Урок по физике на темау: «Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. » (11 класс)

Урок №70 Дата проведения 11___________

Тема: «Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору.»

Цель урока: изучить квантовые постулаты Бора, модель атома водорода Бора, показать значение теории Бора в развитии физической науки.

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания и актуализация изучаемой темы.

Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов

1. Принятая в настоящий момент в науке модель структуры атома обоснована опытами по...

1. растворению и плавлению твердых тел

2. ионизации газа

3. химическому получению новых веществ

4. рассеянию a-частиц

Ответ: 4.

2.В опыте Резерфорда a-частицы рассеиваются...

1. электростатическим полем ядра атом

2. электронной оболочкой атомов мишени

3. гравитационным полем ядра атома

4. поверхностью мишени

Ответ: 1.

5. Только 1

6. Только 2

7. И 1, и 2

8. Ни 1, ни 2

Ответ: 2

4.Какое утверждение соответствует планетарной модели атома?

Ответ:1

1

2

3

4

Ответ: 2.

1.

М_Au » М_a>>М_е

2.

М_Au>М_a>>М_е

3.

М_Au>>М_a>>М_е

4.

М_Au » М_a<М_е

Ответ: 3

Фронтальный опрос

- Какова была цель опыта Резерфорда? Опишите установку Резерфорда, ход эксперимента.

-Какие результаты получил Резерфорд?(Подавляющая часть альфа частиц проходила сквозь фольгу практически без отклонения или с отклонением на малые углы по отношению к направлению своего первоначального полёта. Но небольшая часть частиц отклонялась на значительные углы, достигающие почти 180°. Применив методы теории вероятностей, Резерфорд показал, что такие отклонения не могут быть следствием многократных столкновений альфа частиц с атомами, поэтому объяснить этот результат на основе модели атома Томсона невозможно.)

- Какие выводы сделал Резерфорд из опыта? (Существует атомное ядро, в котором сконцентрирована почти вся масса атома и весь положительный заряд. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются отрицательные частицы электроны.)

-- Почему большинство ученых отрицательно отнеслись к модели атома Резерфорда? (Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом, не могла объяснить факт существования атома, точнее - его устойчивость. В соответствии с законами классической электродинамики Максвелла электроны при движении по орбитам c ускорением должны непрерывно излучать электромагнитные волны. Атом должен излучать свет и терять энергию. С потерей энергии электрон за время порядка 0.1 нс должен «упасть» на ядро, а атом прекратить своё существование. В действительности атомы излучают свет, но не исчезают при этом. Кроме того, частота вращения электрона по мере приближения к ядру будет изменяться плавно, т. е. спектр излучения атома должен быть непрерывным, а не линейчатым. Таким образом, по законам классической электродинамики атом Резерфорда должен быт неустойчивым, а его спектр излучения - непрерывным, что противоречило результатам экспериментов. Ученым пришлось признать ограниченность применения законов классической физики.)

3.Изучение нового материала

Постулаты Бора.

Первым решился на это признание выдающийся физик XX в. датский ученый Нильс Бор. В 1913 г. он с помощью гениальной интуиции сформулировал в виде постулатов основные положения новой теории.

Изучая противоречия модели атома Резерфорда и законами классической физики, Нильс Бор выдвигает постулаты, определяющие строение атома и условия испускания и поглощения им электромагнитного излучения.

Постулаты Бора показали, что атомы подчиняются законам микромира.

I постулат (постулат стационарных состояний).

Атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E_n. В стационарных состояниях атом не излучает энергию, при этом электроны в атомах движутся с ускорением.

Атом может находиться в стационарном состоянии сколь угодно долго.

Стационарные состояния отличаются друг от друга различными орбитами, по которым движутся электроны в атоме. Набор электронных орбит, по сути, определяет стационарные состояния электрона в атоме. Стационарные состояния можно пронумеровать, присвоив им порядковый номер n=1, 2, 3, ...,причем каждое состояние обладает своей фиксированной энергией Е_n

II постулат (правило частот).

Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией E_k в стационарное состояние с меньшей энергией En. Энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний:

Отсюда можно выразить частоту излучения:

При поглощении света, атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. При излучении атом переходит из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.

Второй постулат противоречит электродинамике Максвелла, т.к. частота излученного света свидетельствует не об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома.

Модель атома водорода по Бору

Используя законы механики Ньютона и правило квантования, на основе которого определяются возможные стационарные состояния атома. Бор смог вычислить радиусы орбит электрона и энергии стационарных состояний атома. Минимальный радиус орбиты определяет размеры атома.

Для наглядного представления возможных энергетических состояний электрона в атоме используется энергетическая диаграмма, на которой каждому энергетическому состоянию электрона в атоме Е_n соответствует горизонтальная линия - энергетический уровень. Энергетическую диаграмму можно считать своеобразной «лестницей» с «нижней площадкой» (основным состоянием) и поднимающимися вверх «ступенями» (возбужденными состояниями). Значения энергий стационарных состояний отложены на вертикальной оси (в электрон - вольтах).

