Конспект урока физики на тему: Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца.

Заплани-

рованные этапы урока, время

Деятельность, запланированная на уроке

Ресурсы

Начало урока

Орг. момент.

Проверка домашнего задания.

Повторение

Линейчатые спектры

Презентация

Середина урока

https://docs.google.com/document/d/13AF0MtPCehJV05EmmSpYQOCuA8tsHEVaWBZfgtrfqbI/edit

Опыт Резерфорда по рассеиванию альфа – частиц.

Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Эрнест Резерфорд пришел к выводу, что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре в очень массивном и компактном ядре. А отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра.

Эта модель коренным образом отличалась от широко распространенной в то время модели атома Томсона.

Джозеф Джон Томсон предложил модель атома в виде пудинга (пирога), в котором положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома, а электроны были вкраплены в него.

Несколько позже модель Резерфорда получила название планетарной модели атома (она действительно похожа на Солнечную систему: тяжелое ядро - Солнце, а обращающиеся вокруг него электроны - планеты).

В 1912 г. Э.Резерфорд и его сотрудники поставили опыт по рассеянию альфа-частиц в веществе.

Схема опытов Резерфорда.

В отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком альфа-частиц. Но когда на пути движения альфа-частиц помещали тонкую золотую фольгу толщиной примерно 0,1 мк (микрон), то наблюдаемая на экране картинка сильно менялась: отдельные вспышки появлялись не только за пределами прежнего кружка, но их можно было даже наблюдать с противоположной стороны золотой фольги.

Подсчитывая число сцинтилляций в единицу времени в разных местах экрана, можно установить распределение в пространстве рассеянных альфа-частиц. Число альфа-частиц быстро убывает с увеличением угла рассеяния.

Наблюдаемая на экране картина позволила заключить, что большинство альфа-частиц проходит сквозь золотую фольгу без заметного изменения направления их движения. Однако некоторые частицы отклонялись на большие углы от первоначального направления альфа-частиц (порядка 135^о…150^о) и даже отбрасывались назад. Исследования показали, что при прохождении альфа-частиц сквозь фольгу примерно на каждые 10000 падающих частиц только одна отклоняется на угол более 10^о от первоначального направления движения. Лишь в виде редкого исключения одна из огромного числа альфа-частиц отклоняется от своего первоначального направления.

Тот факт, что многие альфа-частицы проходили сквозь фольгу, не отклоняясь от своего направления движения, говорит о том, что атом не является сплошным образованием. Так как масса альфа-частицы почти в 8000 раз превосходит массу электрона, то электроны, входящие в состав атомов фольги, не могут заметно изменить траекторию альфа-частиц. Рассеяние альфа-частиц может вызывать положительно заряженная частица атома – атомное ядро.

                 «Постулаты Бора.  Модель атома водорода по Бору».

·                    Факты

Опыты по рассеянию α-частиц показывают, что атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Данные электродинамики свидетельствуют, что движущиеся ускоренно заряды испускают электромагнитные волны, теряя энергию. Однако даже повседневные наблюдения говорят, что атомы устойчивы и, как правило, не излучают энергии. Возникло противоречие одних фактов другим.

·                    Модель

Это противоречие устранил Н. Бор (1913г.), создав неклассическую модель атома, базирующуюся на следующих постулатах:

                   I. Существуют особые стационарные состояния атома, находясь в которых атом не излучает энергию, при этом электроны в атоме движутся с ускорением. Каждому стационарному состоянию соответствует определенная энергия .

                 II.Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией  в стационарное состояние с меньшей энергией . Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний:

 -  

          На основе перечисленных фактов построена теоретическая модель водородоподобного атома. Для наглядного представления возможных энергетических состояний атомов используются энергетические диаграммы, на которых каждое стационарное состояние атома отмечается горизонтальной линией, называемой энергетическим уровнем. Состояние с минимальной энергией Е₁ называют основным состоянием. Все остальные состояния атома с энергиями Е₂, Е₃, ……, Е_N называются возбужденными состояниями. Отрицательная энергия состояний атома водорода физически означает, что атом устойчив и для его разрушения (удаления электрона от ядра на расстояние, при котором взаимодействием с ядром  можно пренебречь) необходимо совершить работу. Значение Е > 0 соответствует электрону, проходящему мимо ядра и уходящему в бесконечность. Атом поглощает энергию при переходе из низших энергетических состояний в высшие.

