Урок фізики у 11 класі
Тема:
"Досвід Резерфорда з розсіювання альфа - частинок"
Цілі та завдання уроку:
Освітні:
Роз'яснити механізм дослідів Резерфорда
Виховні:
розвивати пізнавальну самостійність учнів;
сприяти їхньому моральному та естетичному вихованню.
Розвиваючі:
розвивати вміння виділяти головне, суттєве, порівнювати факти, що вивчаються, логічно викладати думки.
Хід уроку:
I. Орг. момент.
Стань рівно поруч зі своєю партою і приведи себе в порядок. Привітайся з учителем. Потім тихо сядь на своє місце і дотримуйся порядку в класі.
Постановка теми та мети уроку.
ІІ. Повторення
Лінійчасті спектри
1. Що означає слово атом?2.Хто з учених відкрив закон періодичної повторюваності властивостей хімічних елементів?
3. Чи є атом не ділимим?
4. Що відбувається з розрядженими газами при нагріванні до високої температури?
5. Як називаються різнокольорові лінії, розділені темними проміжками?
6. Що властиво кожному газу?
7. Спектр якого газу є найпростішим?
8.Спектр якого газу складається із 4 ліній?
9.Хто з учених підібрав формулу спектральних ліній для видимої галузі?
10. Чия теорія дозволила поєднати формули видимої, ультрафіолетової та інфрачервоної області в одну загальну формулу?
Фізхвилинказ відеоролика.
III. Новий матеріал
§ 7.2. Досвід Резерфорда з розсіювання альфа – частинок.
Вивчаючи розсіювання альфа-часток при проходженні через золоту фольгу,ЕрнестРезерфорд дійшов висновку, що весь позитивний заряд атомів зосереджений у тому центрі у дуже потужному і компактному ядрі. А негативно заряджені частинки (електрони) обертаються довкола цього ядра.
Ця модель докорінно відрізнялася від широко поширеної на той час моделі атома Томсона.
Джозеф ДжонТомсон запропонував модель атома як пудингу (пирога), у якому позитивний заряд рівномірно заповнював весь обсяг атома, а електрони були вкраплені у нього.
Дещо пізніше модель Резерфорда отримала назву планетарної моделі атома (вона дійсно схожа на Сонячну систему: важке ядро - Сонце, а електрони, що обертаються навколо нього, - планети).
У 1912 р. Е. Резерфорд та його співробітники поставили досвід із розсіяння альфа-частинок у речовині.
Схема дослідів Резерфорда.
За відсутності фольги на екрані виникав світлий кружок, що складається з сцинтиляцій, спричинених тонким пучком альфа-часток. Але коли на шляху руху альфа-частинок поміщали тонку золоту фольгу товщиною приблизно 0,1 мк (мікрон), то картинка, що спостерігається на екрані, сильно змінювалася: окремі спалахи з'являлися не тільки за межами колишнього гуртка, але їх можна було навіть спостерігати з протилежного боку золотого. фольги.
Підраховуючи кількість сцинтиляцій в одиницю часу в різних місцях екрану, можна встановити розподіл простору розсіяних альфа-часток. Число альфа-часток швидко зменшується зі збільшенням кута розсіювання.
Спостерігається на екрані картина дозволила зробити висновок, що більшість альфа-часток проходить крізь золоту фольгу без помітної зміни напряму їхнього руху. Проте деякі частинки відхилялися великі кути від початкового напрями альфа-частинок (порядку 135про …150 про ) і навіть відкидалися назад. Дослідження показали, що при проходженні альфа-частинок крізь фольгу приблизно на кожні 10000 часток, що падають, тільки одна відхиляється на кут більше 10про від початкового напряму руху. Лише у вигляді рідкісного винятку одна з величезної кількості альфа-часток відхиляється від свого первісного спрямування.