Обычно атом находится в основном состоянии (в этом состоянии атома электрон движется по первой стационарной орбите) с наименьшим значением энергии, равны:

Второй постулат Бора позволяет вычислить (по известным значениям энергий стационарных состояний) частоты излучений атома водорода.

Теория Бора приводит к количественному согласию с экспериментом для значений этих частот. Все частоты излучений атома водорода составляют в своей совокупности ряд серий, каждая из которых образуется при переходах атома в одно из энергетических состояний со всех верхних энергетических состояний (состояний с большей энергией).

Переходы в первое возбужденное состояние (на второй энергетический уровень) с верхних уровней образуют серию, названную по имени швейцарского учёного серией И. Бальмера. Эти переходы изображены стрелками: красная, зеленая и две синие линии в видимой части спектра водорода (рис. V, 3 на цветной вклейке в учебнике) соответствуют переходам:Е3 - Е2 , Е4 - Е2 , Е5 - Е2 , Е6 - Е2.)

И. Бальмер еще в 1885 г. на основе экспериментальных данных вывел простую формулу для определения частот видимой части спектра водорода.

R=109737, 31 (1/ см) - постоянная Ридберга.

Поглощение света - процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетических состояний в высшие состояния. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из высших энергетических состояний в низшие.

Значение постулатов Бора

Эйнштейн оценил проделанную работу Бором «как высшую музыкальность в области мысли», всегда его поражавшую.

На основе двух постулатов и правила квантования Бор определил радиус атома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволило вычислить частоты излучаемых и поглощаемых атомом водорода электромагнитных волн. Теория Бора позволяет описать не только атом водорода, но и ионизированные атомы (ионы) других элементов, вокруг ядер которых, как и в атоме водорода, вращается один электрон. Такие ионы называются водородоподобными. Примерами водородоподобных ионов могут служить однократно ионизированный атом гелия (Не+), двукратно ионизированный атом лития (Li + +) и т. д.

Теория Бора явилась важным этапом в развитии квантовых представлений, введение которых в физику требовало кардинальной перестройки механики и электродинамики. Такая перестройка была осуществлена в 20-е - 30-е годы XX века, когда были созданы новые физические теории квантовая механика и квантовая электродинамика.

Однако надо помнить то, что для атомов с большим числом электронов (больше 1) расчеты по теории Бора неприменимы. Представление Бора об определенных орбитах, по которым движутся электроны в атоме, оказалось весьма условным. На самом деле движение электрона в атоме очень мало похоже на движение планет или спутников. Физический смысл имеет только вероятность нахождения электрона в том или ином месте окрестности ядра.

В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить практически на любой вопрос, относящийся к строению и свойствам электронных оболочек атомов. С количественным описанием электронных оболочек атомов вы познакомились в курсе химии.

4.Закрепление нового материала

- Какие затруднения вызвала модель Резерфорда для объяснения процессов излучения энергии атомами? ( Ядерная модель Резерфорда просто обосновывала экспериментальные данные, но не позволяла объяснить устройство атома исходя из классических законов физики).

- Сформулируйте первый постулат Бора.

- Сформулируйте и запишите второй постулат Бора.

- В чём заключаются противоречия между постулатами Бора и законами классической механики и классической электродинамики? (Как следует из постулатов, вопреки классической электродинамике электроны движутся по замкнутым орбитам и электромагнитные волны при этом не излучают.)

- При каком условии происходит излучение, а при каком условии происходит поглощение энергии атомом? (При поглощении света, атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. При излучении атом переходит из стационарного состояния с большей энергией, в стационарное состояние с меньшей энергией.)

- Каково значение теории Бора в развитии физической науки? (Теория Бора явилась важным этапом в развитии квантовых представлений о строении атома. Бор определил радиус атома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволило вычислить частоты излучаемых и поглощаемых атомом водорода электромагнитных волн. Теория Бора позволяет описать не только атом водорода, но и водородоподобные ионы других элементов.)

Работа с учебником: найдите в учебнике на стр.278 изображение диаграммы энергетических уровней атома водорода. Вопросы:

- На рисунке12.4,стр278 изображена диаграмма энергетических уровней атома водорода. Энергия ионизации атома равна: а)0; б)3.4эВ; в)0.54эВ; г)13.6эВ ( 13.6эВ. Энергия ионизации - энергия, которую нужно затратить для перевода электрона из основного состояния в состояние с нулевой энергией. Исходя из диаграммы, в основном состоянии электрон имеет энергию Е = -13.6эВ.)

- Сколько квантов (с различной энергией) может испускать атом водорода, если электрон находится на третьем возбужденном уровне. (Рис12.4,стр278) (атом водорода может испускать кванты с тремя различными энергиями .Возможные переходы: n=3 ---n=1,n=2--- n=1, n=3--- n=2.)

Домашнее задание: §94