МПК Магнитопорошковый метод. Удк 372. 8 53 16 ббк 74. 262. 22 С серия Классический курс основана в 2007 году
 Скачать 6.65 Mb.
|
|
АТОМНАЯ ФИЗИКА При планировании уроков рекомендуем, во-первых, выделить урок для закрепления представлений о корпускулярно-волновом дуализме во-вторых, рассмотреть спектры на основе квантования энергии атома в-третьих, на уроке обобщения раскрыть значимость идеи квантования в современной физике. С нашей точки зрения, следует логику современного теоретического познания довести до следствий — спектров и химического действия света. Очевидно, что на решении задач также не стоит экономить время. Урок 1*. Корпускулярно-волновой дуализм свойств микрочастиц Задачи урока расширить понятие о корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц. Ход урока Постановка задач урока Примерное содержание рассказа учителя о дуализме свойств света приведено ниже (см. также с. 190). 1. Ранее мы узнали, что электромагнитные волны состоят из элементарных частиц — фотонов. В одних явлениях, таких как интерференция и дифракция, свет проявляет себя как волны. В этих явлениях участвует очень большое число фотонов, и мы наблюдаем их суммарное действие на макроскопические тела, причём отдельные фотоны незаметны. В других явлениях, например в фотоэффекте, на первый план выступает взаимодействие отдельного фотона с микрочастицей — электроном и проявляются квантовые свойства света. Наличие у одного итого же объекта — света — свойств непрерывных волн и свойств потока дискретных частиц (корпускул) называется корпускулярно-вол- новым дуализмом (двойственностью) свойств света. Кроме фотонов, имеются и другие микрочастицы, они входят в состав вещества. Это известные нам лёгкие электроны и более тяжёлые протоны. Они в отличие от фотонов имеют массу покоя m 0 ≠0. Как же обстоит дело с этими микрочастицами, обладают ли они дуализмом свойств В 1928 г. физики Дж. П. Томсон и ПС. Тартаковский независимо друг от друга поставили эксперименты, в которых поток электронов взаимодействовал с поверхностью кристаллических тел. Правильное чередование атомов в кристалле создаёт условия для дифракции коротких волн. Так, при отражении от кристаллических поверхностей наблюдается дифракция рентгеновских лучей, которые представляют собой электромагнитные волны. Но и для электронов в названных опытах наблюдалась дифракционная картина Электроны вели себя как волны длиной волны порядка 1 Å. Рассмотрим явление дифракции электронов. Принципиальная схема установки изображена на рисунке Электроны, попадая на фотопластинку, засвечивают её (подобно свету. После проявления пластинки обычным способом на ней обнаруживаются тёмные области, такие же, какие получаются в результате дифракции волн. Причём по расстоянию между кольцами определяют длину волны. На рисунке 128 представлен результат дифракции рентгеновских лучей (риса) и электронов (рис. 128, б) на поликристалле алюминия. Фотография на рисунке а получена с помощью рентгеновских лучей с длиной волны 0,71 Å, на рисунке б — с помощью пучка электронов с энергией 60 эВ (l=0,50 Для сопоставления обоих снимков фотография на рисунке б увеличена в 1,6 раза Как объяснить результаты эксперимента Какой вывод следует сделать из наблюдаемого явления дифракции электронов На эти вопросы попытался ответить французский физик Луи де Бройль. Ещё в 1923 гон высказал предположение о том, что любые микрочастицы обладают волновыми свойствами. По гипотезе де Бройля состояние движения любой свободной микрочастицы характеризуется волной, частота и длина волны которой определяются по формулам l= h p , где р = mv — импульс частицы, а E = mv 2 2 — её энергия. Поэтому электроны в опытах и проявляют волновые свойства. Зная Рис. Рис. 128 скорость электрона, можно вычислить длину его волны. Результат совпадает с измеренной длиной волны по расстояниям между дифракционными кольцами. (Школьники зарисовывают принципиальную схему опыта, записывают формулы, зарисовывают схематическую картину дифракции. Важно логически последовательно и ясно изложить материал, не увлекаясь деталями Полезно заметить, что формулы де Бройля и формулы Планка—Эйнштейна аналогичны, те. связь между волновыми и корпускулярными величинами для фотонов, частиц без массы, и микрочастиц с массой одна и та же. При этом фотонам соответствует макроскопическое электромагнитное поле, а волны де Бройля для электронов и других микрочастиц такого поляне образуют, не являются они и волнами в какой-либо материальной среде, подобно звуковым. В настоящее время установлено, что волны, связанные с микрочастицами, имеют вероятностный смысл вероятность нахождения микрочастицы в томили ином месте пространства пропорциональна квадрату амплитуды волны. Это положение непосредственно было подтверждено опытами известного физика В. А. Фабриканта (совместно с Л. М. Биберма- ном, Н. Г. Сушкиным) по дифракции одиночных, поочерёдно летящих электронов. Отдельный электрон, проходя через дифракционную решётку, попадает в отдельную точку фотопластинки и вызывает на ней потемнение в виде отдельного пятнышка. Однако после прохождения через решётку множества отдельно летящих электронов получается дифракционная картина (рис. 129). Она вполне аналогична картине, которую дают потоки фотонов. Вероятность попадания электрона в разные точки пластинки различна. Там, где образуется дифракционный максимум, ве- Рис. 