Разработка интегрированного урока-семинара по теме "Строение атома" (физика 11 класс)

Интегрированный урок­семинар в 11 классе  по теме  «Атом и его строение» Шеломенцева  Людмила Викторовна,  учитель физики МБОУ СОШ с. Олекан  Нерчинского района Забайкальского края   Тема «Атом и его строение» Тип урока: интегрированный урок­семинар (2 часа) Цель урока: формирование системы научных знаний о строении материи, в частности о строении атома. Задачи урока: 1. Расширить, углубить, обобщить и систематизировать знания об атоме и его строении. 2. Показать вклад русских ученых в теорию строения атома. 3. Продолжить формирование научной картины мира. 4. Расширить кругозор учащихся фактами из истории науки. 5. Продолжить формирование информационной культуры учащихся. 6. Продолжить   формирование   навыков   самостоятельной   работы   с дополнительной литературой, ПО ПК, сетью Интернет. 7. Развивать память, мышление, речь, умение выступать перед аудиторией. 8. Способствовать   формированию   устойчивых   межпредметных   связей физики   с   химией, естествознания; учету профилей обучения учащихся.   информатикой,   математикой,   историей Оборудование: таблица «Опыт Резерфорда», компьютер, проектор, экран Компьютерное обеспечение урока: 1. ЦОР, используемые для подготовки ЭП: 1 1) Виртуальная   школа   Кирилла   и   Мефодия:   «Уроки   физики   11   класс», «Уроки   химии   8   класс»,   «Уроки   химии     11   класс»,   «Уроки   физики   9 класс» 2) Я. Боревский  Курс физики XXI века для школьников и   абитуриентов. 2. Электронные презентации учащихся: a) Эволюция учения об атоме   b) Опыты, разрушившие представление о неделимости атома. c) Модели атомов. d) Планетарная модель атома. e) Атом в химии . 3. ЦОР, используемые на уроке: 1)       РЕПЕТИТОР по физике Кирилла и Мефодия  2007 (электронный тест «Опыт Резерфорда») 2)               ФИЗИКА   7­11   класс   /ваш   репетитор/   2  CD,  TeachPro (анимационная   модель   строения   атома, демонстрацией опыта Резерфорда).   видеоролик   с Видео­демонстрации: планетарная модель атома, опыт Резерфорда. План урока: 1. Организационный момент  ­ 6 мин. 2. Изучение нового материала – 67 мин  (39 + 28). 3. Первичное осмысление и закрепление – 12 мин. 4. Домашнее задание ­ 2мин. 5. Подведение итогов урока. Рефлексия. – 3 мин. 2 Ход урока Деятельность учителя ученика I. Организационный момент Приветствие учащихся. Сообщение темы и задач урока, структуры  Приветствие учителя. Осознание задач урока. урока и плана работы. Запись в тетрадь плана семинара. II. Изучение нового материала План семинара: 1. Эволюция учения об атоме 2. Опыты, разрушившие  представление о неделимости атома. 3. Модели атома. 4. Планетарная модель атома 5. Атом в химии Выступления учащихся с сообщениями по  вопросам плана, демонстрация презентаций. Просмотр презентаций  и видеоролика с  демонстрацией опыта Резерфорда  Участие в обсуждении вопросов. Самостоятельная   работа:   заполнение хронологической   таблицы   в   ходе выступлений. III. Первичное осмысление и закрепление Организация компьютерного тестирования с  помощью локальной сети по программе  «Репетитор по физике 2007 / Виртуальная  школа КиМ/» Тестирование по теме «Опыт Резерфорда» IV. Домашнее задание Описать планетарную модель атома  V. Подведение итогов урока. Рефлексия. Резерфорда Оценка работы учащихся на уроке.  3 Аргументация оценок и отметок. Учитель заблаговременно определяет тему, цель и задачи   семинара, планирует его проведение, распределяет задания между учащимися с учетом их   индивидуальных   возможностей,   подбирает   вместе   с   учащимися литературу, проводит консультации, проверяет подготовленные к семинару материалы: конспекты, презентации.  Урок­семинар   проводился   в   сельской   школе,   учащиеся   11   класса обучаются   по   ИУП,   которые   соответствуют   4   профилям:   гуманитарному (история,   русский   язык,   литература),   информационному   (математика, информатика),   естественно­научному   (биология,   химия)   и   универсальному. Физику учащиеся всего класса изучают на базовом уровне (2 часа в неделю). Материал   распределялся   в   соответствии   с   профилем   обучения   учащихся следующим образом. 1. Эволюция   учения   об   атоме     (историческая   справка   –   гуманитарный профиль) 2. Опыты,   разрушившие   представление   о   неделимости   атома. (информационный профиль) 3. Модели атома. (универсальный профиль) 4. Планетарная модель атома (информационный профиль) 5. Атом в химии (естественно­научный профиль) Проведению   семинара   предшествовала   довольно   большая   подготовка учащихся:  сбор и изучение необходимой литературы,   поиск информации в сети Интернет,   работа с электронными носителями в школьной медиатеке, 4  составление плана выступления,    подбор и группировка материала по теме,  подготовка сообщения, доклада и электронной презентации,  оформление и представление собранной информации. Организационный момент Семинар начинается вступительным словом учителя, в котором он  напоминает тему, задачи, порядок проведения семинара. На   протяжении   нескольких   лет,   на   уроках   природоведения,   физики, химии   вы   получали   различные   сведения   о   строении   вещества,   молекулах, атомах.   Сегодня   на   семинаре   мы   попытаемся,   все   ваши   знания систематизировать, расширить и по возможности углубить, чтобы Вы имели единую   систему   понятий   о   строении   материи.   На   уроке   мы   проследим,   в хронологической   последовательности,   тот   сложный   путь,   который   прошла наука о строении вещества, вспомним имена ученых, которые внесли весомый вклад в развитие учения об атоме. В конце второго урока будет проведено тестирование по теме «Строение атома», поэтому к основной теме урока, она выделена на слайде, отнеситесь с повышенным вниманием. В конце урока вы должны знать: 1. какая модель атома принята в качестве основной 2. почему она названа планетарной 3. цель   опыта   Резерфорда,   элементы   экспериментальной   установки, условия осуществления, этапы проведения опыта, результаты 4. плюсы и минусы модели атома Резерфорда уметь:   объяснять   планетарную   модель   атома   на   основе   результатов   опыта Резерфорда, рассказывать об опыте Резерфорда по плану рассказа об опыте 5 (ПОХ – план обобщенного характера), давать описание планетарной модели атома. План   семинара   у   всех   записан   в   тетради.   