БУДОВА АТОМА. ДОСЛІДИ РЕЗЕРФОРДА

11 клас

 «БУДОВА АТОМА. ДОСЛІД  РЕЗЕРФОРДА»

     Мета: продовжити формувати уявлення про будову ато­ма, розкрити суть досліду Резерфорда; ознайомити учнів з екологічними проблемами використання атома; розви­вати логічне мислення, вчити робити висновки та уза­гальнення; формувати світогляд учнів та зацікавленість предметом; виховувати почуття відповідальності за збе­реження навколишнього середовища.

Зміст викладеного матеріалу

1. Атом. Перші уявлення вчених про будову атома;
2. Модель атома за Томсоном. Переваги і недоліки;
3. Модель атома за Резерфордом. Переваги і недоліки;

                                                                      Ключові питання для актуалізації опорних знань

1. Що означає слово «атом»?
2. Хто ввів це поняття у фізику?
3. З чого складається атом?
4. Що таке електрон?
5. Який його заряд?
6. Який заряд ядра? З чого складається ядро атома?
7. Як взаємодіють заряджені частинки?

                                                                        Виклад навчального матеріалу

 1. Атом. Перші уявлення вчених про будову атома
 Мирний атом 26 квітня 1986 р. з усією го­стротою поставив питання про відповідальність учених, про такі поняття, як совість, людяність, про те, чи має­мо ми право заради сьогоднішніх ілюзій ризикувати здоров'ям і житіям майбутніх поколінь. Атом — голов­ний об'єкт нашого уроку. Але, перш ніж перейти безпо­середньо до вивчення теми, пригадаємо, що ж ми про знаємо про це поняття. Атомарне вчення пройшло довгий і складний шлях. Давайте пригадаємо деякі основні етапи.

Все ж таки першим, хто висловив думку про атомістичну будову речовини, був давньогрецький філософ Демокрит. На таку думку його наштовхнули прості спостереження: пісок, що здалека здається суцільною речовиною, складається із окремих піщинок, вода дробиться на бризки, людство складається із окремих людей. Він вважав, що властивості тієї чи іншої речовини визначаються формою та масою його атомів. Наприклад, у вогню атоми гострі, тому він здатний обпалювати, у твердих тіл вони шорсткі, тому міцно зчіплюються один з одним; у води – гладкі, тому вода здатна текти. Навіть душа людини, згідно Демокриту, складається з атомів. Але ж, розмірковуючи, Демокрит дійшов висновку, що існує межа поділу будь-якого тіла і останню неподільну частку він назвав атомом.
– Так, на своєму шляху теорія атома зустрічала багато перешкод і остаточно затвердилася у 19 столітті. Відкриття Анрі Беккерелем явища радіоактивності довело складну будову атома.

Демокріт

Дальтон

Атом являє собою заряджену позитивним зарядом кулю, всередині якої, наближаючись до положень рівноваги, коливаються електрони. Сумарний негативний заряд електронів дорівнює позитивному заряду кулі, тому атом загалом нейтральний. 

 Беккерель Антуа Анрі

Перші прямі експерименти з дослідження внутрішньої структури атомів були виконані Е. Резерфордом і його співробітниками Е. Марсденом і Х. Гейгером в 1909-1911 роках. Резерфорд запропонував застосувати зондування атома за допомогою α - частинок , які виникають при радіоактивному розпаді радію і деяких інших елементів. Маса α - частинок приблизно в 7300 разів більше маси електрона , а позитивний заряд дорівнює подвоєному елементарному заряду . У своїх дослідах Резерфорд використовував б- частинки з кінетичною енергією близько 5 МеВ (швидкість таких частинок дуже велика - близько 107 м / с , але вона все ж значно менше швидкості світла). α -частинки - це повністю іонізовані атоми гелію. Вони були відкриті Резерфордом в 1899 році при вивченні явища радіоактивності. Цими частинками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів (золото , срібло , мідь та ін.) Електрони , що входять до складу атомів , внаслідок малої маси не можуть помітно змінити траєкторію α -частинки. Розсіювання, тобто зміна напрямку руху б- частинок , може викликати лише важка позитивно заряджена частина атома.

Менделєєв Дмитро Іванович

Розвиток уявлень про атом

2.    Модель атома за Томсоном. Переваги і недоліки

     В 1906 р. Томсон висунув ідею, що атом має кількість електронів, шо дорівнює хімічно¬му атомному номеру елемента, а в позитивно зарядже¬ному середовищі — більшій частині маси атома.
Джозеф Джон Томсон (18.12.1856-30.08.1940) – англійський фізик, член Лондонського королівського товариства. У 1897 році експериментально довів існування електрона, дрібну частинку, яка у 2000 разів менша за атом. Визначив її масу і заряд.  