Той факт, що багато альфа-частинок проходили крізь фольгу, не відхиляючись від свого напрямку руху, говорить про те, що атом не є суцільною освітою. Оскільки маса альфа-частинки майже 8000 разів перевищує масу електрона, то електрони, що входять до складу атомів фольги, що неспроможні помітно змінити альфа-частиц. Розсіювання альфа-часток може викликати позитивно заряджена частка атома - атомне ядро.
IV. Закріплення
Розгляд прикладів.
V. Рефлексія
Чи Вам сподобався наш сьогоднішній урок?.. Що запам'яталося?..
VI. Д/З повторити§7.1, вивчати §7.2
Слово «атом» у перекладі з грецької означає «неподільний». Під атомом довгий час, аж до початку XX ст., мали на увазі найдрібніші неподільні частки речовини. До початку XXв. внауці накопичилося багато фактів, які говорили про складну будову атомів.
Великих успіхів у дослідженні будови атомів було досягнуто в дослідах англійського вченого Ернеста Резерфорда з розсіяння а-частинок при проходженні через тонкі шари речовини. У цих дослідах вузький пучок α -Частинок, що випускаються радіоактивною речовиною, прямував на тонку золоту фольгу. За фольгою містився екран, здатний світитись під ударами швидких частинок. Було виявлено, що більшість α -часток відхиляється від прямолінійного поширення після проходження фольги, тобто розсіюється, а деякі α -частки взагалі відкидаються назад. Розсіювання α -Частинок Резерфорд пояснив тим, що позитивний зарядне розподілено рівномірно у кулі радіусом 10 -10 м, як передбачали раніше, а зосереджений у центральній частині атома - атомному ядрі. При проходженні біля ядра α -Частина, що має позитивний заряд, відштовхується від нього, а при попаданні в ядро - відкидається в протилежному напрямку. Так поводяться частинки, мають однаковий заряд, отже, існує центральна позитивно заряджена частина атома, у якій зосереджена значна маса атома. Розрахунки показали, що для пояснення дослідів потрібно прийняти радіус атомного ядра приблизно 10 -15 μ .
Резерфорд припустив, що атом влаштований подібно до планетарної системи. Суть моделі будови атома по Резерфорду ось у чому: у центрі атома перебуває позитивно заряджене ядро, у якому зосереджена вся маса, навколо ядра по круговим орбітам великих відстані обертаються електрони (як планети навколо Сонця). Заряд ядра збігається з номером хімічного елемента таблиці Менделєєва.
Планетарна модель будови атома по Резерфорду не змогла пояснити низку відомих фактів:
електрон, що має заряд, повинен за рахунок кулонівських сил тяжіння впасти на ядро, а атом – це стійка система; при русі по круговій орбіті, наближаючись до ядра, електрон в атомі повинен випромінювати електромагнітні хвилі всіляких частот, тобто випромінюване світло повинно мати безперервний спектр, на практиці виходить інше:
електрони атомів випромінюють світло, що має лінійний спектр. Вирішити протиріччя планетарної ядерної моделі будови атома першим спробував датський фізик Нільс Бор.
Білет №23
Квантові постулати Бора. Випускання та поглинання світла атомами. Спектральний аналіз
План відповіді
1. Перший постулат. 2. Другий постулат. 3. Види спектрів.
В основу своєї теорії Бор поклав два постулати. Перший постулат: атомна система може бути лише у особливих стаціонарних чи квантових станах, кожному з яких відповідає своя енергія; у стаціонарному стані атом не випромінює.
Це означає, що електрон (наприклад, в атомі водню) може бути на кількох цілком певних орбітах. Кожній орбіті електрона відповідає цілком певна енергія.
Другий постулат: при переході з одного стаціонарного стану до іншого випромінюється або поглинається квант електромагнітного випромінювання. Енергія фотона дорівнює різниці енергій атома у двох станах: hv = Е m – Ε n; h= 6,62 10 -34 Дж с, де h - постійна Планка.
При переході електрона з ближньої орбіти більш віддалену, атомна система поглинає квант енергії. При переході з більш віддаленої орбіти електрона на ближню орбіту до ядра атомна система випромінює квант енергії.