Переходы атома на второй энергетический уровень с верхних уровней образуют серию Бальмера, которая дает видимые частоты излучения (частота излучения соответствует частоте видимого света).

·                    Следствия

Одним из следствий модели атома Бора является то, что при внешних воздействиях атомы могут получать не произвольные, а лишь вполне определенные значения энергии  .

  Частота излучения или  поглощения равна: .

  Радиусы орбит меняются дискретно числам n=1,2,… (правило   квантования).

·                    Эксперимент

1)                 Экспериментальное исследование, непосредственно доказывающее существование стационарных состояний атомов осуществили Франк и Герц. Использовалась установка, схематически изображенная на рис. Стеклянный балон заполнен парами ртути при низком давлении и содержит катод, сетку,анод. Без ртути анодный ток растет непрерывно. При заполнении балона парами ртути на кривой появляются несколько максимумов и минимумов. Классическая физика не в состоянии объяснить этот экспериментальный факт.

Резкое уменьшение силы тока в цепи при достижении напряжения 4,9 В между катодом и сеткой заставляет сделать вывод, что электроны теряют кинетическую энергию равную 4,9 эВ в результате столкновения с атомами ртути. При меньших значениях энергии происходят только упругие столкновения электронов с атомами ртути, при которых электроны не передают им энергию.

Исходя из этих результатов можно сделать вывод, что разность энергий возбужденного стационарного состояния и основного стационарного состояния равнв 4,9 эВ. Этот вывод подтверждается еще одним эффектом. Пока напряжение между катодом и сеткой меньше 4,9 В, пары ртути не излучают. При достижении напряжения 4,9 В пары ртути испускают ультрафиолетовое излучение с частотой: ν =  =1,2 ∙ 10¹⁵ Гц.

2)                 В видимой области спектра водорода находятся только четыре линии серии Бальмера, что подтверждается экспериментом.

Спектроскопические исследования в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра обнаружили серии линий Лаймана, Пашена, Брэкета, Пфунда и ультрафиолетовую часть серии линий Бальмера. Значит теория Бора верно предсказывает реальные факты.

Ограниченность теории Бора.

Теория Бора водородоподобного атома прекрасно согласуется с экспериментом. Она показала неприменимость классической физики к внутриатомным явлениям: в микромире определяющими являются квантовые законы. Однако эта теория не отменяет классическую физику.

Н. Бором в 1923 г. был сформулирован принцип соответствия, согласно которому законы квантовой физики включают в себя законы классической физики.

По теории Бора электрон, движущийся по орбите не излучает электромагнитную волну; излучение происходит при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Сближение результатов квантовой и классической теории происходит при больших значениях квантового числа n. В этом случае уровни энергий стационарных состояний сближаются настолько, что переход атома из одного квантового состояния в соседнее становится неотличим от процесса непрерывного излучения энергии.

Однако эксперимент показывает, что закономерности оптических спектров любого атома, в котором более чем один электрон, не могут быть получены, как следствия теории Бора. Правило квантования применимо не всегда. Представление об определенных орбитах, по которым движутся электроны в атоме, оказалось условным.

К недостаткам теории Бора относится ее противоречивость: эта теория и не классическая, и не квантовая, а то и другое вместе; она представляет собой переходный этап от классической к квантовой физике.

Ссылка 1.

Презентация

Закрепление:

Задание 7. Составить произвольную таблицу “Свойства света” и заполнить ее.

Презентация

Конец урока

Рефлексия

Рефлексия «+, -, интересно».

- Понравился ли вам урок?

- Что было трудным для вас?

- Что вам больше понравилось?

Слайд

Домашнее задание:

1.      Написать конспект.

2.      Тест.

3.      Сообщение.

Слайд 

№

Выполненное задание:

Баллы

1.       

Написать конспект.

30

2.       

Ответить на вопросы теста.

30

3.       

Подготовить сообщение по теме «Опыты Франка и Герца»

40