В   ходе   семинара   Вы   будете составлять   хронологическую   таблицу   «Развитие   представлений   о   строении атома». Поэтому сделайте заголовок и начертите ее. № Дата Ученый Что сделано Значение для науки Изучение нового материала Приступаем к первому вопросу. Выступления учащихся с сообщениями по вопросам плана, демонстрация  презентаций. Тексты сообщений учащихся в приложении к конспекту. Учитель ведет семинар, при необходимости дополняет или комментирует  выступления учащихся. Подводя итоги, отмечает положительное, анализирует содержание, форму  выступления учащихся, указывает недочеты. Закрепление. Тестирование по основному вопросу урока. Рефлексия. Подведение итогов. Литература: 6 3. Астафуров В.И., Бусеев А.И. Строение вещества: книга для учащихся. – 2­е изд. перераб. – М.: Просвещение, 1983. – 160с., ил. 4. Большая серия знаний в 20 томах. Физика, том 10/ ­ М.: ООО «Мир  книги». 2003. – 128с.: ил. 5. Блудов М.И.  Беседы по физике. Ч.2.  Учебное пособие для учащихся/  под ред. Л.В. Тарасова. – 3­е изд., перераб. и доп. – М.: Просвещение,  1985. – 208с., ил. 6. Большая школьная энциклопедия, т 1. Естественные науки (автор  составитель С. Исмайлова). М.: Русское энциклопедическое  товарищество, 2004. – 704с. 7. Глазунов А.Т. и др. Квантовая физика. Методика преподавания физики  в средней школе./пособие для учителя под ред. Пинского А.А./ М.:  «Просвещение» ­ 1989 год, ­ 270с.: ил. Гуревич А.Е. и др. Физика. Химия. 5­6 класс: учебник для  8. общеобразовательных учреждений – 5­е изд., стереотип. – М.: Дрофа,  2004. – 192 с.: ил. 9. Мощанский В.Н., Савелова Е.В. История физики в средней  школе/Библиотека учителя физики/ М.: «Просвещение» ­ 1981 год. 205с.: ил. 10. Пуинг Д.М., Вивес Ж.П. Физика Школьный атлас /перевод с испанского  В. Михайлова/ Москва «Росмэн», 1998, 90с., цв.ил. 11. Рейд С., Фара П. История открытий /энциклопедия/ перевод с  английского А.М. Голова, Москва «Росмэн» 1997 г., 150с.: цв. ил.  12. Энциклопедический словарь юного физика. 13. Энциклопедический словарь юного химика 7 Сообщения учащихся 1 сообщение                                    “Отыщи всему начало и ты многое поймёшь”. (Козьма Прутков.) ЭВОЛЮЦИЯ УЧЕНИЯ об АТОМЕ На протяжении всей истории науки ученые пытались найти ответ на вопрос:   что   такое   материя   и   из   чего   она   состоит,   т.е.   познать   основы мироздания. Так   в   науке   древности   появились   термины   элемент   и   атом.   Под элементом  (от   лат.  еlementum  – «стихия»,  «первоначальное   вещество»)     в философском смысле понимали простейшую, неразложимую составную часть всех тел. Древнегреческий философ Эмпедокл (V век до н. э) полагал, что в мире есть   четыре   основных   элемента:   земля,     вода,   воздух   и   огонь,   которые обладают неизменными свойствами: тепло, влажность, холод, сухость. Идеи Эмпедокла были развиты в трудах Аристотеля: к 4 стихиям он добавил пятую – эфир. На протяжении двух тысячелетий соперничали между собой   идеи   Аристотеля,   считавшего,   что   материя   непрерывна   и   учение Левкиппа, Демокрита и Эпикура о том что все в мире состоит из огромного числа частиц. Демокрит назвал эти частицы атомами. Атом в переводе на русский – неделимый. 8 Согласно учению Демокрита:   все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазом, неделимых частиц­атомов;  атомы непрерывно двигаются в пустоте;  никто их не создавал, они были всегда;  никто не может уничтожить атомы;  атомы материальны: имеют вес, размеры, форму;  одни   атомы   имеют   крючочки,   другие   петельки   с   помощью   которых соединяются друг с другом. Многочисленные   подтверждения   своим   взглядам   Демокрит   находил   в наблюдениях   за   окружающим   миром.   Его   бессмертное   учение   навеки запечатлелось   в   прекрасных     стихах   поэмы   Лукреция   (1   век   до   н.э.)   «О природе вещей». Противник Демокрита Платон свои взгляды на строение вещей изложил в своем философском сочинении  «ТИМЕЙ». Он утверждает, что в основе всего   сущего   лежат   частицы.   Эти   частицы   имеют   форму   геометрических фигур   –   треугольников.   Элементы   мира   у   Платона–   правильные многогранники:   тетраэдр     ­«частица   огня»,   октаэдр   ­«частица   воздуха», икосаэдр ­ «частица воды», куб ­ «частица земли». На протяжении более чем 20 столетий ученые использовали понятие атома, собирая и накапливая информацию об этом «невидимке». С   момента   возникновения   атомистическое   учение   жестоко   преследовалось служителями церкви. Последователей Демокрита подвергали гонениям, а их произведения сжигали. В эпоху средневековья атомистические представления были   полностью   отброшены   и   в   течение   более   тысячи   лет   в   науке господствовало учение Аристотеля.   9 В середине  XVII  в. французский философ и физик Пьер Гассенди (1592— 1655) заново пересказал учение Демокрита и Эпикура, дополнив его новым понятием «молекула» для обозначения различного сочетания  атомов друг с другом. Атом становится  объектом изучения химиков Во второй половине XVII в. произошло множество открытий в областях физики   и   химии.   Огромную   роль   в   этом   сыграли   работы   выдающихся английских ученых Роберта Бойля (1627—1691) и Исаака   Ньютона   (1643— 1727). После   10   лет   эксперимента   Р.   Бойль   написал   знаменитую   книгу «Химик­скептик», в которой доказал нереальность «начал» Аристотеля и ввел представление   о   химических   элементах   как   о   веществах,   не   поддающихся дальнейшему разложению. Определив задачей химии изучение элементов и их соединений. Р. Бойль поставил ее на научную основу. Ф. Энгельс отметил эту заслугу   исследователя   кратко   и   определенно:  «Бойль   делает   из   химии науку». Огромный   вклад   в   развитие   науке   об   атомах     внес   замечательный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711 ­ 1765).  