Теорія Бора дозволила пояснити існування лінійних спектрів.
Спектр випромінювання(Або поглинання) - це набір хвиль певних частот, які випромінює (або поглинає) атом даної речовини.
Спектри бувають суцільні, лінійчастіі смугасті.
Суцільні спектривипромінюють усі речовини, що знаходяться у твердому або рідкому стані. Суцільний спектр містить хвилі всіх частот видимого світла і тому виглядає як кольорова смуга з плавним переходом від одного кольору до іншого в такому порядку: Червоний, Помаранчевий, Жовтий, Зелений, Синій та Фіолетовий (Кожен Мисливець Бажає знати, де сидить Фазан).
Лінійчасті спектривипромінюють усі речовини в атомарному стані. Атоми всіх речовин випромінюють властиві лише їм набори хвиль цілком певних частот. Як у кожної людини свої особисті відбитки пальців, так і в атома даної речовини свій характерний тільки йому спектр. Лінійчасті спектри випромінювання виглядають як кольорові лінії розділені проміжками. Природа лінійчастих спектрів пояснюється тим, що в атомів конкретної речовини існують тільки йому властиві стаціонарні стани зі своєю характерною енергією, а отже, і свій набір пар енергетичних рівнів, які може змінювати атом, тобто електрон в атомі може переходити лише з одних орбіт інші, цілком певні орбіти для даного хімічного речовини.
Смугасті спектривипромінюються молекулами. Виглядають смугасті спектри подібно до лінійних, тільки замість окремих ліній спостерігаються окремі серії ліній, що сприймаються як окремі смуги.
Характерним є те, що який спектр випромінюється даними атомами, такий і поглинається, тобто спектри випромінювання по набору випромінюваних частот збігаються зі спектрами поглинання. Оскільки атомам різних речовин відповідають властиві лише їмспектри, то є спосіб визначення хімічного складу речовини методом вивчення його спектрів. Цей спосіб називається спектральний аналіз.Спектральний аналіз застосовується визначення хімічного складу копалин руд при видобутку корисних копалин, визначення хімічного складу зірок, атмосфер, планет; є основним методом контролю складу речовини у металургії та машинобудуванні.
Білет №24
Фотоефект та його закони. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту та постійна Планка. Застосування фотоефекту в техніці
Плав відповіді
1. Гіпотеза Планка. 2. Визначення фотоефекту. 3. Закони фотоефекту. 4. Рівняння Ейнштейна. 5. Застосування фотоефекту.
У 1900 р. німецький фізик Макс Планк висловив гіпотезу: світло випромінюється та поглинається окремими порціями – квантами (або фотонами). Енергія кожного фотона визначається формулою Е= h ν , де h - постійна Планка, рівна 6,63 10 -34 Дж с, ν - Частота світла. Гіпотеза Планка пояснила багато явищ: зокрема, явище фотоефекту, відкритого в 1887 р. німецьким вченим Генріхом Герцем і вивченого експериментально російським ученим А. Г. Столетовим.
Фотоефект - це явище випромінювання електронів речовиною під впливом світла.
В результаті досліджень було встановлено три закони фотоефекту.
1. Сила струму насичення прямо пропорційна інтенсивності світлового випромінювання, що падає на поверхню тіла.
2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає із частотою світла та залежить від його інтенсивності.
3. Якщо частота світла менша за певну певну для даної речовини мінімальну частоту, то фотоефект не відбувається.
Залежність фотоструму від напруги показана малюнку 36.
Теорію фотоефекту створив німецький вчений А. Ейнштейн у 1905 р. В основі теорії Ейнштейна лежить поняття роботи виходу електронів з металу та поняття про квантове випромінювання світла. За теорією Ейнштейна фотоефект має таке пояснення: поглинаючи квант світла, електрон набуває енергії hv. При вильоті з металу енергія кожного електрона зменшується на певну величину, яку називають роботою виходу(А вих). Робота виходу - це робота, яку потрібно витратити, щоб видалити електрон з металу. Максимальна енергія електронів після вильоту (якщо немає інших втрат) має вигляд: mv 2 /2 = hv- А вих,Це рівняння має назву рівняння Ейнштейна.
