так и назвали “ПУДИНГ С ИЗЮМОМ”. (Слайд 20)  

Первая модель атома сыграла положительную роль: в дальнейшем была использована верная идея о слоях электронов в атоме, о потере электронов атомами. Однако скоро обнаружилось несоответствие модели реальной действительности.

Опыт Резерфорда. 

Ошибочность модели Томсона  вскоре доказал английский физик Эрнест Резерфорд. Основные работы Резерфорда относятся к физике атома и ядра.   В 1908-1911 годах под его руководством были выполнены опыты по рассеянию альфа-частиц (ядер гелия, имеющих положительный заряд) металлической фольгой. Идея опыта была проста. Если модель атома Томсона соответствует действительности, то, пропуская через очень тонкую металлическую фольгу узкий пучок быстрых альфа-частиц, экспериментаторы не должны обнаружить сколь-либо заметного отклонения этих частиц.
Установка и схема опыта Резерфорда приведены на слайде (Слайд 23). Альфа-частицы от радиоактивного источ­ника, пройдя через диафрагму, попадают на тонкую металлическую  фольгу из золота. Она имеет толщину около микрона, т.е. состоит приблизительно из 3000 атомных слоев. При попадании альфа-частицы на экран возникает свечение люминесцентного слоя. 
Наблюдения из опыта показали, что альфа-частицы разделились на три группы:

• большинство альфа-частиц легко проходит через фоль­гу, не отклоняясь;

• некоторое  количество  альфа-частиц отклоняется на небольшие углы;

• есть альфа-частицы, отклоняющиеся от фольги на углы более  астицы были отброшены назад.

Попробуйте сами объяснить результаты опыта.

Большинство альфа-частиц легко проходит через фоль­гу не отклоняясь, значит, на своём пути они не встречали препятствий.

 Тот факт, что многие альфа-частицы пролетают через тысячи атомов золота, не взаимодействуя с ними, говорит о том, что атом не является сплошным, в нём есть пустоты. (Модель атома Томсона не подтверждается).

Учащиеся. Некоторое количество альфа-частиц отклоняется на небольшие углы, так как положительные частицы притягиваются к отрицательным, следовательно, в фольге есть отрицательные частицы.

Учитель. Это возможно потому, что легкие электроны почти не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Так как альфа-частицы отклоняются на малые углы, атомы в большей части своего объёма заполнены электронами и лишь небольшую их часть занимает положительно заряженное вещество.

Учащиеся. Альфа-частицы, отклоняющиеся от фольги на углы более , столкнулись с положительной частицей, а одноимённые заряды отталкиваются, и начинают  двигаться в противоположную сторону.

Учитель. Правильно. Эта частица, которая находится в центре атома и имеет положительный заряд, получила название ядро атома.
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: “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”. (Слайд 25)

Модель атома Резерфорда.

Проанализировав результаты опытов, Резерфорд пришёл к выводу:

• В центре атома находится массивное положительно заряженное ядро, занимающее малый объем атома;

• вокруг ядра движутся электроны, масса которых значительно  меньше массы ядра;

• атом электрически нейтрален, т.к. заряд ядра равен  модулю
  суммарного заряда электронов. (Слайд 26)

Такова электронно-ядерная модель атома по Резерфорду (Слайд 27) (иногда ее называют планетарной за сходство со строением Солнечной системы). (Слайд 28) 
На основании результатов выше описанных опытов Резерфорд сумел оценить размеры атомных ядер. Оказалось, что радиус ядра имеет порядок 10–12 см (10 -14 м), т.е. оно в десятки и даже в сотни тысяч раз меньше атома. 
Таким образом, в результате опытов по рассеянию альфа-частиц была доказана несостоятельность модели атома Томсона, выдвинута ядерная модель строения атома и определен порядок диаметров атомных ядер. (Слайд 29)

Закрепление изученного материала. (Слайд 30)

Задание  1.

Составьте логическую схему из следующих слов: ядро, материя, электроны, вещество, атом, поле, молекула. (Слайд 31) 
Правильный  ответ показан на слайде. (Слайд 32)

Задание  2.

Прочитайте текст, вставляя пропущенные слова, подходящие по смыслу.
В 1911 году английский физик __________ поставил опыт по исследованию_______ и_______ атома. В своих опытах он использовал:

• Источник______________;

• Очень тонкую ________________фольгу;

• Экран, способный ______________под действием ____________частиц.