129 207 роятность попадания больше, электроны чаще оказываются на пластинке. А там, где минимум, электроны очень редко попадают на пластинку. Это и значит, что электроны движутся в пространстве и взаимодействуют с дифракционной решёткой, как волны. Итак, электроны (и другие микрочастицы) обладают двойственностью, те. корпускулярными и волновыми свойствами. Электроны и протоны имеют очень малые размеры (радиус протонам, а электрона ещё меньше) и ведут себя при столкновении друг с другом и микрочастицами как маленькие тела — корпускулы, проявляя при этом корпускулярные свойства. Волновые свойства микрочастиц проявляются в том, что положение их в пространстве и взаимодействие с макроскопическими телами определяются соответствующей частице волной. Волновые свойства приводят к тому, что для микрочастиц оказываются неприменимыми понятие движения по траектории и законы классической механики. Граница между квантовой и классической картиной движения определяется на основании формул де Бройля: если длина волны частицы значительно меньше размеров тел, с которыми она взаимодействует, то волновая картина несущественна — частица движется по законам классической механики если же длина волны сравнима с размерами тел, то проявляются волновые закономерности движения частицы Закрепление материала можно осуществить, решая задачи. Приведём примеры задач. Определите длину волны электрона, движущегося со скоростью 6·10 5 мс. Определите длину волны нейтрона, движущегося со скоростью 2·10 3 мс. Пылинка массой 10 –5 кг движется со скоростью 10 мс. Проявляет ли она при своём движении волновые свойства? Р е ш е ни е. Формулы де Бройля справедливы для любого тела. Определим длину волны пылинки 62 10 10 10 34 5 30 6 62 10 , , · · c c · · Дж мкг м. Длина волны так мала, что размеры частицы во много раз большее, поэтому волновые свойства пылинки не проявляются Домашнее задание решение задач. В опыте по дифракции электроны ускорялись разностью потенциалов В. Определите длину волны де Бройля электронов. На каких объектах можно наблюдать их дифракцию. В каком случае проще наблюдать дифракцию электронов при скорости электронов 10 3 мс или 10 5 мс Урок 2. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома Задачи урока изучить планетарную модель атома познакомить с фундаментальным опытом Резерфорда показать роль крупных учёных в развитии науки на примере жизни и деятельности Резерфорда. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы Повторение материала предыдущего урока Изложение нового материала. Выступление ученика с докладом о Резерфорде Отработка изученного материала Подведение итогов. Домашнее задание 18—20 15 Фронтальный и письменный опрос. Решение задач Рассказ учителя с элементами беседы. Демонстрация модельного эксперимента. Записи учащихся в тетрадях Решение задач Сообщение учителя. Запись на доске Урок начинается с фронтального повторения и проверки домашнего задания. Организуют беседу, используя иллюстрации. Примерные вопросы для беседы каково значение опытов по дифракции электронов В чём состоит гипотеза де Бройля? В чём заключаются волновые свойства и корпускулярные свойства микрочастиц Образуется ли дифракционная картина одним электроном Объясните образование дифракционной картины от множества электронов, движущихся поодиночке. Какие корпускулярные характеристики частицы можно определить, зная её длину волны де Бройля? II. При подготовке к изложению нового материала прежде всего встаёт вопрос о демонстрации изучаемого опыта. В школьных условиях опыт Резерфорда можно показать с помощью специальной модели. В литературе описаны следующие модели падение отрицательно заряженных капель на отрицательно заряженный шарик, падение маленьких керамических магнитов в масле на закреплённый магнит, специально изготовленная механическая модель. Подробнее об этих опытах можно прочитать в книгах Хороша вин С. А. Техника и технология демонстрационного эксперимента. — М Просвещение, 1978; Ан ц и ф еров ЛИП ищи ко в ИМ. Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента. — М Просвещение, С помощью ЭВМ можно смоделировать явления, разработав соответствующую программу. Кроме того, учебные действия в материальной или материализованной форме могут быть обеспечены организацией работы учащихся с таблицей и рисун- ками. Возможен следующий вариант рассказа учителя. Из курса физики и курса химии известно, что все тела состоят из атомов. В центре атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Электроны располагаются вокруг ядра на разных расстояниях, образуя электронные слои. Известно также, сколько электронов может находиться в слое и подслое — оболочке. Но до сих пор физические законы, по которым устроен атом, не изучались. Сейчас наша задача в том, чтобы изучить эти законы. В истории развития физики одна из самых интересных и увлекательных страниц — это история открытия сложного строения атома. На протяжении веков люди думали о строении вещества. В конце XIX — начале XX в. идеи о строении атома витали в воздухе. Вот что писал в 1887 г. в своих дневниках студент Пётр Лебедев, впоследствии замечательный русский физик Каждый атом. представляет собой полную солнечную систему, то есть состоит из различных атомопланет, вращающихся с разными скоростями вокруг центральной планеты или каким- либо другим способом двигающихся характерно периодически [9, с. 23]. Такие догадки создавали духовную атмосферу, в которой в конце концов и рождалось открытие, ведь в то время ничего о внутреннем строении атома не было известно. Слово атом в переводе с греческого — неделимый. Но после открытия в 1897 г. электрона, входящего в состав атома, был сделан вывод о сложном строении атома. Первая достаточно разработанная модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон (см. учебник. Томсон с помощью данной модели объяснил ряд физических явлений. Например, хорошая проводимость металлов объяснялась тем, что атомы металлов легко теряют часть электронов. Первая модель атома сыграла положительную роль в дальнейшем была использована верная идея о слоях электронов в атоме, о потере электронов атомами. Однако скоро обнаружилось несоответствие модели реальной действительности. В частности, модель атома Томсона оказалась в противоречии с результатами опыта Резер- форда. В 1909—1911 гг. Резерфорд экспериментально доказал, что у атома есть ядро. В мае 1911 г. на страницах лондонского Философского журнала он изложил результаты экспериментальных и теоретических поисков в области строения атома ядро занимает в атоме ничтожную часть объёма, оно положительно заряжено, ив нём сосредоточена почти вся масса атома, так как электроны по сравнению с атомом очень лёгкие частицы электроны движутся вокруг ядра. Установка и схема опыта Резерфорда показаны на рисунке. Альфа-частицы от радиоактивного источника, пройдя через диафрагму, попадают на тонкую фольгу из золота. Она имеет толщину около микрона, те. состоит приблизительно из 3000 атомных слов. Большая часть альфа-частиц легко проходит через фольгу, мало отклоняясь, но некоторые, редкие альфа-частицы отклоняются на значительные углы и даже на углы, близкие к 180 °, те. отбрасываются на- зад. Далее результаты опыта интерпретируются и строится электронно-ядерная модель атома. Этот этап урока заканчивается рассказом о Резерфорде. Для доклада ученику следует порекомендовать книгу Кап и ц а ПЛ. Эксперимент. Теория. Практика. — М Наука. В частности, в своих воспоминаниях он писал Яне могу вспомнить другого учёного — современника Резерфорда, в лаборатории которого воспитывалось бы столько крупных физиков. История науки показывает, что крупный учёный — это необязательно большой человек, но крупный учитель не может не быть большим человеком. Закрепление изученного продолжается при решении задач. Приведём примеры. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц показали а) электрон вращается в атоме по круговой орбите б) альфа-частицы положительно заряжены в) атом не взаимодействует с альфа-ча- стицами; г) атом состоит из малого по объёму и массивного ядра ил гких электронов д) атом состоит из заряженных частиц. Выберите правильный и исчерпывающий ответ. Как объяснить, что в опытах Резерфорда некоторые альфа-части- цы отклоняются на большие углы. Чему будет равен угол рассеяния, если прицельное расстояние равно нулю. На какое минимальное расстояние может приблизиться альфа- частица к ядру атома золота, если её кинетическая энергия 0,4 МэВ Домашнее задание § 74; Хрестоматия (с. Рис. 130 Урок 3. Теория Бора Задачи урока изучить постулаты Бора, описывающие основные свойства атома познакомить с личностью этого замечательного учёного, его смелыми и революционными работами, положившими начало новой физической теории продолжить формирование умений выделять и описывать физические явления. Ход урока Проводят фронтальную беседу по изученному на предыдущем уроке материалу. Вызванный ученик готовится по карточке с вопросами и отвечает у доски. Краткое содержание рассказа учителя по новому материалу Открытие ядра атома поставило перед физиками ряд вопросов. Если применять к движению электрона внутри атома законы классической механики и электродинамики, то планетарная модель при объяснении происходящих в атоме явлений приводит к серьёзным противоречиям. Под действием притяжения к ядру электрон может двигаться по окружности с центростремительным ускорением, которое можно рассчитать из второго закона Ньютона ma = k Ze r 2 2 , (1) a = mv r kZe mr 2 2 2 = Из электродинамики известно, что ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны, те. атом должен излучать свети в результате терять энергию. Потеря энергии при- ведёт к уменьшению скорости электрона и расстояния до ядра, равенство (1) — условие устойчивости орбиты — нарушится, электрон упадёт на ядро, а атом прекратит своё существование. В действительности атомы излучают свет, ноне исчезают при этом — время их жизни очень велико. Кроме того, частота излучения атома должна в соответствии с классической электродинамикой быть равной частоте обращения электрона вокруг ядра. Последняя же по мере торможения электрона в связи с потерей энергии на излучение должна плавно изменяться. Однако опыт показывает, что атомы испускают свет строго определённых частот. Таким образом, классические законы к планетарной модели атома неприменимы. Нетрудно понять почему ведь электрон — микрочастица, к которой неприменимы некоторые законы классической физики. В частности, мы знаем, что при движении электрон проявляет волновые свойства, а они в приведённых выше рассуждениях не учтены 212 2. Следующий шаг в познании строения и физических свойств атомов был сделан датским физиком Нильсом Бором. Он предложил модель атома на основе двух