Якщо hν< А вих то фотоефект не відбувається. Значить, червона межа фотоефектудорівнює ν min = А вих /h
Прилади, основою принципу дії яких лежить явище фотоефекту, називають фотоелементами.Найпростішим приладом є вакуумний фотоелемент. Недоліками такого фотоелемента є слабкий струм, мала чутливість до довгохвильового випромінювання, складність у виготовленні, неможливість використання в ланцюгах змінного струму. Застосовується у фотометрії для вимірювання сили світла, яскравості, освітленості, кіно для відтворення звуку, у фототелеграфах та фототелефонах, в управлінні виробничими процесами.
Існують напівпровідникові фотоелементи, в яких під дією світла відбувається зміна концентрації носіїв струму. , використовуються у сонячних батареях на штучних супутниках Землі, міжпланетних та орбітальних автоматичних станціях.
З явищем фотоефекту пов'язані фотохімічні процеси, які під впливом світла у фотографічних матеріалах.
Будова атомає складним. Це підтверджують відкриття таких явищ, як електрон, рентгенівські промені та радіоактивність. В результаті теоретичних досліджень та численних дослідів була побудована теорія будови атома. Особливо важливий внесок у створення теорії будови атома зробив англійський фізик Ернест Резерфорд(1871 – 1937), який проводив досліди з вивчення проходження альфа-часток через тонкі металеві пластини золота та платини.
Резерфорд у 1906 році запропонував провести зондування атомів важких елементів альфа-часток з енергією 4,05 МеВ, які випромінювали ядро урану або радію. Таким чином пропонувалося вивчити розсіювання (зміна напрямку руху) альфа-часток у речовині.
Маса альфа-частинки приблизно в 8000 разів більша за масу електрона. Позитивний заряд дорівнює модулю подвоєного заряду електрона 2е. Швидкість альфа-частинки становить 1/15 швидкості світла або 2*10 7 м/с. Альфа-частка- Це повністю іонізований атом гелію.
Спрощена схема дослідів Резерфорда зображено на рис. 1.1. Альфа-частки випускалися радіоактивним джерелом 1, поміщеним всередині свинцевого циліндра 2 з вузьким каналом 3. Вузький пучок альфа-часток з каналу падав на фольгу 4 з досліджуваного матеріалу, перпендикулярно поверхні фольги. Зі свинцевого циліндра альфа-частинки проходили тільки через канал, а решта поглиналася свинцем. Пройшли крізь фольгу та розсіяні нею альфа-частинки потрапляли на напівпрозорий екран 5, який був покритий люмінесцентною речовиною (сульфатом цинку). Ця речовина була здатна світитися при ударі об неї альфа-частинки. Зіткнення кожної частинки з екраном супроводжувалося спалахом світла. Цей спалах називається сцинтиляція(Від латинського scintillation - сяйво, короткочасний спалах світла). За екраном знаходився мікроскоп 6. Щоб не відбувалося додаткового розсіювання альфа-частинок у повітрі, весь прилад розміщувався у посудині з достатнім вакуумом.
Мал. 1.1. Спрощена схема дослідів Резерфорда.
За відсутності фольги на екрані виникав світлий кружок, що складається з сцинтиляцій, спричинених тонким пучком альфа-часток. Але коли на шляху руху альфа-частинок поміщали тонку золоту фольгу товщиною приблизно 0,1 мк (мікрон), то картинка, що спостерігається на екрані, сильно змінювалася: окремі спалахи з'являлися не тільки за межами колишнього гуртка, але їх можна було навіть спостерігати з протилежного боку золотого. фольги.
Підраховуючи кількість сцинтиляцій в одиницю часу в різних місцях екрану, можна встановити розподіл простору розсіяних альфа-часток. Число альфа-часток швидко зменшується зі збільшенням кута розсіювання.