      

  У 1903-1904 роках висунув гіпотезу про те, що атом являє собою позитивно («+») заряджену сферу, всередині якої знаходяться електрони («–»). Вчені назвали цю модель «пудинг з родзинками» («пирог с изюмом») 

3. Модель атома за Резерфордом. Переваги і недоліки

     Ернест Резерфорд (30.08.1871-18.11.1937) – англійський фізик, основоположник ядерної фізики, член Лондонського королівського товариства. У 1911 році експериментально обґрунтував ядерну модель атома: в центрі знаходиться позитивне ядро, а навколо обертаються негативні електрони.  Ця модель носить назву «планетарна модель атома». 
         Перегляд відеоільму "Ернест Резерфорд"

       



      Перші прямі експерименти з дослідження внутрішньої структури атомів були виконані Е.

      Резерфордом і його співробітниками Е. Марсденом і Х. Гейгером в 1909-1911 роках.

    Резерфорд запропонував застосувати зондування атома за допомогою α - частинок , які виникають при радіоактивному розпаді радію і деяких інших елементів. Маса α - частинок приблизно в 7300 разів більше маси електрона, а позитивний заряд дорівнює подвоєному елементарному заряду. 

     У своїх дослідах Резерфорд використовував б- частинки з кінетичною енергією близько 5 МеВ (швидкість таких частинок дуже велика - близько 107 м / с , але вона все ж значно менше швидкості світла). α -частинки - це повністю іонізовані атоми гелію. Вони були відкриті Резерфордом в 1899 році при вивченні явища радіоактивності. Цими частинками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів (золото , срібло , мідь та ін.) Електрони , що входять до складу атомів , внаслідок малої маси не можуть помітно змінити траєкторію α -частинки. 

    Розсіювання, тобто зміна напрямку руху б- частинок , може викликати лише важка позитивно заряджена частина атома.  

Схема досвіду Резерфорда

 

      Від радіоактивного джерела , укладеного в свинцевий контейнер , α -частинки прямували на тонку металеву фольгу. Розсіяні частинки потрапляли на екран, покритий шаром кристалів сульфіду цинку , здатних світитися під ударами швидких заряджених частинок. Сцинтиляції ( спалаху) на екрані спостерігалися оком за допомогою мікроскопа. Спостереження розсіяних α - частинок в досвіді Резерфорда можна було проводити під різними кутами до початкового напрямку пучка. Було виявлено , що більшість α - частинок проходить через тонкий шар металу , практично не відчуваючи відхилення. Однак невелика частина часток відхиляється на значні кути , що перевищують 30 °. Дуже рідкісні α -частинки (приблизно одна на десять тисяч) випробовували відхилення на кути , близькі до 180 °.
      Цей результат був абсолютно несподіваним навіть для Резерфорда . Він знаходився в різкому протиріччі з моделлю атома Томпсона , згідно якій позитивний заряд розподілений по всьому об'єму атома. При такому розподілі позитивний заряд не може створити сильне електричне поле, здатне відкинути α -частинки тому. Електричне поле однорідного зарядженої кулі максимально на його поверхні і убуває до нуля в міру наближення до центру кулі . Якби радіус кулі , в якому зосереджений весь позитивний заряд атома , зменшився в п раз , то максимальна сила відштовхування , що діє на α -частинку за законом Кулона , зросла б у n2 раз.
       Отже , при досить великому значенні п α -частинки могли б випробувати розсіювання на великі кути аж до 180 °. Ці міркування привели Резерфорда до висновку , що атом майже порожній , і весь його позитивний заряд зосереджений в малому обсязі. Цю частину атома Резерфорд назвав атомним ядром . Так виникла ядерна модель атома. Рис . ілюструє розсіювання α -частинки в атомі Томпсона і в атомі Резерфорда.

Перегляд анімації «Моделювання взаємодії»

Розсіювання α -частинки в атомі Томсона (а) і в атомі Резерфорда (б).

 

       Таким чином, досліди Резерфорда і його співробітників привели до висновку , що в центрі атома знаходиться щільне позитивно заряджене ядро , діаметр якого не перевищує 10-14-10-15 м. Це ядро займає тільки 10-12 частина повного об'єму атома , але містить весь позитивний заряд і не менш 99,95 % його маси. 
    Речовин, що складають ядро атома , слід було приписати колосальну щільність порядку з ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра повинен бути дорівнює сумарному заряду всіх електронів , що входять до складу атома. Згодом вдалося встановити , що якщо заряд електрона прийняти за одиницю, то заряд ядра в точності дорівнює номеру даного елементу в таблиці Менделєєва.