постулатов. Согласно первому постулату возможны состояния микросистем с дискретными значениями энергии. На рисунке 131 изображены дискретные значения энергии возможных стационарных состояний атома водорода. Согласно второму постулату в микромире возможны переходы между такими состояниями, сопровождающиеся по закону сохранения энергии излучением или поглощением квантов энергии электромагнитных волн Учитель может оживить изложение, сообщая некоторые исторические сведения. Бор с самого начала, как пишет Б. Клайн, чётко поставил вопросы А нельзя лис помощью квантовой гипотезы разрешить и проблему строения атома Не существуют ли другие ограничения значений энергии, которые объяснят, почему вещество в обычных условиях не светится и почему электрон не падает на ядро [13, с. С этими вопросами связан и другой, более конкретный Какое же отношение имеет к частоте излучаемого света частота вращения электрона вокруг ядра Ответ Бора был Никакого. Этот ответ в корне противоречил представлениям классической физики. А. Эйнштейн высоко оценил решение Бора Так, значит, частота излучаемого света вообще не зависит от частоты вращения электрона. Это огромное завоевание [9, с. Н. Бор сформулировал свои постулаты в 1913 г. В заключении своей классической работы О строении атомов и молекул он писал «1) Энергия излучения испускается (или поглощается) не непрерывным образом, как это принимается в обычной электродинамике, а только лишь вовремя перехода системы между различными стационарными состояниями. 2) Динамическое равновесие систем в стационарных состояниях определяется обычными законами механики, но эти законы несправедливы для перехода систем между различными стационарными состояниями. 3) Излучение, испускаемое вовремя перехода системы между двумя стационарными состояниями, однородно, а соотношение между частотой n и полной испущенной энергией Е имеет вид E = hn, где h — постоянная Планка. 4) Различные стационарные состояния простой системы, состоящей из положительного ядра и электрона, вращающегося вокруг него, опре- Рис. 131 213 деляются условием, согласно которому отношение полной энергии, испущенной при изменении конфигурации, к частоте обращения электрона является целым кратным величины 1/2 h...» [11, с. 88—89]. 4. Теория Бора не сняла, нона время сгладила противоречия между классическими и квантовыми представлениями острое- нии атома, так как она использовала и те и другие. В частности, было непонятно, что лежит в основе квантовых переходов электрона с орбиты на орбиту. Э. Резерфорд, прочитав работу Бора, писал Ваши взгляды на механизм рождения водородного спектра очень остроумны и кажутся отлично разработанными. Однако сочетание идей Планка со старой механикой делает весьма затруднительным понимание того, что же лежит в основе такого механизма [9, с. Данная цитата ещё с одной стороны характеризует атмосферу времён создания квантовой теории глубокое проникновение в суть происходящих явлений осуществлялось в дискуссиях, в спорах Далее рассматривают следствия постулатов Бора. Сначала надо найти частоту электромагнитных волн, которые может излучать или поглощать атом. Энергия излучаемого фотона есть разность уровней энергии e= E k – По формуле Планка—Эйнштейна e= hn, откуда n= E E h E h E h k n k n – = – Рассматривая рисунок уровней энергии атома водорода, отмечают, что атом может испускать свет только определённых частот. Итак, постулаты Бора отражают свойства реальных атомов — устойчивость их в стационарных состояниях и излучение опре- делённых частот. В тоже время они содержат новую и важную информацию о любых системах микрочастиц эти системы могут иметь дискретные уровни энергии, могут совершать переходы — квантовые скачки В конце урока повторяют и углубляют изученное. Для этого можно разобрать с учащимися диаграммы энергетических уровней атома водорода (см. рис. 131). Учитель подчёркивает, что эта диаграмма рассчитана в современной теории и проверена с помощью измерений на опытах разъясняет, что в низшем энергетическом состоянии электрон может находиться сколь угодно долго, не излучая энергию вопреки законам классической физики. Поглотить же энергию он может, при этом перейдёт водно из изображённых на диаграмме возбуждённых состояний. Следует рассчитать (в электронвольтах) энергию, которую нужно сообщить атому для таких переходов 214 Приведём примеры вопросов из ада ч для коллективного решения. В каком состоянии энергия электрона меньше в основном или в возбуждённом? 2. Определите наименьшую энергию, которую надо сообщить атому водорода, чтобы перевести его в ионизированное состояние. Сколько квантов с различной энергией может испустить атом водорода, если он находится в третьем энергетическом состоянии. Чем отличается модель атома по Бору от модели атома по Резерфорду. Какие новые закономерности микромира открыл Н. Бор Почему они были сформулированы в виде постулатов Чем они противоречат классическим представлениям? Научное творчество Н. Бора не сводится к созданию только теории водородоподобного атома. Он внёс значительный вклад в понимание закономерностей всей квантовой механики. Можно познакомить школьников с выдвинутыми Бором принципом дополнительности и принципом соответствия. Для этого лучше всего использовать материал книги. «Бор считает принцип неопределённости следствием более общего принципа, принципа дополнительности, согласно которому нельзя водном эксперименте обнаружить и волновые и корпускулярные свойства материи. <...