Спостерігається на екрані картина дозволила зробити висновок, що більшість альфа-часток проходить крізь золоту фольгу без помітної зміни напряму їхнього руху. Проте деякі частинки відхилялися великі кути від початкового напрями альфа-частинок (порядку 135 про …150 про) і навіть відкидалися назад. Дослідження показали, що при проходженні альфа-частинок крізь фольгу приблизно на кожні 10000 часток, що падають, тільки одна відхиляється на кут більше 10 про від початкового напрямку руху. Лише у вигляді рідкісного винятку одна з величезної кількості альфа-часток відхиляється від свого первісного спрямування.
Той факт, що багато альфа-частинок проходили крізь фольгу, не відхиляючись від свого напрямку руху, говорить про те, що атом не є суцільною освітою. Оскільки маса альфа-частинки майже 8000 разів перевищує масу електрона, то електрони, які входять до складу атомів фольги, що неспроможні помітно змінити траєкторіюальфа-часток. Розсіювання альфа-часток може викликати позитивно заряджена частка атома - атомне ядро.
Атомне ядро– це тіло малих розмірів, у якому сконцентровано майже всю масу і майже весь позитивний заряд атома.
Чим ближче альфа-частка підходила до ядра, тим більше була сила електричної взаємодії і тим більший кут частка відхилялася. На малих відстанях від ядра позитивно-заряджена альфа-частка зазнає значної сили відштовхування F від ядра, яку визначають за законом Кулона:
| F = |
де r - Відстань від ядра до альфа-частинки; ε 0 – електрична постійна в одиницях виміру СІ; p – число протонів у ядрі; е = 1,6 * 10-19 Кл - абсолютне значення елементарного електричного заряду (заряду електрона); 2e – заряд альфа-частинки
На малюнку 1.2 показані траєкторії альфа-частинок, що пролітають різних відстанях від ядра.
Резерфорд зміг запровадити формулу, що пов'язує кількість розсіяних на певний кут альфа-часток з енергією альфа-часток та протонів р в ядрі атома. Досвідчена перевірка формули підтвердила її справедливість і показала, що кількість протонів в ядрі дорівнює кількості внутрішньоатомних електронів Z і визначається атомним номером хімічного елемента (тобто порядковим номером елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва):
Мал. 1.2. Траєкторії альфа-часток.
Підраховуючи кількість альфа-часток, розсіяних різні кути, Резерфорд зміг оцінити лінійні розміри ядра. Щоб позитивне ядро могло відкинути альфа-частинку назад, потенційна енергія електростатичного (кулонівського) відштовхування біля меж ядра атома повинна дорівнювати кінетичній енергії альфа-частинки:
| = |
Виявилося, що ядро має діаметр:
d я = 10 -13 ... 10 -12 см = 10 -15 ... 10 -14 м
Лінійний діаметр самого атома:
d a = 10 -8 см = 10 -10 м
Планетарна модель атома
Після аналізу численних дослідів, Резерфордом у 1911 році було запропоновано планетарна модель атома(Ядерна модель атома).
Згідно з цією моделлю в центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома. Навколо ядра обертаються орбітами негативно заряджені електрони. Електрони рухаються навколо ядра на відносно великих відстанях, подібно до того, як планети обертаються навколо сонця. Із сукупності цих електронів утворюється електронна оболонкаабо електронна хмара.
Атом в цілому нейтральний, отже, абсолютне значення сумарного негативного заряду електронів дорівнює позитивному заряду ядра: число Z*e протонів в ядрі дорівнює числу електронів в електронній хмарі і збігається з порядковим номером (атомним номером) атома Z атома даного хімічного елемента в періодичній системі Д. І.Менделєєва.
Наприклад, атом водню має порядковий номер Z = 1, отже, атом водню складається з позитивного ядра із зарядом, що дорівнює абсолютному значенню заряду електрона. Навколо ядра обертається один електрон. Ядро атома водню названо протоном. Атом літію має порядковий номер Z = 3, отже, навколо ядра атома літію обертаються 3 електрони.