Он утверждал, что все происходящие в природе химические и физические явления   обусловлены   внутренним   движением   частиц   вещества.   Наделив атомы   массой, шарообразной формой и способностью к движению, ученый высказал   ряд   важных   положений,  которые   спустя   130  лет   легли   в   основу молекулярно­кинетической теории газов.     M В   Ломоносов     считал знание физики   залогом   успешной   деятельности   в       области   химии.  «Химик   без знания физики, — писал он, ­ подобен человеку, который всего     должен искать ощупом. И сии две науки так соединены между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут». 10 М.  В.  Ломоносова   по   праву     считают   основоположником   количественного метода исследования.  Количественный метод исследования к концу XVII в.  являлся  основой химического   эксперимента.   Ученые   стали  систематически   прибегать   к измерению   объемов   и   взвешиванию.   Большая   заслуга   в   этом   принадлежит также выдающемуся французскому химику Антуану Лорану Лавуазье (1743— 1794).   Основываясь   на   результатах   своих   многолетних   экспериментальных исследований,   А.   Лавуазье   описал   и   систематизировал   все   известные   в   то  В   1789   г.   ученый   опубликовал   ставший время   химические   элементы. знаменитым «Элементарный учебник химии», в котором блестяще обобщил все достижения химии   того   времени. АТОМНАЯ   ТЕОРИЯ   ДАЛЬТОНА Новая эпоха начинается в химии с атомистики    (следовательно,   не   Лавуазье,   а Дальтон — отец   современной   химии)         Ф.  Энгельс Ученые  XVIII  в.   не   смогли   связать   атомистические   представления   с учением о химических элементах.  Толчок новым теоретическим исследованиям в области химии дали работы английского   учителя   Джона   Дальтона,   который   предположил,   что   атомы различных   элементов   имеют   различную   массу.   При   химических   реакциях атомы   сближаются   и   образуют   молекулы   химического   соединения.   Масса любой молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов. Теория Дальтона отражала   наиболее   важную   для   того   времени   сторону  химических превращений — соотношение масс реагирующих   веществ. Для объяснения имеющихся экспериментальных данных Д. Дальтон наделил атомы тремя свойствами:  11 1) атомы неизменны и неделимы (обоснование закона сохранения массы веществ при химических реакциях); 2)   все   атомы   одного   и   того   же   элемента   тождественны   (обоснование закона постоянства состава);  3) атомы   способны   соединяться     в   соотношениях (обоснование   закона   кратных   отношений)       между   собой     различных Поскольку   абсолютные   массы   атомов   невозможно   было   определить   Дальтон   предложил непосредственным   взвешиванием   веществ,   Д. рассчитывать относительные атомные массы, приняв массу атома водорода за единицу. На основании данных химического анализа различных соединений он к 1810 г. вычислил относительные атомные массы девятнадцати элементов.    Д. Дальтон не видел различия между химическим элементом   и простым веществом.   Он ошибочно   полагал, что молекулы всех простых веществ, в том   числе   и   газообразных,   состоят   из   отдельных   атомов   и   категорически отрицал возможность соединения между собой атомов одного элемента.  В 1808 г. французский исследователь Жозеф Луи Гей­Люссак сообщил об   открытии   закона   простых   объемных   отношений,   на   основе   которого Авогадро выдвинул гипотезу:  1. Атомы одного и того же элемента могут соединяться в молекулы;  2. В равных объемах любых газов содержится равное число молекул.   А. Авогадро установил двухатомность молекул кислорода, водорода, азота, хлора  и  правильный   состав   молекул   воды   Н20,  метана   СН4,  этилена   С2Н4. Однако гипотеза Авогадро не была понята его современниками. Пользоваться гипотезой Авогадро для определения молекулярных масс простых и сложных веществ химики начали примерно с середины 50­х годов. Когда она получила теоретическое обоснование. Оказалось, что ее можно вывести как следствие из кинетической теории газов. 12 В 1860 году состоялся 1 Международный конгресс химиков. Участники конгресса четко разграничили понятия атома и молекулы, установили единую химическую терминологию и приняли новую систему атомных масс, в основе которой лежала гипотеза Авогадро.  Достигнутое учеными различных стран единство   взглядов   по   основным   спорным   вопросам   того   времени   явилось главной предпосылкой возникновения периодической системы элементов. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ       ЗАКОН       И       ПЕРИОДИЧЕСКАЯ       СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ  Д.   И.  МЕНДЕЛЕЕВА Менделеев, применив бессознательно  гегелевский закон о переходе количества в качество,   совершил  научный  подвиг,   который  смело   можно  поставить  рядом   с открытием  Леверье,   вычислившего   орбиту  еще      не      известной       планеты  — Нептуна . Ф. Энгельс Все вещества построены из атомов различных элементов. А существует ли между химическими элементами какая­нибудь связь?   В   1815   г.   английский   ученый   Уильям   Проут,   казалось   бы,   нашел правильный ответ на этот вопрос. Основываясь на том, что атомная масса водорода   почти   в   точности   равна   единице   и   что  атомные   массы   других элементов тоже приближаются к целым числам, У. Проут выдвинул гипотезу о происхождении всех химических элементов из водорода.  Первая   попытка   научной   классификации   химических  элементов принадлежит немецкому химику Иоганну Вольфгангу Доберейнеру, который сгруппировал   некоторые   сходные   между   собой   элементы   в   порядке увеличения их атомных масс. Конечным результатом его исследований была опубликованная в 1829 г, таблица «триад»:   13 Li    Са    Р     S     С1   Мп Na   Sr   As   Se   Br   Cr К     Ba    Sb   Те   I     Fe Логическим   завершением   поисков   различных   вариантов   научной систематики химических элементов явилась периодическая система Дмитрия Ивановича Менделеева, составленная русским ученым в феврале 1869 г. при написании учебника по химии для студентов Петербургского университета. Расположив все химические элементы по возрастанию их атомных масс,       Д. И.   