11 класс. Атомная физика.
Строение атома. Опыты Резерфорда
Строение атома. Опыты Резерфорда.
Цель урока: сформировать представление о строении атома, познакомить с опытами и явлениями, подтверждающими сложность этого строения, показать необходимость возникновения квантовой механики как новой физической картины мира.
Оборудование: портреты Демокрита, Дж. Дальтона, И. Ньютона, Г. Кирхгофа(?), Д. Д. Томсона, Э. Резерфорда.
Ход урока.
ИНМ.
Сегодня на уроке мы переходим к изучению темы «Физика атома и атомного ядра». Наша цель – проследить всю историю формирования представлений о строении и свойствах атома от Демокрита до наших дней. Учёные проделали этот путь за 2 500 лет. Нам предстоит повторить его за два урока. Давайте заслушаем сообщения, которые вы подготовили.
«Не существует ничего, кроме атомов», - утверждал 2 500 лет назад Демокрит. Сейчас мало для кого реальность атомов менее очевидна, чем движение Земли вокруг Солнца. Почти у каждого с этим понятием связано интуитивное представление о чём-то маленьком и неделимом. И всё же, какой смысл вкладывает в понятие «атом» современная физика? Для начала запомним три важных понятия квантовой физики – атом, волна, квант – и проследим их истоки.
1. Сообщение «Демокрит»
«Отыщи всему начало, и ты многое поймёшь», - писал Козьма Прутков. Легенда рассказывает, что однажды Демокрит, сидя на камне у моря, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я сейчас это яблоко разрежу пополам, то у меня останется половина яблока. Если я затем эту половину разрежу на две части, то останется четверть яблока, но если я и дальше буду продолжать такое деление, всегда ли у меня будет оставаться 1/8, 1\16 и т.д. часть яблока? Или же в какой-то момент очередное деление приведёт к тому, что оставшаяся часть уже не будет обладать свойствами яблока?»
Демокрит пришёл к выводу, что предел такого деления существует, и назвал эту последнюю, уже неделимую частицу атом – ατομоς – неделимый, - а свои мысли изложил в книге «Малый диакосмос». Вдумайтесь, это было написано более 2 000 лет назад: «Начало вселенной – атомы и пустота. Миров бесчисленное множество. Ничего не возникает из небытия, не исчезает в небытиё. Атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во Вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается всё сложное: огонь, вода, воздух, земля. Последнее – суть соединения некоторых атомов. Атомы же неизменяемы вследствие твёрдости».
2. Сообщение «Джон Дальтон»
Со времён Демокрита немало людей были убеждены, что все тела состоят из атомов, - Эпикур, Лукреций Кар, И. Ньютон, М. В. Ломоносов и многие другие. Очевидно, что атомы, как и тела, имеют массу и размеры. Именно эти свойства я, Джон Дальтон, учитель математики и философии в городе Манчестере, положил в основу своих рассуждений. В 1804 году я сформулировал понятие о химическом элементе: вещество, которое состоит из атомов одного типа.
Оказалось, что разнообразие атомов не так уж велико. Сейчас известно около 105 видов атомов или элементов.
Йозеф Лошмидт, преподаватель физики Венского университета, в 1865 году нашёл, что размеры всех атомов примерно одинаковы и приближенно равны 10-10 м, а масса атома водорода примерно 10-24 г.
Английский физик Исаак Ньютон, в 1666 году при помощи призмы разложил белый свет в радужную полоску – спектр. Впоследствии мой соотечественник Томас Юнг выяснил, что каждому цвету спектра соответствует своя длина волны излучения.
Немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф, изучая спектры излучения и поглощения, сделал сразу четыре открытия:
каждому элементу присущ свой линейчатый спектр, т.е. строго определённый набор спектральных линий;
эти линии можно использовать для анализа вещества не только на Земле, но и на звёздах;
Солнце состоит из горячего ядра и сравнительно холодной атмосферы;
на Солнце есть натрий.