> Поэтому волновые и корпускулярные свойства нужно считать не противоречащими друг другу, а дополняющими друг друга Кузнецов Б. Г. Развитие физических идей от Галилея до Эйнштейна в свете современной науки. — М Либроком, Для более полного представления принципа дополнительности используется энциклопедия Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата частицы и её скорость (или импульс. С физической точки зрения принцип дополнительности объясняют (следуя Бору) влиянием измерительного прибора (который всегда является макроскопическим объектом) на состояние микрообъекта. Приточном измерении одной из дополнительных величин (например, координаты частицы) с помощью соответствующего прибора другая величина импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает такое изменение, что её последующее измерение вообще теряет смысл [23, с. В понимании соотношения между классической механикой и квантовой важная роль принадлежит принципу соответствия, сформулированному Бором в 1923 г. Для подготовки докладов учащиеся могут использовать статью В. АУ га ров а Классическая и квантовая механика из книги Школьникам о современной физике. Физика сложных систем (М Просвещение, 1978. — С. 112—128). Принцип соответствия гласит При переходе к пределу h 0, те. в предположении, что эффектами, пропорциональными квантовой постоянной h, можно пренебречь, законы и соотношения квантовой механики переходят в соответствующие законы и соотношения классической механики. Следовательно, квантовая механика в применении к явлениям макромира должна приводить к законам классической механики. Принцип соответствия помогает как в поиске важных соотношений квантовой физики, таки в физической интерпретации установленных законов Домашнее задание § 75; упр. нас (ЕГЭ); упр. нас, Урок 4*. Решение задач В начале урока фронтально повторяют теорию Бора, затем учитель, несколько дополняя материал учебника, приводит формулы для радиуса и энергии атома водорода = h ke m n 2 2 2 2 4 p = a 0 n 2 =0,5n 2 (Å), E = – · = = ke a n n 2 0 2 2 2 1 1 Ry = –13 6 1 2 , n (эВ), где a 0 = h ke m 2 2 2 4 p =0,5 Å, Ry = ke a 2 0 2 = –13,6 эВ, n =1, 2, 3, ... Аргументация при этом самая простая с помощью постулатов Бора можно получить теоретические выражения для расчётов энергии атома в разных состояниях — квантовых состояниях. Далее на уроке коллективно выполняют задания. Может ли электрон в атоме водорода иметь энергию –20,5 эВ 2. Какой смысл имеет отрицательный знак полной энергии электрона в атоме водорода? Рис. 132 216 3. Изменяется ли электронное облако при переходе атома из одного энергетического состояния в другое. Квантуется ли энергия электрона, если он свободен. Почему при расчёте энергии электрона в атоме использовались средние значения расстояния электрона до ядра 6. Изменяются ли размеры атома с ростом квантового числа n? Определите радиус атома в третьем энергетическом состоянии, сравните его с радиусом в первом состоянии (рис. Домашнее задание § 75, 77* (1, 2); П, № 826, Урок 5. Испускание и поглощение света атомами. Спектры Задачи урока познакомить с линейчатыми спектрами, способами их получения, механизмами возбуждения атомов, со спектрами поглощения изучить линейчатый спектр (ДЭ-2, с. 217— 219); продолжить формирование умений выделять и описывать физические явления. План урока Этапы урока Время, мин Приёмы и методы Повторение Изучение нового материала Самостоятельная работа Домашнее задание 12—15 20 Решение задач. Ответы на вопросы Рассказ учителя. Опыты. Беседа. Записи в тетрадях. Рисунки Решение задач. Работа с учебником Запись на доске Вновь повторяют постулаты Бора, формулу для энергии электрона в атоме водорода, энергетическую диаграмму. У доски вовремя фронтального опроса решают и обсуждают задачу Изучение нового материала начинается с обсуждения вопроса что происходит при переходе атома из одного стационарного состояния в другое Он составляет основу учебной проблемы урока. Беседа продолжается по вопросам можно лис помощью постулатов Бора и формулы Планка определить частоту излучаемых (поглощаемых) электромагнитных волн Что нужно знать, чтобы расчитать эту частоту для атома водорода? Подставляя значения энергии – 13,6 1 2 n (эВ) в известную формулу 217 n= E h E h k n – получаем при переходе из состояния k в состояние n следующее выражение для частоты излучения 1 2 2 – ж и з ц ш ч , где k, n =1, 2, 3, ...; k Если переход происходит из более высокого энергетического состояния в более низкое, то энергия излучается, а если наоборот поглощается. Из выведенной формулы видно, что атом водорода может излучать и поглощать электромагнитные волны нелюбых, а определённых частот. Совокупность входящих в излучение волн определённых частот называется спектром. Спектр изучают с помощью спектроскопов с призмой или дифракционной решётки. Спектр солнечного света состоит из почти непрерывной совокупности волн с различными длинами волн (рассматривают рисунок в учебнике. Спектр же атома водорода или какого-либо другого атома состоит из волн определённых длин волн, на экране получается совокупность отдельных узких линий. Спектр излучения и поглощения атома линейчатый. (Рассматривают линейчатые спектры на цветной вклейке учебника.) Учитель может сообщить, что учёные изучали спектры