Менделеев   обнаружил   ярко   выраженную   периодичность   в   изменении свойств, как самих элементов, так и их соединений.   Основываясь   на   этом,   он   сформулировал   закон,   согласно   которому свойства химических элементов и образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от атомных масс этих элементов. В 1871 г. ученый разработал новый вариант периодической системы, который уже мало, чем отличался от современного.  Глубоко   убежденный   в   том,   что   периодический   закон   является   одним   из основных законов естествознания, Д. И. Менделеев предсказал на его основе свойства   трех   ещё   не   открытых   элементов   четвертого   периода.   Все   эти элементы были найдены еще при жизни великого ученого.   В   1895   г.   шведский   исследователь   Юлиус   Томсен,   после   открытия аргона,   проанализировав   периодичность   изменения   свойств   элементов   в системе   Менделеева,   пришел   к   выводу,   что   наряду   с   аргоном   должна существовать   целая   плеяда   химически   инертных   элементов   с   атомными 14 массами 4 (гелий), 20, 36 (аргон), 84, 132, 212, 292, причем все они должны помещаться в конце каждого периода.  Открытие в 1898 г. трех химически неактивных элементов: неона, криптона и ксенона — подтвердило правильность этих предсказаний. В конце  XIX  — начале  XX  в. ученые предприняли попытки подвести под Периодическую систему математический фундамент. И это им, в некоторой степени удалось. Периодический закон можно выразить в общем виде   уравнением: У= f(А) у — некоторое свойство элемента; А — его атомная масса;  f(x)—периодическая функция. В 1885 г. шведский исследователь Иоганн Роберт Ридберг высказал мнение, что   атомная   масса  А  также  есть   функция   некоторого   числа  N,  которое ­ученый назвал порядковым числом элемента. А= f(N) В 1897 г. И. Ридберг сформулировал правило, согласно которому атомная масса   элемента,   а   следовательно,   и   другие   его   свойства   находятся   в периодической зависимости от числа N. Блестящим подтверждением взглядов И.  Ридберга   явилась   открытая   французским   исследователем                       Д. Винсентом общая формула для атомных   масс  элементов: A=N1,21 где  N  —   целое   положительное   число,   принимающее   значения   от   1   для водорода до 92 для урана. В   1906   г.   И.   Ридберг   заметил,   что   в   периодической   системе   химических элементов важную роль играют числа 2, 8 и 18. 15 Представив эти числа как 2 = 2∙12, 8=2∙22, 18 = 2∙32, он продолжил полученный ряд дальше: 2∙42  = 32, 2∙52  = 50 и сделал вывод, что период, начинающийся после ксенона, будет состоять из 32 элементов. Периодическая   таблица   химических   элементов,   созданная   на   основе периодического закона, открытого русским ученым ДИ Менделеевым стала научным венцом атомной химии.  Математический анализ периодической системы элементов приводил к правильным выводам, но физический смысл периодического закона оставался при   этом   совершенно   неясным.   Причину   периодичности   необходимо   было искать в особенностях строения атомов элементов.    Эту   задачу   могла   решить   только     физика.  Физика   как   «эстафетную палочку» приняла атом из рук химиков. На этом этапе развития естествознания атом полностью переходит в руки физиков. Однако начинать пришлось в трудных условиях. Несмотря на то, что об атомах вещества в науке была собрана огромная информация, их все еще никто не видел. Поэтому реальность существования атомов и молекул вновь подверглась  сомнению. Ярым   противником  атомно­молекулярного   учения   в   конце  XIX  в. выступил  известный немецкий естествоиспытатель Вильгельм Оствальд. Он утверждал, что атомы и молекулы существуют только в сознании человека и что   атомистические   представления   —   всего   лишь   удобный   способ отображения   реально   протекающих   во   времени   и   в   пространстве энергетических процессов. Он настаивал, чтобы химики по возможности не пользовались атомистической теорией. 16 Разрешить   спор   между   сторонниками   и   противниками   атомно­ молекулярного учения мог только эксперимент. И такой эксперимент был вскоре поставлен.  И открытия не заставили себя ждать. В   1827   г.   английский   ботаник   Роберт   Броун,   рассматривая   под микроскопом взвешенные в воде частицы цветочной пыльцы, обнаружил, что самые   маленькие   из   них   находятся   в   состоянии   непрерывного   и беспорядочного движения.  Был   сделан     вывод:   броуновское   движение   обусловлено   столкновением взвешенных   частиц   с   молекулами   жидкости.   Этот   вывод   позднее   был теоретически обоснован Эйнштейном, а затем экспериментально французским исследователем Жаном Перреном. Перрен на основе своих опытов рассчитал значение постоянной Авогадро.  Она оказалось равной 6,022*1021моль­1. После   работ   Ж.   Перрена   В.   Оствальд   вынужден   был   признать,   что «атомистическая   гипотеза   сделалась   научной,   прочно   обоснованной теорией». В дальнейшем и до настоящего времени факт существования атомов и молекул   не  подвергается   сомнению.  С  помощью   электронного   микроскопа ученым   удалось   получить   отчетливые   фотографии   частиц   и   отдельных, наиболее   крупных   молекул.   Также   были   определены   основные характеристики  атомов и молекул: размеры, масса, объем. Таким образом  идея атомистического строения вещества утвердилась в науке окончательно, благодаря развитию химии и физики. Однако   атомистика   конца   19   века   объявила   атом   неизменным,   отрицая возможность превращения атомов одного элемента в атомы другого. 17 Но у физиков того времени были на этот счет другие мнения. Воспользовавшись  идеей   Проута о том что в состав атома  входят атомы водорода, т.е.  