Напомню, что спектры бывают сплошными и линейчатыми. Спектр нагретого твёрдого тела содержит все длины волн, т. е. является сплошным. Линейчатый спектр возникает при нагревании газов и паров, когда малы силы взаимодействия между атомами. Этот набор линий уникален для любого элемента, следовательно, причину и объяснение спектров надо искать в свойствах атомов.
Над этой проблемой задумывались Дж. Максвелл и Л. Больцман. Напрашивался вывод: если линейчатый спектр возникает как следствие процессов внутри атома, то атом должен иметь структуру.
Первоначально со словом «электрон» не связывали понятие о частице. Оно служило лишь для обозначения наименьшего количества заряда, которое может переносить любой ион при электролизе. Однако идея о том, что электрон – частица, носилась в воздухе.
В 1881 году Герман Гельмгольц высказал мысль о «молекулярном строении электричества». В 1897 году Джозефу Томсону удалось определить заряд и массу отдельного «атома электричества» - электрона. Он доказал, что электроны находятся внутри атомов всех химических элементов. После сорока лет усилий в физике появилось понятие об электроне как «элементарной частице», которая меньше атома и входит в его состав, т. е. было установлено реальное существование материального носителя наименьшего заряда.
Как и атом, электрон приняли не сразу. Даже в 1920 году Вильгельм Рентген продолжал сомневаться в его существовании и запрещал произносить слово «электрон» в своей лаборатории. Однако благодаря трудам Роберта Милликена 1906 – 1914 гг. мы сейчас знаем значение заряда и массы электрона с большой точностью.
За свои исследования в области элементарных зарядов Р. Милликен в 1923 году был удостоен Нобелевской премии.
3. Сообщение «Джозеф Джон Томсон»
В 1904 году я предложил свою модель атома: «Внутри положительного атома-шара диаметром 10-8 см – плавают отрицательные электроны. Число электронов равно заряду шара, так что в целом атом оказывается нейтральным».
В начале века почти все физики приняли модель Томсона, и лишь немногие предлагали другие модели. Но все чувствовали, что в науке об атоме наступает новая эпоха. Однако, как сказал Леонардо да Винчи, «опыт – отец всякой достоверности, мудрость –дочь опыта». 7 марта 1911 года Манчестерское философское общество услышало доклад Эрнеста Резерфорда «Рассеяние альфа-частиц и строение атома». В тот день слушатели узнали, что атом подобен Солнечной системе.
4. Сообщение «Эрнест Резерфорд»
Атом состоит из ядра и электронов, которые обращаются вокруг него на расстояниях примерно 10-10 м. Размеры ядра очень малы порядка 10-14 – 10-15м, но в нём заключена практически вся масса атома. Заряд ядра положителен и численно равен заряду всех его электронов. Сравнение с Солнечной системой не случайно: диаметр Солнца (1,4·106 км) почти во столько раз меньше размеров Солнечной (6·109 км), во сколько раз размеры ядра (10-12 см) меньше диаметра атома (10-8 см).
Видео к 4 № 11 «Опыты Резерфорда»
Так возникла планетарная, или ядерная, модель атома, основные положения которой можно сформулировать так:
1. В центе атома находится положительное ядро.
2. В атомном ядре сосредоточен весь положительный заряд и почти вся масса атома (99,4%).
3. Размеры ядра (10-15 м) малы по сравнению с размерами атома (10-10 м).
4. Вокруг массивного ядра по замкнутым орбитам движутся лёгкие электроны, общий отрицательный заряд которых равен положительному заряду ядра.
Простая и наглядная модель, построенная Резерфордом, хорошо объясняла рассеяние α-частиц, но не могла объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причём весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд, по законам электродинамики Максвелла, должен излучать электромагнитные волны, частота которых равна частоте обращения этого заряда вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру. Как показывают строгие расчёты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за 10-8 с должен упасть на ядро. В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбуждённом состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.
Кроме того, излучающий и приближающийся к ядру электрон должен давать непрерывный спектр излучения, а на практике спектр наблюдается линейчатый.
На следующем уроке мы выясним, как учёные объяснили такие противоречия.
Домашнее задание.
§ 94.
