ОТКРЫТЫЙ УРОК ПО ФИЗИКЕ

Тема: «Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома»

Учитель: Камынина С.К.
Цель:

Образования: формирование представлений об атоме, как сложной дискретной структуре

Воспитания: показ роли физического эксперимента в изучении физических явлений

Развития: развитие мышления учащихся при установлении причинно-следственных связей

План:

1. 
   организационный момент (1 минуты)
   
2. 
   новый материал (28 минут):
   

Еще за 400 лет до нашей эры в Древней Элладе греческий философ Демокрит высказывал мысль о том, что все тела на земле не являются чем то единым, целым и неделимым, а состоят из мельчайших элементарных кирпичиков, которые назвали «атомами». Эта мысль была встречена в штыки учеными-философами того времени, но нашлись у Демокрита ученики и последователи, которые организовали целое философское течение – «атомиков».

Мысль о том, что атомы являются мельчайшими неделимыми частицами из которых состоит наш мир, господствовала до начала 19 века, пока в 1833 году Майклом Фарадеем при изучении процесса электролиза не были получены первые экспериментальные данные о существовании внутри атомов электрических зарядов. Фарадей установил что, электрический ток в растворе электролита – это упорядоченное движение ионов. Минимальный электрический заряд такого вот иона назвали элементарным электрическим зарядом:

е = 1,6 х 10^-19Кл

В 1897 году английский физик Джозеф Томсон выполнил ряд экспериментов по изучению электрического заряда в разреженных газах, термоэлектронной эмиссии и фотоэффекта. В результате этих опытов он установил, что при пропускании электрического тока через газы, при нагревании вещества и при его освещении ультрафиолетовыми лучами из атомов любого химического вещества вырываются совершенно одинаковые отрицательно заряженные частицы, которые были названы электронами. В 1903 году Джозеф Томсон предлагает первую модель строения атома. По его мысли, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в нем с постоянной плотностью. В центре же атома расположены электроны, как изюминки в кексе. Однако эта модель оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию строения атома.

И здесь на сцене появляется Эрнст Резерфорд. Об этом человеке – выходце из Новой Зеландии, именуемой британцами Антиподами, - ходили легенды. Вскоре после того как в 1895 году 24-летний бакалавр из Новозеландского университета удостоился имперской стипендии и стал первым помощником у прославленного Джозефа Томсона в Кавендишской лаборатории, по старинному Кембриджу пошла гулять молва: «Мы заполучили дикого кролика из Антиподов, и роет он глубоко!»

Эрнест Резерфорд (1871-1937) действительно обладал диким независимым нравом, не боялся высказывать свободные мысли. Он называл консерваторов, не веривших открытиям в атомной физике, «кембриджскими окаменелостями». В одном научном споре некий почтенный профессор назвал электроны «умозрительной фикцией», и Резерфорд негодующе ответил: «Ах вот как! Электроны не существуют! Отчего же я так ясно их вижу?»

Действительно, он словно видел микромир. Ионы нежно называл «малышами». В 1899 году в Кавендише Резерфорд открыл в радиоактивности два типа заряженных лучей: положительные альфа- лучи и отрицательные бетта-лучи. Через три года в 1902 году, будучи уже в Монреальском университете, Резерфорд разрабатывает теорию радиоактивного распада и устанавливает закон радиоактивных превращений. В 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия. На торжественной церемонии вручения премии в Стокгольме Резерфорд вновь подтвердил свою славу «дикого кролика». Дело в том, что он стал лауреатом пре6мии не по физике, а по химии. В нобелевской лекции Резерфорд сказал: «Мне приходилось иметь дело с весьма различными трансмутациями во времени, но быстрейшая из всех, какие я встречал, это мое собственное превращение из физика в химики – оно произошло в одно мгновение».

Для данного казуса были основания. Дело в том, что понятие «атом» одинаково принадлежал как к словарю физиков, так и к словарю химиков. Хотя внутреннее строение атома еще не было расшифровано. И вновь Резерфорд произносит одно из своих громких изречений: «Теперь я знаю, как выглядит атом!».

Эта историческая фраза звучит в самом конце 1910 года – в Манчестере, где Резерфорд занял место профессора. Это было время непрерывного излучения альфа-частиц. Эксперименты позволили установить, что альфа-частицы – это всего лишь дважды ионизированные атомы гелия или ядра атомов гелия. Скорость этих частиц при рождении была огромна 10000 км/с. Относительная атомная масса равна 4, а заряд =2. Резерфорд сразу понял, что альфа-частицы, как тяжелые снаряды могут проникнуть в толщу вещества и рассказать кое-что об устройстве материи.
На доске рисует схему опыта Резерфорда.