задолго до выяснения строения атома. Длины волна значит, и частоты) излучения измерялись с высокой степенью точности. Экспериментально была получена, в частности, формула для частот излучения водорода 1 2 2 – ж и з ц ш ч , где R — постоянная, названная в честь шведского спектроско- писта Ридберга. Она измерена опытным путём: R 3,28 · 10 15 Ранее мы получили аналогичную формулу теоретически. Осталось сравнить экспериментальное значение константы R с теоретически рассчитанным = 3,29 · · · · c – – 2 18 10 6 62 10 18 34 , , Дж Дж – c 10 15 Таким образом, экспериментальное значение константы согласуется с теорией атома водорода по Бору, что подтверждает правильность постулатов последней. Рассмотрим энергетический баланс излучения. Для того чтобы атом излучал, необходимо его возбуждение, те. сообщение энергии извне, так как в обычном — основном невозбуждён- ном — состоянии атомы имеют наименьшее значение энергии. Существуют различные механизмы возбуждения атомов На практике используют оптическое возбуждение под действием света (электромагнитных волн) атом приобретает энергию и переходит из низших энергетических состояний в высшие. При этом в соответствии с дискретным характером уровней атом может поглотить нелюбой кванта только такой, энергия которого равна разности энергий двух уровней атома. Последнее означает, что атомы поглощают электромагнитные волны той же частоты, что и излучают. Пусть мы имеем свет всевозможных частот. Если его пропустить через газ, состоящий из атомов (можно показать на опыте, тона экране на фоне сплошного спектра появятся тёмные линии поглощения. Это линейчатый спектр поглощения. Существуют и другие способы возбуждения атомов, например тепловой. Если тело (в твёрдом, жидком, газообразном состоянии) нагревать, то хаотичное движение атомов ускоряется, при соударениях атомы получают энергию, необходимую для возбуждения. В результате вещество начинает испускать свет. В заключение надо остановиться на вопросе о причинах перехода атома из высшего энергетического состояния в низшее. Согласно первому постулату Бора атом в стационарном состоянии не излучает и не поглощает, те. сам по себе из одного состояния в другое не переходит. Второй постулат говорит только об излучении при переходе, ноне говорит о причине перехода. Различают два вида излучения вынужденное (индуцированное) и самопроизвольное (спонтанное. В первом случае причиной перехода атома из более высокого энергетического состояния в более низкое является внешнее воздействие на атом. Такое воздействие оказывает, в частности, электромагнитная волна или свет подходящей частоты. Но даже при отсутствии внешних воздействий атом через миллиардные доли секунды переходит из возбуждённого состояния в основное. Это — спонтанное излучение. Конечно, процесс спонтанного излучения протекает в соответствии с законом сохранения энергии, но он противоречит постулату Бора о стационарных состояниях. Однако в квантовой механике выясняется, что внешнее воздействие на атом есть ив этом случае на микроуровне электромагнитное поле в вакууме всегда имеет место, даже если макроскопическая электромагнитная волна отсутствует. Это поле и вызывает спонтанные переходы Последний этап урока проходит в форме самостоятельной работы по выполнению упражнений. Используется учебник, записи в тетрадях. Учитель консультирует отдельных учеников. Приводим примеры заданий, которые могут быть даны по вариантам. Определите энергию фотонов, соответствующих излучению атома водорода в видимой части спектра (см, например, рисунок V на цветной вклейке учебника. С помощью формулы энергии постройте диаграмму энергетических уровней атома водорода (пять-шесть состояний. Постоянно ли расстояние между уровнями При каких значениях n расстояние между ними меньше Какую наименьшую и наибольшую энергии может излучить атом при переходе между уровнями Может ли атом водорода излучить (поглотить) квант энергии 9,0 эВ Можем ли мы увидеть излучение атома водорода, возникшее в результате перехода с четвёртого энергетического уровня на первый Есть ли это излучение в спектре водорода на цветной вклейке. Пользуясь диаграммой энергетических переходов атома водорода рис. 133, 134), объясните, которая из серий переходов даёт инфракрасное, ультрафиолетовое, видимое излучения. Какой из приведённых на рисунке 135 спектров является спектром излучения атома водорода Домашнее задание § 67*, 75, 77* (3, 4); упр. нас (индивидуально – П, № Рис. Рис. Рис. 135 Урок 6. Спектральный анализ и его применение Предполагается классическое построение урока. Обратим внимание учителя лишь на несколько моментов. При рассмотрении видов спектров и механизма излучения следует подчеркнуть квантовую природу явлений (см. [18]). 