что атом может из чего­то состоять, ученые стали работать над проблемой как разрушить атом? Так как атом является химически неделимым, то нужно было найти способ деления атома на составные части физически.  2 сообщение ОТКРЫТИЯ, НЕДЕЛИМОСТИ  АТОМА     РАЗРУШИВШИЕ     ПРЕДСТАВЛЕНИЕ   О ...Факты,  не  объяснимые  существующими  теориями, наиболее дороги для науки, от их разработки следует по преимуществу ожидать ее развития в ближайшем бу­ дущем. А. М. Бутлеров 1. В   начале  XIX  в.   общераспространенным   было   мнение,   что   между атомами   и   электричеством   существует   тесная   связь   и   что   в   основе соединения атомов друг с другом лежат электрические процессы. 2. Первые   экспериментальные   данные   о   существовании   внутри   атомов электрических зарядов, были получены Майклом Фарадеем в 1833 году при   изучении   электролиза.   В   ходе   опытов   был   открыт   закон 18 электролиза,   который   позволил   сделать   вывод,   что   ионы   способны переносить не произвольный, а строго определенный заряд.  3. В 1974 году английский физик   Джонс тон Стони пришел  к выводу об атомистической природе электричества. Атом электричества он назвал элементарным   зарядом.   Рассчитав   численное   значение   элементарного электрического заряда, он нашел его равным 10­20 Кл. Существование противоположных электрических зарядов в атоме было окончательно   доказано   опытами   с   катодными   и   каналовыми   лучами, возникающими   при   электрическом   разряде   в   разреженном пространстве. 4. Катодные лучи были открыты английским ученым   Уильямом Круксом в   1879   г.   Они   представляли   из   себя   поток   отрицательных   частиц исходящих   из   катода   под   действием   сильного   электрического   поля. Причем свойства катодных лучей не зависели от природы газа в трубке и вещества катода. Значит отрицательные частицы входят в состав всех атомов. 5. 6.  В 1891 г. Д. Стони предложил называть такие частицы электронами.  Окончательно существование электрона было доказано в 1897 г., когда Джозеф   Джон   Томсон  в   Англии   и   Евгений   Вихерт   в   Германии   в результате   количественного   изучения   катодных   лучей   определили величину  e/m  — отношение заряда электрона к его массе. Численное значение   этого   отношения   оказалось   равным       1,759*108      Кл/г. Утверждение,   что   существует   материальная   частица   меньше   атома, вызвало   бурю   в   научных   кругах.   В   течение   десяти   лет     Томсон предпринял одиннадцать попыток измерить заряд электрона и получил одиннадцать различных значений.  Открытие электрона и обнаружение электронов   в   составе   всех   атомов   было   первым   доказательством сложности их строения. 19 7. В 1909 г.  английскому физику Роберту Эндрусу Милликену удалось экспериментально определить заряд электрона с помощью специально сконструированного прибора. Он оказался равным 1,602*10­19 Кл. Зная отношение elm и величину е, легко можно рассчитать массу электрона. Она равна 9,1*10­31кг. 8. В 1886 г. немецкий физик Евгений Гольдштейн доказал существование положительных   зарядов   в   атоме.   Он   применил   в   качестве   катода   в газоразрядной трубке металлический диск с отверстиями. Когда в такой трубке   происходил   электрический   разряд,   наблюдалось   красивое явление:   из   каждого   отверстия   в   катоде   вылетал   узкий   светящийся пучок лучей. Эти лучи были названы   каналовыми. Они представляют собой   поток   быстро   летящих,   положительно   заряженных   частиц, возникающих   при   ионизации   молекул   газа.   Самые   легкие   из   таких частиц         были   получены,   когда   трубка   заполнялась   водородом. Предположив, что этими частицами являются атомы водорода, поте­ рявшие свой электрон, их назвали протонами. По современным данным масса протона равна  1,67* 10 ­24 г.  9. Еще   одним   доказательством   сложности   атомов   явилось   открытие радиоактивности.   В   1896   г.   французский   ученый     Анри   Беккерель, производя   опыты   с   солями   урана,   обнаружил,   что   атомы   урана испускают   невидимые   глазом   излучения,   способные   проникать   через бумагу или картон и вызывать почернение фотографической пластины, ионизировать   воздух.   Явление   испускания  атомами   невидимых проникающих излучений назвали  радиоактивностью  (от лат.  radius  — луч) В 1898 году Мария Склодовская­Кюри и Пьер Кюри установили, что радиоактивные излучения испускаются не только атомами урана, но и атомами некоторых других элементов. По радиоактивному излучению ими   были   открыты   два   неизвестных   ранее   химических   элемента   — радий и полоний. 20 10.  В   1899—1900   гг.   Э.   Резерфорд   и   П.   Виллар   обнаружили неоднородность   радиоактивного   излучения.   Как   выяснилось,   оно состоит   из   трех   компонентов.   В   соответствии   с   их   проникающей способностью эти компоненты назвали  β 11.В 1899 г. А. Беккерель доказал, что  ­лучи есть не что иное, как поток α β γ  ,  и  ­лучами.  электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. 12.  Важным   фактором,   свидетельствующим   о   сложной   внутренней структуре атомов было открытие линейчатых спектров.  Исследования показали,  что  при   нагревании   до   высокой   температуры   пары   любого химического   элемента   испускают   свет,   узкий   пучок   которого разлагается   призмой   на   несколько   пучков   света   различного   цвета. Совокупность наблюдаемых при этом разноцветных линий называется линейчатым   спектром   испускания.  Линейчатый   спектр   испускания любого   химического   элемента   не   совпадает   со   спектром   испускания всех   других   химических   элементов.   Каждая   отдельная   линия   в линейчатом спектре образуется светом с определенной длиной волны (определенной   частотой).   источник   света,   Следовательно, представляющий собой разреженный газ, испускает электромагнитные волны   не   со   всевозможными,   а   только   с   несколькими   вполне определенными частотами   v1, ....  