Удивляло, что альфа-частицы, пронизывая мишень, отклонялись на самые разные углы. Очевидно, внутри вещества действуют мощные электрические поля: ведь только они способны искривлять траектории массивных положительно заряженных частиц.

Это регистрировалось просто и надежно: за мишенью размещался экран, покрытый особым составом. Альфа-частицы, прошедшие сквозь мишень, ударялись о него, вызывая вспышки света – сцинтилляции. Чтобы точно подсчитать с помощью микроскопа эти сцинтилляции, эксперименты проводили в полной темноте. Для порывистого и вспыльчивого Резерфорда такое долгое и утомительное подсчитывание стало настоящей пыткой. И этой рутинной работой занялись двое учеников Резерфорда Гейгер и Марсден. Резерфорд благодарно назвал их «демонами счета сцинтилляций».

Да, отступая «через две минуты» от утомительного счета вспышек в темноте, Резерфорд ни на мгновение не отступился от осенившей его «нелепой» мысли. Однажды он подозвал 19-летнего Марсдена и сказал: «Послушайте-ка, Эрни, надо посмотреть, не случаются ли отклонения альфа-частиц на углы близкие к 180⁰? Иначе говоря, не отражаются ли иные из них от мишени назад?» Отражение от тоненькой золоттой фольги летящих с огромной скоростью альфа-частиц представлялось совершенно невероятным, но все же он заказал своему ученику «невозможное» наблюдение. И вот зимой 1909 года Марсден остановил однажды своего шефа на университетской лестнице и совершенно равнодушно произнес: «Вы были правы, профессор, они возвращаются.

Они возвращались редко: в среднем одна частица из 8 тысяч. Отражение от мишени означало, что альфа-частица натолкнулась на достойную преграду, такую же массивную и положительно заряженную, как и сама альфа-частица. Только такая может оттолкнуть от себя прилетевшую гостью. Редкость события говорила о крайне малых размерах преграды. И потому,

пронизывая атомы мишени, лишь немногие альфа-частицы попадали в массивную атомную сердцевину. Большинство пролетало в отдалении от нее и рассеивались на малые углы.

Резерфорд как бы «увидел» атомное ядро. В своем воображении он представил планетарный атом: вокруг положительно заряженного ядра, как планеты вокруг солнца, вращаются отрицательные электроны.

Чтобы окончательно утвердиться в выборе именно планетарной модели атомы, необходимы были сложные расчеты. И вот уже начавший седеть, почти сорокалетний, Резерфорд пришел к профессору математики Горацию Лэмбу и попросил разрешения вместе со студентами прослушать курс теории вероятностей. Он выговорил для себя только одну поблажку; не сдавать экзамен…. Когда планетарная модель сформировалась в 1911 году, историческая фраза; «Теперь я знаю, как выглядит атом!» - стала еще одним неординарным поступком великого Резерфорда.

С осмотрительной точностью Резерфорд сказал что, знает только как выглядит атом, а не как он устроен. Дело в том, что по классическим законам физики, при вращении по своим орбитам, то есть двигаясь ускоренно с центростремительным ускорением, электроны должны излучать. При излучении же теряется энергия и электроны неминуемо должны были упасть на ядро атома. Таким образом , Резерфорд увидел обреченный атом. И все же он его провозгласил, надеясь на чудо. Чудо пришло в 1913 году в виде тихого и никому неизвестного датчанина, физика-теоретика Нильса Бора. Он принес с собой недостающее звено - свои квантовые постулаты.

Планетарный атом – детище безумного эксперимента и могучей интуиции - навсегда утвердился в атомной физике.

3. 
   Итоги урока (10 минут):
   

В результате опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц золотой пластинкой были установлены следующие факты:

1. 
   большинство альфа-частиц проходят сквозь пластинку без особого отклонения;
   
2. 
   некоторые частицы (примерно одна из двух тысяч) отклоняется после взаимодействия с веществом пластинки на углы больше 90⁰;
   
3. 
   некоторые частицы (примерно одна из восьми тысяч) отклоняется после взаимодействия с веществом пластинки на углы близкие к 180⁰
   

Эрнест Резерфорд, обобщая эти данные, предложил в 1911 году планетарную модель строения атома. Основные ее элементы состоят в следующем:

1. 
   размер атома составляет примерно 10^-10м
   
2. 
   размер ядра атома имеет порядок 10^-14 – 10^-15м
   
3. 
   весь положительный электрический заряд сосредоточен в ядре атома
   
4. 
   отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг ядра атома под действием кулоновских сил притяжения
   
5. 
   заряд ядра (выраженный через заряд одного электрона) в точности равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева
   
6. 
   атом в целом электрически нейтрален, так как положительный заряд ядра атома равен сумме отрицательных зарядов электронов.
   

4. 
   домашнее задание (1 минута):
   

параграфы 65 и 66 учебника физики Пинского.