Строение атома. Схема опыта Резерфорда - Электрические явления

Цель: ознакомить учеников со строением атома, планетарной моделью атома по Резерфорду.

Демонстрации: таблицы со схемой опыта Резерфорда и схемой планетарной модели атома; таблица «Периодическая система химических элементов Менделеева».

Xод урока

I. Проверка домашнего задания. Повторение изученного

После проверки домашнего задания проводится фронтальный эксперимент.

Наблюдение экранирующего действия проводника

Приборы и материалы: стрелка бумажная (или из фольги) на острие, линейка измерительная из оргстекла, кусок капроновой ткани, пластинка жестяная размером 60 x 90 мм.

Порядок выполнения работы:

1. Наэлектризуйте линейку, потерев ее о кусок капроновой ткани.

2. Поднесите конец заряженной линейки на некоторое - расстояние к стрелке и, перемещая линейку то вправо, то влево, наблюдайте за движением стрелки.

3. Расположите металлическую пластинку вертикально между стрелкой и концом заряженной линейки. Затем снова перемещайте конец линейки около стрелки.

- Влияет ли электрическое поле заряженной линейки на стрелку?

II. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Модели атома, существовавшие до начала XIX в.

2. Опыты Резерфорда.

3. Ядерная модель атома Резерфорда.

1. В начале века в физике бытовали самые разные и часто фантастические представления о строении атома.

Например, ректор Мюнхенского университета Фердинанд Линдеман в 1905 г. утверждал, что «атом кислорода имеет форму кольца, а атом серы - форму лепешки».

Продолжала жить и теория «вихревого атома» лорда Кельвина, согласно которой, атом устроен подобно кольцам дыма, выпускаемым изо рта опытного курильщика.

Но большинство физиков склонялись к мысли, что прав Дж. Дж. Томсон: атом - равномерно положительно заряженный шар диаметром 10^-8 см, внутри которого плавают отрицательные электроны, размеры которых 10^-11 см. Сам Томсон относился к своей модели без энтузиазма.

Джон Стоней еще в 1891 г. предполагал, что электроны движутся вокруг атома, подобно спутникам планет. Японский физик Хантаро Насаока в 1903 г. говорил, что атом представляет своего рода сложную астрономическую систему, подобно кольцу Сатурна.

Вопрос о строении атома изучали и русские физики: Петр Николаевич Лебедев и известный ученый-народник Николай Морозов.

Ни один из сторонников идеи планетарного атома не мог подтвердить опытом. Такой опыт в 1909 г. поставил Эрнест Резерфорд.

2. Опыты Резерфорда. Английский физик Эрнест Резерфорд, исследуя излучение радиоактивных веществ, особое внимание уделил излучению, состоящему из положительно заряженных частиц, называемых α-частицами. Он установил, что каждая α-частица, попадая на экран из сернистого цинка, вызывает вспышку света. Испытав рассеяние в золотой фольге, α-частицы ударялись затем в экран и регистрировались с помощью микроскопа.

Согласно предложенной Томсоном модели атома, α-частицы должны были бы свободно проходить сквозь атомы золота и только отдельные α-частицы могли слегка отклоняться в электрическом поле электрона. Поэтому следовало ожидать, что пучок α-частиц при прохождении через тонкую фольгу слегка расплывется на небольшие углы. Такое рассеивание на малые углы действительно наблюдалось, но совершенно неожиданно оказалось, что примерно одна α-частица из 20 000, падающих на золотую фольгу толщиной всего лишь 4 · 10^-5 см, возвращается назад в сторону источника.

Резерфорду понадобилось несколько лет, чтобы окончательно понять столь неожиданное рассеяние α-частиц на большие углы. Он пришел к выводу, что положительный заряд атома сосредоточен в очень малом объеме в центре атома, а не распределен по всему атому, как в модели Томсона.

3. Резерфорд предложил ядерную («планетарную») модель атома:

- атомы любого элемента состоят из положительно заряженной части, получившей название ядра;

- в состав ядра входят положительно заряженные элементарные частицы - протоны (позднее было установлено, что и нейтральные нейтроны);

- вокруг ядра вращаются электроны, образующие так называемую электронную оболочку.