vn. После открытия электрона стала очевидной   связь   явлений   излучения   и   поглощения   света   атомами   с наличием в них электронов. Одним из главных результатов новых исследований было изменение понятия об атоме, который стало необходимо рассматривать как сложное образование, построенное из противоположно заряженных частиц. 21 3 сообщение ПЕРВЫЕ МОДЕЛИ АТОМА Философы полагают, что факты рождают идеи, и в некотором смысле это верно. Но я нахожу   в   истории   естествознания   следующее:   для   того,   чтобы   понимать   факты, необходимо иметь в голове определенные идеи и что глазами можно не увидеть того, что увидит разум. Ю.  Либих 22 Начиная  с 1888  г.  в научном  журнале  Русского   физико­химического общества стали появляться статьи с изложением оригинальных взглядов на структуру атомов. Автор этих статей — известный в то время философ Борис Николаевич Чичерин рассматривал атом как сложную систему, состоящую из положительно   заряженной   центральной   массы   и   окружающих   ее   отрица­ тельных оболочек. Частицы с отрицательным зарядом (электроны) обладали, по   его   мнению,   наибольшей   подвижностью,   а   общее   число   оболочек возрастало   с   увеличением   атомной   массы   элемента.   Между   центральной массой и вращающимися массами действует сила притяжения, подобная силе тяготения. Атом, по Чичерину, подобен солнечной системе. К идее планетарного строения атома, в основных чертах совпадающей с взглядами Б. Н. Чичерина, пришел в 90­х годах прошлого века также и другой русский ученый — Николай Александрович Морозов. Свою модель он создал исходя из периодического закона Менделеева, будучи в заключении за революционную деятельность. По теории Морозова, атомы всех элементов состоят из трех частиц. Две из   них   несут   па   себе   электрические   заряды   —   положительный   и отрицательный. Конечно, Морозов не мог догадаться о действительном строении атома. Ведь он даже не знал об открытии электрона и радиоактивности. Тем не менее, в его теории содержалось много верных идей. В 1901 г. французский ученый  Жан Батист Перрен опубликовал статью, где   представил   атом   состоящим   из   «положительно   заряженного   ядра, окруженного   отрицательными   электронами,   которые   двигаются   по 23 определенным  «орбитам»  со  скоростями, соответствующими   частотам  све­ товых волн»1. Другими словами, Ж. Перрен в 1901 г. теоретически построил будущую   экспериментальную   модель   Резерфорда.   Однако   эта   его   идея оказалась   преждевременной,  поскольку   вопрос   о   носителе   положительного заряда в атоме был еще неясен. В   1902   году   английский   физик   Уильям   Томсон   предложил рассматривать   атом   как   облако   положительного   электричества   с вкрапленными в него электронами, которые находятся в некоторых устойчи­ вых положениях, но могут смещаться и совершать колебания под действием внешнего электрического поля Простейший атом — атом водорода с точки зрения модели У. Томсона представлял собой положительно заряженный шар, в центре которого находится электрон. 1904 год. В отличие от своего соотечественника, Джозеф­Джон Томсон считал, что электроны ­ внутри положительного шара расположены в одной плоскости и образуют концентрические кольца. Положительная сфера имела   Электроны   могли   находиться   внутри   положительно размеры   атома.   заряженного шара в покое, а могли вращаться вокруг его центра. Модель Томсона оказалась неверной. Но в ней была заложена интересная и полезная для будущего идея. Томсон установил, что устойчивое    состояние электронов   возможно   только   при   их   определенном   распределении   внутри положительно   заряженного   шара.   Это   было   правильно   и   для   случая неподвижных   электронов,   и   для   случая   электронов,   вращающихся   внутри атома. Электроны должны были располагаться слоями и образовывать нечто подобное «слоеному пирогу».  Возникновение химической связи он объяснял переходом электронов от одного   атома   к   другому.   Дж.   Томсон   впервые   попытался   связать периодичность в изменении свойств элементов со строением их атомов. Он также   предположил,   что   общее   число   электронов   в   атоме   непрерывно возрастает при переходе от элемента к элементу. 24 1904   год.   Немецкий   физик   Филипп   Ленард   отрицал   возможность раздельного существования в атоме противоположных электрических зарядов. Согласно его модели, атом состоит из нейтральных частиц, каждая из которых является   электрическим   дуплетом.   Выполненные   Ф.   Ленардом   расчеты показали,  что  эти   частицы обладают очень малым радиусом (3*10­12  см) и, следовательно, большая часть атома пуста. Для   объяснения   характера   оптических   спектров   и   явления радиоактивности   профессор   физики   Токийского   университета   Хантаро Нагаока предложил в 1904 г. свой вариант атомной модели, в котором атом уподоблялся   планете   Сатурн.   Роль   самой   планеты   играл   положительно заряженный шар ­ основная часть атома, вокруг которого, как расположенные в виде колец спутники Сатурна, вращаются электроны. Ученые понимали, что чтобы окончательно решить вопрос о распределе­ нии   положительного   заряда   в   атоме,   необходим   эксперимент.   Такой эксперимент был проведен английским ученым Эрнестом  Резерфордом.  4 сообщение ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЯДЕРНО­ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА 25 Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением ',                                                                          М. В. Ломоносов Модели   атомов,   созданные   до   1910   года   были   умозрительными,   их  с   помощью справедливость   нужно   было   подтвердить   или   опровергнуть   эксперимента. Решающий   вклад   в   создание   современной   теории   строения  атома   внес английский физик Эрнест Резерфорд  В   1911   г.   Резерфорд   совместно   со   своими  ассистентами   Г.   Гейгером   и   Э. Марсденом экспериментально обосновал ядерную модель атома. Цель опыта: выяснить внутреннюю структуру атома: 1) Распределение массы 2) Распределение положительного и отрицательного заряда 3) Размеры атома Для проведения опыта была собрана установка, которая включала в себя: 1 ­  — свинцовый контейнер, содержащий крупицу радия. 