     Радикальні висновки про будову атома , що слідували з дослідів Резерфорда , змушували багатьох вчених сумніватися в їх справедливості. Не виключенням був і сам Резерфорд , який опублікував результати своїх досліджень тільки через два роки (у 1911 р.) Після виконання перших експериментів . 
    Спираючись на класичні уявлення про рух мікрочастинок , Резерфорд запропонував планетарну модель атома. Відповідно до цієї моделі , в центрі атома розташовується позитивно заряджене ядро , в якому зосереджена майже вся маса атома. 
    Атом в цілому нейтральний. Навколо ядра , подібно до планет , обертаються під дією кулонівських сил з боку ядра електрони. 
    Перебувати в стані спокою електрони не можуть , так як вони впали б на ядро.

Перегляд відеофільму «Дослід Резерфорду»

 

Переглянувши відеофрагмент , заповни пропуски словами , відповідними за змістом
досвід Резерфорда

      Наприкінці ХХІ в . у складі атома були виявлені заряджені частинки і перед вченими постало завдання розробки електричної моделі атома. Однією з перших моделей атома стала модель , запропонована англійським ученим. ______________ Атом , за припущенням ___________ в цілому електронейтрален . _______________ Заряд , розподілений по всьому об'єму атома рівномірно. Усередині _____________ заряду знаходяться ______________ заряджені частинки - електрони. Модель атома _____________ добре пояснювала стійкість атома і в цьому було її перевага . Справді , при зміщенні заряду від положення рівноваги , завжди виникає сила, яка прагне повернути цей заряд в положення рівноваги . 

     Будь теоретична модель вимагає експериментальної перевірки. Для перевірки електричної моделі будови атома , запропонованої _____________ м , Е. Резерфорд провів досліди . Е. Резерфорд запропонував застосувати зондування атома за допомогою α - частинок , які виникають при радіоактивному розпаді радію і деяких інших елементів. Маса α - частинок приблизно в 7300 разів більше маси електрона , а позитивний заряд дорівнює подвоєному елементарному заряду . У своїх дослідах Резерфорд використовував α -частинки з кінетичною енергією близько 5 МеВ (швидкість таких частинок дуже велика - близько 107 м / с , але вона все ж значно менше швидкості світла). α -частинки - це повністю іонізовані атоми гелію. Вони були відкриті Резерфордом в 1899 році при вивченні явища радіоактивності. Цими частинками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів (золото , срібло , мідь та ін.).

    Як повинні поводитися альфа -частинки в атомі Томпсона ? Заряди в атомі Томпсона перемішані. Тому електричне поле всередині атома буде ____________ . І воно ___________ викликати помітного відхилення альфа - частинки від первісної траєкторії її руху. Електрони також не можуть викликати помітного відхилення альфа -частинки від її колишньої траєкторії через нікчемною маси порівняно з масою альфа -частинки. Тому , якщо модель атома Томпсона вірна , розсіювання альфа- частинок має відбуватися лише на _________ кути.

    Для дослідження внутрішньої будови атома була зібрана установка , в якій від радіоактивного джерела , укладеного в свинцевий контейнер , α -частинки прямували на тонку металеву фольгу. Розсіяні частинки потрапляли на екран, покритий шаром кристалів сульфіду цинку , здатних світитися під ударами швидких заряджених частинок. Сцинтиляції ( спалаху) на екрані спостерігалися оком за допомогою мікроскопа. Спостереження розсіяних α - частинок в досвіді Резерфорда можна було проводити під різними кутами до початкового напрямку пучка. Було виявлено , що _______________ α - частинок проходить через тонкий шар металу , практично не відчуваючи відхилення. Однак ____________ частина часток відхиляється на значні кути , що перевищують 30 °. Дуже рідкісні α -частинки (приблизно одна на десять тисяч) випробовували відхилення на кути , близькі до 180 °.

      Цей результат був абсолютно несподіваним навіть для Резерфорда . Він знаходився в різкому протиріччі з моделлю атома Томсона , згідно з якою ____________ заряд розподілений по всьому об'єму атома. При такому розподілі позитивний заряд не може створити сильне електричне поле, здатне відкинути α -частинки тому. Електричне поле однорідного зарядженої кулі ____________ на його поверхні і убуває до нуля в міру наближення до центру кулі . Якби радіус кулі , в якому зосереджений весь позитивний заряд атома , зменшився в п раз , то максимальна сила відштовхування , що діє на α -частинку за законом Кулона , зросла б у ______ разів. Отже , при досить великому значенні п α -частинки могли б випробувати розсіювання на великі кути аж до 180 °. Ці міркування привели Резерфорда до висновку , що атом майже ________ , і весь його __________ заряд зосереджений в малому обсязі. Цю частину атома Резерфорд назвав ____________ . Так виникла ____________ атома.