2. Виды излучения советуем систематизировать в форме таблицы. Для организации беседы, для отработки знаний следует активно использовать вопросы и качественные задания. Приведём примеры вопросов чем отличаются полосатые спектры от линейчатых Почему спектры жидкостей и твёрдых тел сплошные Чем различаются спектры атомарных и молекулярных газов Каков принцип работы спектроскопа Как изменяется длина волны излучения нагретой печи по мере её остывания Если вещество имеет полосатый спектр ив основном полосы расположены в ультрафиолетовой части, то для каких волн прозрачно вещество Как можно изменить цвет тела Как изменится длина волны рассеянных волн, если жёлтое тело покрасить голубой краской Как объяснить прозрачность тел Почему одни тела прозрачны, а другие нет Для всех ли электромагнитных волн прозрачно стекло Есть ли в солнечном спектре поглощения линии спектра атома гелия? Возможны и количественные задачи. Приведём примеры задач на спектры излучения 1. Разрядная трубка наполнена водородом при низком давлении. При каком напряжении на электродах будет происходить возбуждение атомов. При введении поваренной соли в пламя спиртовки в спектре излучения появляется жёлтая линия, соответствующая длине волны м. Это излучение обусловлено переходом электронов атомов натрия из первого возбуждённого состояния в основное. Определите энергию излучаемого кванта. Будут ли возбуждаться атомы натрия, если температура пламени 2000 К. Серии частот, излучаемых атомами водорода, получили названия по именам учёных. Серия линий, получающихся при переходе атома в основное состояние, получила название серии Лаймана, на второй уровень — серии Бальмера (см. рис. 133, 134). Определите, можно ли видеть излучение, представленное серией Бальмера. Домашнее задание § 67*; упр. нас индивидуально П, № Урок 7. Химическое действие света. Лабораторная работа Наблюдение сплошного и линейчатого спектров» Ход урока Материал по химическому действию света сравнительно невелик, поэтому его можно соединить с кратковременной лабораторной работой по наблюдению спектров Изложение нового материала. Под действием излучения происходят многие химические реакции. Одни из них приводят к образованию молекул, другие, наоборот, к разрушению молекул. Например, бромид серебра) под действием света разлагается на серебро и бром. Часто после расщепления некоторых молекул светом начинается целая цепочка химических превращений. Таким образом происходит выцветание красок тканей под действием солнечных лучей, образование загара на коже человека. Для химических реакций, происходящих под действием света, экспериментально установлены две закономерности 222 1. Масса прореагировавшего вещества пропорциональна энергии поглощённого света. Свет с частотой, меньшей некоторой определённой частоты, не вызывает данную химическую реакцию. Существует красная граница каждой фотохимической реакции для разных реакций она различна. Эти закономерности аналогичны законам фотоэффекта. Как ив случае фотоэффекта, классическая физика не смогла объяснить происхождение красной границы фотохимической реакции. Квантовая физика даёт такое объяснение. Атомы и молекулы представляют собой системы микрочастиц. Энергия систем принимает дискретные значения дискретные значения имеет и энергия, поглощаемая при распаде или образовании системы. Если энергия фотона недостаточна для расщепления молекулы на атомы, то химическая реакция, сопровождающаяся разрушением молекул, не пойдёт. В других случаях реакция синтеза не пойдёт, если энергия фотона недостаточна для образования новых молекул. Вовремя рассказа учитель показывает опыт по наблюдению действия света на фотобумагу. Лист фотобумаги, смоченный в проявителе, располагают вертикально и половину освещают через синий светофильтр белым светом. Опыт проводят при свете красного фонаря. Освещённая синим светом половина листа фотобумаги чернеет, а освещённая красным не изменяется. Вывод химическая реакция идёт под действием света определённой длины волны. Следующий опыт иллюстрирует зависимость массы прореагировавшего вещества от энергии света. На лист смоченной в проявителе бумаги быстро кладут плоский предмет (ключи т. д) и освещают сильным источником света. После этого предмет убирают и рассматривают оставшееся изображение при обычном свете (комната слегка затемняется. Стечением времени изображение исчезает. Разъясняется, что в разных местах бумаги масса прореагировавшего светочувствительного вещества была разная, а после того как предмет убрали, энергия для реакции продолжала поступать со светом и прореагировало всё вещество Далее следует рассмотреть значение фотохимических реакций синтеза в зелёных растениях для жизни на Земле. Решают задачи. Активация (химическое превращение) молекулы наступает при энергии 2 · 10 –19 Дж. Произойдёт ли распад молекулы на атомы, если молекула поглотила фотон излучения длиной волны 300 нм. В результате фотосинтеза в течение года на Земле образуется 3 · 10 –11 т связанного углерода, в котором запасается энергия, равная Дж. Сколько потребовалось бы времени для выработки такой энергии всеми электростанциями России (Справочник, с. Обсуждают вопросы почему выцветание красок происходит главным образом от лучей, цвет которых является дополнительным к цвету краски Почему при горении кварцевых ламп чувствуется запах озона Выполнение лабораторной работы осуществляется по инструкции учебника Домашнее задание § 72 (часть задание для индивидуального выполнения. Для ионизации атома кислорода необходима энергия 14 эВ. Вызывает ли эту ионизацию видимое световое излучение? Урок 8*. Квантовые генераторы. Вклад русских физиков в создание и использование лазеров В учебнике тема изложена очень чётко. Школьников необходимо привлечь к подготовке кратких сообщений. Дополнительно приводим несколько задач. Их можно использовать для домашнего задания 1. Энергия, испускаемая рубиновым лазером (длина волны 6,983 · 10 –7 м, площадь поперечного сечения луча 1 мм) за один импульс, равна 50 Дж. Лазер производит 96 импульсов в минуту. Сравните энергию, излучаемую лазером, с солнечной энергией, если нам земной поверхности за 1 спадает солнечная энергия, равная 1400 Дж. Мощность лазера может достигать значения до 10 13 Вт. Сравните это значение с мощностью крупнейших электростанций (Справочник, с. 154). 