2 – радиоактивное вещество (источник ­частиц) 3 ­  узкий пучок  альфа­частиц 4 – тонкая металлическая фольга 5 ­  экран, покрытый сульфидом цинка;  каждая альфа­частица, попавшая на экран, вызывает  вспышку. Эти вспышки наблюдались   глазом   7   с   помощью   микроскопа  6  и   подсчитывались.   Экран вместе с микроскопом мог поворачиваться, что позволяло изменять угол,  под которым частицы попадали на экран.  26 Установка помещалась в  сосуд, из которого выкачен воздух, чтобы  движению  α ­частиц ничто не мешало.  Ход опыта: 1. В отсутствии препятствия на пути  α  ­частицы, на экране  образовывалось  одно светлое пятно, т.к.  на экран узким пучком.  α  ­частицы попадали  2. Если на пути  α  ­частиц установить препятствие, в виде тонкой  металлической фольги, то картина на экране изменялась. Результаты опыта: 1. Золотая   фольга   имела   толщину   0,4  мкм   (4*10­7  м).  Учитывая,  что в твердом теле атомы плотно упакованы, а расстояния между их центрами (по  данным   рентгеноструктурного   анализа)  составляют   2,5•   10­|0  м, получаем,   что   фольга   по   своей   толщине  содержит   около   1600   слоев атомов. 2. В  ходе  опыта  было  зафиксировано  более 100 000  вспышек, которые отклонились на различные углы: Угол отклонения 15 30 45 60 75 105 120 135 150 Число вспышек 132 000 7 800 1 435 477 211 70 52 43 33 1 из 20 000 1 из 40 000 1 из 70 000 27 142 121 Анализируя   данные     полученных   результатов   (таблицы)   можно   сделать выводы: 1) подавляющая часть альфа­частиц проходит сквозь фольгу практически без отклонения или с отклонением на  малые углы по отношению к направлению своего первоначального полета. 2) Однако, некоторая небольшая часть альфа­частиц при прохождении через фольгу   отклоняется   на  значительные   углы.   Так,  примерно   одна   из  20 000 частиц испытывает отклонение на угол порядка 90°, одна частица из 40 000— на угол около 120 и одна частица из 70 000—на угол порядка 150о.   Объяснить   этот   результат   на   основе   модели   Томсона   оказалось невозможным. Резерфорд теоретически проанализировал закон распределения альфа­частиц   по   углам   их   рассеяния   атомами   фольги,   используя   разные модели строения атома. Данные этого анализа рисовали следующую картину строения атома: ­положительный заряд сосредоточен в малой части атома — в так называемом ядре атома; ­практически вся масса атома сосредоточена в этом ядре; отклонения альфа­частиц от первоначального направления полета происходят не в результате большого числа малых отклонений, претерпеваемых частицей при полете сквозь множество атомов фольги, а в результате однократного акта столкновения альфа­частиц с ядром одного из атомов. Кроме   качественных   результатов,   характеризующих   внутреннюю   структуру атома,  были получены и некоторые количественные характеристики: 1)  заряд ядра  приблизительно  равен половине  массового числа  атома (при этом   заряд   электрона   принимается   за   единицу).   Это   дало   основание 28 предположить,   что   заряд   ядра   атома   соответствует   номеру  химического элемента в таблице Менделеева: Qядра=Ze, где е — модуль заряда электрона. 2) Зная энергию альфа­частиц (5МэВ) и заряд ядра атома золота (79), можно рассчитать, на какое минимальное расстояние должны они сблизиться, чтобы альфа­частица   отклонилась   на   определенный   угол.   Это   дало   возможность оценить размеры ядер атомов, оказавшиеся порядка 10­14 м. Напоминаем, что размеры самих атомов порядка 10­10 м, т.е. в 10 000 раз больше. Согласно   масштабам   атом   моделируется   пустой   сферой   диаметром   с трехэтажное здание, внутри которой  находится массивное ядро размером  с булавочную головку. Такая модель атома позволяет понять результаты опыта Резерфорда:   поскольку   атом  практически   пустой,   то   большинство  альфа­ частиц пролетает без всякого рассеяния через решетку атомов из десятков тысяч слоев. И только малая часть альфа­частиц, проходящих вблизи ядра, испытывает рассеяние. Из опытов Резерфорда следует, что классическая электродинамика правильно описывает взаимодействие не только макроскопических тел, но и микрочастиц (например, альфа­частицы и ядра) до расстояний порядка 10­14—10­15 м. Здесь справедлив закон Кулона. Из   опытов   Резерфорда   непосредственно   следует  планетарная   модель атома. В центре атома расположено положительно заряженное атомное ядро, вокруг   которого   (подобно   планетам,   обращающимся   вокруг   Солнца) вращаются   под   действием   кулоновских   сил   притяжения   отрицательно заряженные   электроны.   Атом   электронейтрален:   заряд   ядра   равен суммарному заряду электронов. Размер   атома   определяется   радиусом   орбиты   валентного   электрона   и составляет    10­10м. 29 Планетарная   модель   атома,  обоснованная   опытами   Резерфорда,  проста,   но имеет недостатки. Недостатки модели: 1. Согласно законам классической механики и  электродинамики ядерная   модель   атома   Резерфорда   не   может   быть   стабильной системой. В самом деле, при движении электрона вокруг ядра по замкнутой   криволинейной  орбите     в   любой   точке   пространства периодически   меняется   электрическое   поле.  А   тогда   согласно основным   положениям   электродинамики   Максвелла   атом   должен излучать   электромагнитные   волны   с   частотой,   равной   частоте обращения электрона вокруг ядра.  Но волны переносят энергию, и эту   энергию  излучает   источник,   в   данном   случае   атом. Следовательно, энергия движения электрона уменьшается,     и   он должен       постепенно     сближаться   с   ядром.   По   мере   сближения электрона   с   ядром   частота   излучаемых   атомом   световых   волн должна увеличиваться. В действительности атомы устойчивы и в со­ стоянии   с   минимальной   энергией  могут   существовать неограниченно долго. 30 2. В любом объеме нагретого атомарного газа должны быть атомы,   как в «начале», так и в «конце» своего существования. Следовательно, излучаемый таким газом свет должен содержать электромагнитные волны всевозможных частот, т.