Сучасний прилад для демонстрації досліду Резерфорду

 

На основі цього сформувалася планетарна модель атома:

   1.      Весь атом складається з позитивно зарядженого ядра, І в якому сконцентрована майже вся маса атома. Розміри ядра порядку 10-¹⁴ -10-¹⁵ м (атом — 10-¹⁰ м).   

   2.  Навколо масивного ядра по замкнених орбітах рухаються легкі електрони, загальний негативний заряд  яких дорівнює позитивному заряду ядра атома.

Будова ядра атома.

•    Ядро складається з позитивно заряджених частинок(протонів— р) і нейтральних частинок (нейтронів— п).    

•    Порядковий номер в таблиці Менделєєва вказує на заряд ядра — кількість протонів та кількість електронів  в атомі в нормальному стані.

•      Нейтронів в атомі: N = А-Z.

Проведення віртуального досліду Резерфорда

Для виконання досліду необхідно:

1. Доступ в Інтернет

http://teachmen.csu.ru/work/atomic/atomic_d.html

2. Уміння обробляти математичні залежності за допомогою табличного редактора Excel.
Завдання для учнів: на сайті «Фізика атома і атомного ядра», скориставшись віртуальним експериментом по розсіюванню часток (досвід Резерфорда), провести вимірювання кількості частинок для пластинки (речовина вказано у варіанті). Проаналізувати залежності, отримані для різної товщини пластин (1мм, 3 мм, 9 мм).

                                             Варіанти виконання завдання

1 група	2 група	3 група	4 група	5 група
мідь	золото	свинець	олово	срібло

1 група

2 група

3 група

4 група

5 група

мідь

золото

свинець

олово

срібло

Посилання на електронний підручник «Гончаренко С.У.,  11 клас»

Контрольні тести

Атом та атомне ядро.  Досліди Резерфорда

1.   У 1897 р. англійський фізик Дж. Томсон від­крив:
а) протон;              б) електрон;
в) нейтрон;                   г) позитрон.
2.   Хто створив першу модель атома?
а) Е. Резерфорд;           б) Дж. Томсон;
в) А. Беккерель;           г) Н. Бор.
3.   Модель атома Дж. Томсона інколи називають:
а) «пирогом»;            б) «тортом»;
в) « пудингом »;          г) « булочкою ».
4.   Кому належить припущення: «Атом — це по­зитивно заряджена куля, усередині якої міс­тяться негативно заряджені електрони»?
а)   Е. Резерфорду;           б) Дж. Томсону;
в)  А. Беккерелю;             г) Н. Бору.
5. Укажіть прізвище фізика, який проводив екс­перименти, пов’язані з вивченням будови ато­ма:
а)  Е. Резерфорд; б) Дж. Томсон;
в)  А. Беккерель; г) Н. Бор.
6,   Провівши досліди, Е. Резерфорд припустив, що атом є складним утворенням.
а) У його центрі знаходиться негативно заря­джене ядро, навколо якого обертаються елек­трони;
б) у його центрі знаходиться позитивно заря­джене ядро, навколо якого обертаються про­тони;
в) у його центрі знаходиться позитивно заря­джене ядро, навколо якого обертаються елек­трони;
г) у його центрі знаходиться позитивно заря­джене ядро, навколо якого обертаються по­зитрони.
7.  Яку модель атома запропонував Е. Резерфорд?
а) Нейтронну; б) ядерну;
в)  електронну;     г) протонну.
8.    Бідповідно до розрахунків у ядрі:
а) зосереджений практично весь заряд атома;
б) зосереджений практично весь об’єм атома; ві зосереджена практично вся маса атома;
г) зосереджена практично вся вага атома.
9. Лінійні розміри атома становлять близько: а) 10'5 м; б) 10 і м; в) 1СГ15 м; г) Ю'20 м.
10.  Радіус ядра атома дорівнює приблизно:
а) 10 5 м; б) 1(Г10 м; в) 10“15 м; г) 1(Г20 м.
11.  У ядрі атома:
а) зосереджений весь негативний заряд атома;
б) зосереджений весь позитивний заряд атома;
в) зосереджені всі позитивні й негативні заряди атома;
г) зосереджені всі нейтральні заряди атома.
12.    Позитивно заряджене ядро утримує на орбітах електрони в такій кількості, щоб атом був ней­тральним:
а) завдяки силі тяжіння;
б) завдяки силі гравітації;
в) завдяки силі кулонівської взаємодії;
г) завдяки силі електромагнітної взаємодії.