Пользуясь схемой, можно объяснить сначала строение атома водорода, имеющего один протон и один электрон. Затем рассматривается ядерная модель строения более сложных атомов - гелия и лития. В качестве упражнения может быть рассмотрено строение атомов более сложных элементов.

В процессе рассмотрения строения атомов различных элементов, учитель задает вопросы:

- Чем отличаются друг от друга атомы различных химических элементов?

- Что является главной характеристикой определенного химического элемента?

- Какие частицы входят в состав ядра?

Необходимо отметить, что атом, потерявший (или приобретший) один или несколько электронов, уже не является нейтральным, а будет иметь положительный (или отрицательный) заряд. Его называют положительным (или отрицательным) ионом.

Заряд ядра атома q_n = Z_e, где е - элементарный электрический заряд; Z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева, определяет число электронов в атоме. Химические свойства зависят только от зарядового числа.

Ядро состоит из протонов и нейтронов:

где Z - число протонов в ядре, N - число нейтронов; А - массовое число (суммарное число нуклонов в ядре).

1 а.е.м. = 1,66058 · 10^-27 кг.

III. Закрепление изученного

Если на уроке остается время, его желательно посвятить разбору решения задач по изученной теме, например:

- В ядре атома углерода содержится 12 частиц. Вокруг ядра движутся 6 электронов. Сколько в ядре этого атома протонов и нейтронов?

- Сколько протонов, нейтронов, электронов в положительном ионе лития?

- Во что превратится атом натрия, если «убрать» из его ядра один протон, не изменяя количество электронов?

- Что имеет большую массу: атом лития или положительный ион лития? Атом хлора или отрицательный ион хлора?

Домашнее задание

1. § 30 учебника; ответить на вопросы к параграфу; выполнить упражнения к параграфу.

2. Сборник задач В. И. Лукашика, Е. В. Ивановой, № 1218,1219.

Дополнительный материал

Эрнест Резерфорд

Эрнест родился 30 августа 1871 г. вблизи г. Нелсон (Новая Зеландия) в семье переселенца из Шотландии. Эрнест был четвертым из 12 детей. Мать работала сельской учительницей. Отец организовал деревообрабатывающее предприятие. Под руководством отца мальчик получил хорошую подготовку для работы в мастерской, что впоследствии помогало ему при конструировании и постройке научной аппаратуры. Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже Нелсон, куда поступил в 1887 г. В колледже на него оказали большое влияние его учителя: преподаватели физики, химии и математики.

Его магистерская работа касалась обнаружения высокочастотных волн.

В 1891 г., будучи студентом 2-го курса, Эрнест выступил в кружке с докладом «Эволюция элементов». Название доклада удивило всех слушателей. Он заявил, что все атомы - сложные вещества и построены из одних и тех же составных частей. Большинство участников кружка посчитало доклад лишенным здравого смысла. Но через 12 лет молодой ученый уже имел первые неопровержимые экспериментальные доказательства.

В 1903 г. его избирают членом Лондонского Королевского общества, а в 1907 г. Эрнест возвращается в Англию и занимает должность профессора кафедры физики Манчестерского университета. В университете Резерфорд вместе с Гейгером развернул работы по подсчету λ-частиц с помощью сцинтилляционного метода. В 1908 г. Резерфорд становится Нобелевским лауреатом за исследование радиоактивных элементов.

С 1925-1930 гг. Эрнест Резерфорд - президент Королевского общества, а в 1931 г. получил титул барона и стал лордом. Школа Резерфорда становится самой большой в Манчестере.

В 1937 г. 19 октября Эрнест Резерфорд умер. Его смерть стала огромной утратой для науки.

«С уходом из жизни Эрнеста закончился путь одного из величайших людей, работавших в науке. Безграничный энтузиазм и неутомимое дерзание Резерфорда вели его от открытия к открытию», говорил про Эрнеста Н. Бор.