Ученый пришел к  ______________о том, что _______напоминает по строению нашу Солнечную систему.  Подобно тому, как планеты движутся вокруг массивного_____________,_____________ в атоме движутся вокруг массивного_____________ . Модель атома созданную _______назвали__________. 
Пропущенные слова (в именительном падеже): солнце, атом, вывод, ядро, Эрнест Резерфорд, светиться, опыт, состав, планетарная, строение, металлическая, заряженные, альфа-частицы, электроны. (Слайд 33) 
Правильный ответ показан на слайде. (Слайд 34)

Домашнее задание.

Параграф §56 (ответить на вопросы к параграфу).
(Перышкин А.В., Гутник Е.Н. Физика 9 класс. – М.: Дрофа, 2007)

(Слайд 35)

IV. Самоопределение деятельности. Целеполагание. Формулировка темы урока.

Попробуйте сформулировать цель урока.

Что же было предложено советским физиком Д. Д. Иваненко?

(Им была предложена протонно-нейтронная модель ядра атома).

Значит, о чём пойдёт речь на уроке?

(О строении атомного ядра)

А что может удержать протоны и нейтроны внутри ядра?

(Ядерные силы)

А чем должны обладать атомные ядра? (Какой-то энергией, чтобы не была нарушена связь при образовании ядер из частиц)

Всё это вы узнаете сегодня на этом уроке.

Запишите, пожалуйста, тему урока: «Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер»

V. Построение проекта выхода из затруднения

Познакомьтесь, пожалуйста, с информацией о строении ядра атома, ядерных силах и энергии связи атомных ядер.

Вопросы по теме (учебным материалом можно пользоваться(с.306-308)):

1. Что можно сказать о количестве протонов в ядре?

(Число протонов обозначается буквой Z и равно количеству электронов в атомной оболочке, т.е. равно также порядковому номеру элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева)

1. А как найти количество нейтронов?

(Количество нейтронов обозначается буквой N и равно разности массового числа А и количества протонов Z)

1. Как называют протоны и нейтроны вместе?

(Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами)

1. Могут ли протоны и нейтроны внутри ядра удерживаться гравитационными или электромагнитными силами?

(Не могут, так как гравитационные силы слабые, а электромагнитные не могут, так как нейтроны не имеют заряда, а положительно заряженные протоны имеют силу электрического отталкивания.)

1. Какие силы действуют между нуклонами?

(Между нуклонами действуют ядерные силы)

1. На каких расстояниях проявляются ядерные силы?

(На расстоянии 10^-12 - 10^-13 см, т.е. они являются короткодействующими)

1. Что такое энергия связи ядра?

(Это энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны)

1. По какой формуле можно найти энергию?

(E = mc²)

1. По какой формуле находится дефект масс?

(Δ M = Z m_p+ N m_n – М_я)

1. Что показывает энергия связи? (Энергия связи показывает на сколько уменьшается энергия системы при образовании нуклонов)

2. Чему равна энергия связи?

(Е_св = Δ M с² = (Z m_p+ N m_n – М_я) с² )

1. Что такое энергия связи?

(Энергия связи – это энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц, и соответственно это та энергия, которая необходима для расщепления ядра на составляющие частицы)

В тетрадях нужно записать последние три формулы со всеми разъяснениями.

VI. Первичное закрепление.

При проведении данного этапа используется парная форма работы: учащиеся решают задачу №5 из упр.14 учебника на с.330. Нужно найти энергию связи ядра тяжёлого водорода. Необходимо напомнить, что 1 эВ=1,6 *10 ^-19 Дж.

VII. Самостоятельная работа.

VIII. Рефлексия учебной деятельности на уроке (итог). (Слайд № 11)

Учитель подводит итоги урока, акцентирует внимание на конечных результатах учебной деятельности. Выставляет оценки за урок.

Учитель предлагает учащимся продолжить предложение:

Я узнал…

Я научился…

Теперь я могу…

Я затруднялся…

Мне понравилось…

IХ. Домашнее задание

Частица	Масса, кг	Масса, me	Масса, а. е. м.	Заряд, Кл
Протон, p	1,6726*10-27	1836	1	1,6*10-19
Нейтрон, n	1,6749*10-27	1839	1	0
Электрон, e	9,11*10-31	1	0	-1,6*10-19