е. атомарный газ должен излучать свет со сплошным спектром. 3.   Ядерная   модель   атома   с   точки   зрения   классической   механики   и электродинамики   несовместима   и   с   гипотезой   Планка:   ускоренно движущийся   вокруг   ядра   электрон   должен   испускать электромагнитную волну непрерывно, а не порциями, как утверждается в гипотезе Планка. Указанную выше проблему разрешил датский физик Нильс Бор. В 1913 г.   он   пришел   к   выводу,   что   всем   трем   научным   фактам   (устойчивость резерфордовской модели атома, квантовый характер излучения и поглощения света и линейчатость спектров излучения света атомами) можно дать единое объяснение,   если   признать,   что   движение   частицы   в   атоме   обладает определенными   особенностями.   Эти   особенности   нашли   отражение   в постулатах Бора.  Э. Резерфорду, по его признанию, это показалось сначала таким же чудом, как если бы тяжелый снаряд дал рикошет от листка тонкой бумаги. 31 Сообщение 5 ИЗУЧЕНИЕ АТОМА В ХИМИИ Атом объект изучения 2­х наук: физики и химии. 1)Химия –это наука о веществах и их свойствах. 2)Вещества в химии – это формы существования материальных объектов.  3)Каждому веществу присущ набор физических и химических свойств. ­  Физические   свойства   определяют   индивидуальность   вещества:   плотность, цвет,   вязкость,   теплопроводность,   электропроводность   и   т.   д.   Физические свойства вещества зависят от агрегатного состояния веществ. ­ Химические свойства веществ определяют способность вещества к участию в различных химических реакциях. 4)Все вещества состоят из частиц. ­ Молекула – это мельчайшая частица вещества, определяющая его свойства. ­ Молекулы состоят из атомов. ­ Молекулы бывают простые и сложные, одноатомные и многоатомные. ­ Состав молекулы определяется молекулярной формулой. 5)Атом – это наименьшая химическая частица вещества. ­ Атом стабилен и электрически нейтрален. ­   Определенный   вид   атомов(с   одинаковым   количеством   протонов   в   ядре­ изотопов)   называется   химическим   элементом.  Каждый   элемент   имеет   свое название и символ. ­ В настоящее время известно 115 химических элементов, которые образуют около 500 простых веществ (кислород – озон, алмаз – графит). ­ Сложные вещества называют химическими соединениями. 32 6)В 1869 году русским ученым ДИ Менделеевым был открыт основной закон химии,   который   был   назван   периодическим.   В   то   время   атом   считался неделимым, и о его внутреннем строении ничего не было известно.  ­   В   основу   своего   закона   ДИМ   положил   атомные   массы   и   химические свойства   элементов.   ­   Расположив   63   известных   в   то   время   элемента   в порядке   возрастания   их   атомных   масс,   ученый   получил   естественный   ряд химических элементов, в котором обнаружил периодическую повторяемость химических свойств.  ­ Некоторые места в естественном ряду оказались пустыми. Однако ученый описал свойства недостающих элементов и был уверен, что в скором будущем они   будут   найдены.  Менделеев   предвидел   в   отсутствующем   элементе   все, кроме его названия. Примеры: ­   На   основе   Периодического   закона   Менделеев   создал   Периодическую систему химических элементов, состоящую из 7 периодов и 8 групп. ­ Каждый  элемент  помещался  в  определенную  ячейку  таблицы. Используя таблицу можно получить о каждом элементе определенную информацию: ­ порядковый номер, ­название элемента, ­ символ, ­ относительную атомную массу, ­ период и группу (координаты элемента). 7)В конце 19 – начале 20 веков физики доказали, что атом является сложной частицей и состоит из более простых (элементарных) частиц. 8)В результате проведенных исследований было установлено: 1. в атоме каждого элемента (кроме водорода) присутствуют частицы трех сортов: электроны, протоны и нейтроны.  2.   протоны   и   нейтроны   сосредоточены   в   ядре   атома,   а   электроны   на   его периферии (в электронной оболочке). 33 3. число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке атома и отвечает порядковому номеру этого элемента в Периодической системе. 4.Количество  нейтронов  в  ядре  может  быть  различным  и  определяется  по формуле: Nn=A­Z, где А­массовое число примерно равное относительной атомной массе округленной до целых. 5. атомы ядра которых содержат одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов называются изотопами, они занимают в таблице одну ячейку (изо –равный, одинаковый, топ­положение, место). 6.электронная   оболочка   атома   представляет   собой   сложную   систему,   она делится   на   подоболочки   с   разной   энергией   (энергетические   уровни),   их количество определяется периодом  в котором находится элемент в таблице; уровни   подразделяются   на   подуровни,   а   подуровни   включают   атомные орбитали,   которые   могут   различаться   формой   и   размерами   (обозначаются буквами s, p,d, f и др) 7.   заселение   атомных   орбиталей   электронами   определяется   принципом минимума энергии (е заполняют орбитали, начиная с подуровня с меньшей энергией), принципом Паули (на каждой атомной орбитале может находится максимально 2 е) и правилом Хунда. 8. положение электрона в околоядерном пространстве носит вероятностный характер. 9.   электроны   расположенные   на   последнем   энергетическом   уровне называются   валентными;   их   количество   определяется   группой   элемента   в таблице. 9)Вывод:     внутреннее   строение   атомов   всех   элементов   можно   вывести   из координат атомов в Периодической системы. Периодическое   изменение   свойств   элементов   объясняется   характером изменения электронных конфигураций атомов. 34 При взаимодействии атомов и объединении их в молекулы они обмениваются   отдавший   электрон   становится валентными   электронами.   Атом, положительным ионом, а атом, принявший электрон – отрицательным ионом.  Процессы,   происходящие   внутри   атома,   описываются   законами   квантовой механики. 35