Експеримент із розсіювання альфа-часток
Відкриття електрона, рентгенівського випромінювання та явища радіоактивності свідчило про те, що уявлення про атом як неподільну частинку було невірним. До кінця (XIX) століття стало зрозуміло, що атом повинен мати складну будову. Великий внесок у вивчення будови атома зробив фізик-експериментатор Ернест Резерфорд.
Ернест Резерфорд
У (1904) році Резерфорд почав свої експерименти з бомбардування альфа-частинками тонких металевих пластин (золотих і платинових) для вивчення структури атомів, з яких складаються пластини.
Альфа-частка – іонізований атом гелію.
Альфа-частка - це масивна (маса альфа-частки в кілька тисяч разів більша, ніж маса електрона) позитивно заряджена частка. Заряд альфа-частинки вдвічі більше елементарного заряду.
Схематично налаштування Резерфорда зображено на малюнку нижче.
У товстостінному свинцевому футлярі (\(1\)) знаходиться радіоактивна речовина (\(2\)), що випромінює потік альфа-часток. Через невеликий отвір (\(3\)) потік альфа-часток прямує на тонку золоту фольгу (\(4\)) (товщиною порядку \(0,1\) мк). За фольгою розташовується екран, покритий сірчистим цинком ((5)). Під час зіткнення альфа-частинки на екрані спостерігається спалах.
Згідно з моделлю будови атома за Томпсоном, альфа-частинки повинні зіткнутися з великими щільними атомами і розлетітися під різними кутами. Однак досвід показав, що більшість альфа-часток пролітають безперешкодно через платівку металу ((6)). І лише невелика частина всіх альфа-часток змінює напрямок руху, відхиляючись на невеликі кути ((7)). А деякі частинки взагалі відлітають від фольги у зворотному напрямку ((8)).
Результати досвіду були надзвичайними. Тільки в (1911) році Резерфорд зміг пояснити результати дослідів, запропонувавши нову модель будови атома.
Ядерна модель будови атома
Так як більшість альфа-частинок вільно проходила через фольгу, це означало, що практично весь простір, через який проходить потік альфа-частинок – це порожнеча. Де ж тоді «захована» вся маса атома? Резерфорд припустив, що майже вся маса атома зосереджена дуже малому обсязі - ядрі атома. Було очевидно, що ядро має бути позитивно зарядженим. Коли альфа-частка пролітає досить близько від такого ядра, то через Кулонівські сили відштовхування відбувається відхилення від початкового напрямку руху частинки. А при зіткненні з ядром частка відскакує у зворотному напрямку. За розрахунками Резерфорда, ядро атома мало мати розмір приблизно в (3000) разів менший, ніж атом. Решту простору атома повинні займати електрони.
Планетарна модель будови атома
Отже, зрозуміло, що «пудингова модель будови атома» неправильна. На основі експериментальних даних було запропоновано нову модель будови атома, яка отримала назву «планетарна модель будови атома».
Зверни увагу!
Згідно моделі Резерфорда, атом складається з дуже маленького позитивно зарядженого ядра, розмір якого в тисячі разів менший за сам атом, і електронів, які обертаються навколо ядра по кругових орбітах.
Модель дуже нагадувала модель будови Сонячної системи, де навколо масивного Сонця круговими орбітами обертаються планети.
Таким чином, на основі планетарної моделі можна було пояснити результати дослідів щодо розсіювання альфа - частинок. Проте пояснити стабільність атомів не вдавалося. Рух електрона в атомі відбувається із прискоренням. Відповідно до класичної електродинаміки цей рух повинен був супроводжуватися випромінюванням електромагнітних хвиль, внаслідок чого енергія електрона в атомі безперервно зменшувалася б. Електрон став би наближатися до ядра по спіралі і мав би дуже скоро впасти на нього. Проте атоми є стабільними. Отже планетарна модель суперечила законам класичної фізики.