3. Оцените число фотонов, которое испускает лазер за один импульс. Энергия излучения 50 Дж, длина волны 6,983 · 10 –7 м. Домашнее задание § 76*; упр. нас (ЕГЭ). Урок 9*. Обобщающее повторение роль квантовых законов в современной физике и технике Учитель на уроке стремится расширить кругозор учащихся в данной области знаний. Систематизацию ранее изученного материала по квантовой физике осуществляет учитель последующему плану. Основные законы, понятия и представления квантовой физики. Физический эксперимент и его значение. Структурные схемы изученного материала, обобщающие таблицы (см. табл. 39 и др. Основные виды задач по изученному материалу и схемы их решения. (При этом имеется ввиду и подготовка учащихся к контрольной работе, к зачёту по теме Развивающим элементом урока является применение понятия о квантовании энергии при общем анализе строения вещества. Этот материал необходим для формирования мировоззрения школьников. Приведём примерное содержание рассказа учителя Квантовая физика имеет огромное значение для современной науки и техники. Ранее мы уже познакомились с важным техническим применением теории — лазерами. Не менее важное значение квантовая физика имеет в ряде разделов науки для понимания строения вещества. Существование стационарных состояний систем микрочастиц, связанных силами притяжения, характерно не только для атомов, но и для меньших по размерам частиц — ядер и таких элементарных частиц, как протоны и нейтроны, входящие в состав ядра, а также для больших, чем атомы и молекулы, систем — макроскопических твёрдых и жидких тел. Для каждой системы характерна своя энергия связи. Если мы сообщим энергию, большую энергии связи, то система распадётся на составляющие её части. На рисунке 136 изображена диаграмма энергий связи для основных структурных единиц вещества. Из диаграммы видно, в частности, что для химических реакций, в результате которых происходит соединение и разъединение атомов, входящих в состав молекул, необходима энергия от десятых долей электронвольт до десятков электронвольт. Этой энергии недостаточно для разделения ядер атомов на части, поэтому при химических реакциях химические элементы не изменяются. Макроскопические тела состоят из огромного числами- крочастиц, связанных между собой молекулярными силами сцепления. Тела как системы частиц также находятся в стационарном состоянии. Температура тела является показателем интенсивности теплового движения микрочастиц в теле. Если температура ниже точки плавления, то кинетическая энергия теплового движения атома или молекулы недостаточна для разрыва связи между атомами и молекулами. Если же температура достигает точки плавления, то кинетическая энергия теплового движения равна энергии связи — связь разрушается, тело плавится. (Это происходит при разных температурах для разных тел.) Рис. 136 Если продолжить нагревание жидкого тела, то жидкость перейдёт в газ — стационарное жидкое состояние разрушится. Газ — это система уже несвязанных между собой атомов или молекул. Нагревание до 10 3 —10 4 градусов приводит к разрушению молекул образуется атомный газ. Если поднимать температуру атомного газа ещё выше, то атомы лишаются электронов, а газ становится смесью ядер и электронов — плазмой. Плазменное состояние существует при температурах 10 6 —10 7 градусов ивы- ше: в конце концов ядра полностью лишаются электронов. При огромных температурах, порядка 10 9 градусов, разрушаются и ядра. Вещество будет состоять из протонов, нейтронов и электронов. Итак, не только три агрегатных состояния — твёрдое, жидкое, газообразное — обусловлены температурой и определённой энергией связи, но и существование вещества в форме ядер, атомов, молекул, химических соединений определяется температурой и энергией связи. Органическое вещество белок — основа жизни — характеризуется невысокими энергиями связи молекул между собой и невысокими энергиями связи атомов в молекуле. Поэтому оно может существовать лишь при температурах до нескольких десятков градусов Цельсия. (В тоже время температурный диапазон ограничен и снизу температурой замерзания воды, входящей в состав живых организмов.) Можно рассмотреть примерные оценки температурных границ состояний вещества, произведя простые расчёты. Например, если энергия связи электронов в атоме порядка 10 эВ, то температуру ионизации найдём из равенства средней кинетической энергии теплового движения атома энергии связи = 3 2 kT, T = = · · · · · – 2 3 2 10 1 6 10 3 1 38 Дж 10 23 5 10 – Дж К К III. Заключительная часть урока представляет собой обобщение знаний о применении законов квантовой физики в науке, технике, технологии. Два-три ученика делают доклады, обобщая и систематизируя ранее изученный материал, подбирая к нему новые иллюстрации. Темы выступлений 1. Спектральный анализ. 2. Использование фотоэффекта в технике. 3. Развитие лазерной техники. 4. Квантовая электроника. Домашнее задание § 75, 77*; упр. нас (ЕГЭ). Урок 10*. Контрольная работа В содержание возможной работы входит материал двух тем Световые кванты и Атомная физика». |