Реферат: Ее изучения

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА "КВАНТОВАЯ ФИЗИКА"

В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ

ЗНАЧЕНИЕ ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ И ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ

ЕЕ ИЗУЧЕНИЯ


Квантовая механика - физическая теория, открывшая своеобразие свойств и закономерностей микромира, установившая способ описания состояния и движения микрочастиц. Методы квантовой механики находят широкое применение в квантовой электронике, в физике твердого тела, современной химии. Ее широко используют в физике высоких энергий, изучающей строение ядра атома и свойства элементарных частиц. Результаты исследования находят все большее применение в технике. Достаточно вспомнить успехи квантовой теории твердых тел, выводы которой положены в основу создания новых материалов с заранее заданными свойствами (магнитными, полупроводящими, сверхпроводящими и т. д.), квантовые генераторы, ядерные реакторы. Квантовая физика является более высокой ступенью познания, нежели классическая физика. Она установила ограниченность многих классических представлений. Однако введение основ квантовой физики в среднюю школу - сложная методическая задача. Малая наглядность квантовомеханических объектов (частица - волна), сложность математического аппарата, необычность ее исходных идей и понятий создают методические трудности. Поэтому вопросы квантовой физики очень осторожно вводят в школьный курс.

Основные познавательные задачи этого раздела - ознакомить учащихся со специфическими законами, действующими в области микромира, и завершить формирование представлений о строении вещества.

В курсе физики строение вещества рассматривали в основном на молекулярном уровне. Молекулярно-кинетическая теория объясняла строение и свойства газов (количественно), жидкостей и твердых тел (на качественном уровне). В данном разделе учащихся знакомят со строением вещества на атомном и субатомном уровне. В теме "Атом и атомное ядро" они изучают вначале строение атома по Резерфорду-Бору, а затем, после обсуждения дуализма свойств микрочастиц, получают и современные представления о строении атома. Достаточное внимание в этом разделе уделяют составу и свойствам ядра атома (его размеру, заряду, массе, плотности, энергии связи, удельной энергии связи и др.). В конце раздела учащихся знакомят с основными характеристиками и свойствами элементарных частиц, дают представление о современной их классификации, о роли их в строении вещества и в передаче взаимодействий.

Раздел "Квантовая физика" решает, кроме того, важные задачи политехнического образования. При его изучении учеников знакомят с устройством и принципом действия фотоэлементов, с примерами их использования в технике, физическими основами спектрального анализа, ядерным реактором и применением ядерной энергии в мирных целях, с использованием радиоактивных изотопов в промышленности, сельскохозяйственном производстве, в науке, медицине.

Знакомство с элементарными частицами дает веское подтверждение принципа неисчерпаемости материи, ибо учащиеся убеждаются в том, что материальные объекты и их свойства крайне многообразны, элементарные Частицы не являются "простыми", они обладают множеством свойств и способны к взаимопревращениям.

Корпускулярно-волновой дуализм свойств света и элементарных частиц, взаимопревращаемость элементарных частиц позволяют раскрыть материальное единство мира и диалектическую связь прерывного и непрерывного, а подчинение всех ядерных процессов основным законам сохранения служит хорошей иллюстрацией принципа неуничтожимости и несотворимости материи и движения.

Как и во всем курсе физики, большое внимание при изучении этого раздела обращают на роль опыта в процессе познания, на взаимосвязь теории и практики, эксперимента. Необходимо подчеркивать, что теория применима в тех границах, в которых экспериментально подтверждаются вытекающие из нее следствия. Противоречие экспериментальных фактов теории служит отправным моментом для ее уточнения или создания новой теории. Например, изучая оптику, учащиеся убедились в том, что явления отражения и преломления, интерференции и дифракции хорошо объясняются на основе теоретических представлений о волновой природе света. Однако волновая теория света не объясняет все законы фотоэффекта. Необходимость объяснения новых экспериментальных фактов привела к созданию квантовой теории света. Опыт Резерфорда опроверг первоначальную модель атома, предложенную Томсоном, а на смену, модели атома Резерфорда пришла теория Бора, которая лучше согласовалась с экспериментальными фактами.

Квантовая физика является более глубокой физической теорией, ибо она более полно объясняет большой круг физических явлений, нежели классическая физика. Квантовая механика установила, что ряд представлений классической физики не являются абсолютными, они хороши лишь для макроскопических тел. Но квантовая физика не отрицает полностью классическую. Она лишь ограничивает область ее применения. Законы классической механики и электродинамики для макротел остаются незыблемыми. Кроме того, в предельных случаях выводы квантовой физики совпадают с результатами классической. При больших квантовых числах дискретность "смазывается" и процесс становится квазинепрерывным.

Материал раздела предоставляет большие возможности для организации самостоятельной деятельности учащихся. Полезно широко использовать периодическую систему Менделеева и предложить им на ее основе самостоятельно раскрыть состав ядер некоторых элементов, рассчитать для них дефект масс, энергию связи, удельную энергию связи и т. п. Оценочные расчеты различных параметров микромира, широко используемые в этом разделе, могут быть содержанием самостоятельной деятельности учащихся в школе и дома, а анализ полученных в них результатов - хорошая школа развития мышления учащихся. Этой же цели служит решение задач, которые в данном разделе носят по преимуществу тренировочный характер и требуют акцента на анализе полученных данных: полезно сопоставлять энергии связи ядер с энергией связи других систем, например молекул; кинетическую энергию α-частиц с энергией теплового движения молекул; плотность ядерного вещества с известными плотностями различных веществ и т. п. Результаты этого анализа позволяют выпускникам школ лучше понять порядок величин в микромире, осмыслить своеобразие микромира.

В развитие квантовой физики внесли свой вклад многие выдающиеся отечественные и зарубежные ученые: Э. Резерфорд, Н. Бор, П. Кюри, М. Складовская-Кюри, М. Лауэ, Луи де Бройль, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак, Э. Шредингер, И. Е. Тамм, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, О. Гаи, Э. Ферми, Л. Д. Ландау, В. А. Фок, Д. В. Скобельцын, А. И. Алиханов, В. И. Векслер, И. В. Курчатов и многие другие. Изучение их жизни и деятельности представляет благодатный материал для патриотического и интернационального, а также нравственного воспитания учащихся.


^ ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА

«КВАНТОВАЯ ФИЗИКА»


Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причем изучают впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами.

Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ранее полученные знания. Например, при изучении правил смещения при радиоактивном распаде и при изучении ядерных реакций необходимо широко опираться на законы сохранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целесообразно повторить понятие центростремительного ускорения, законы Ньютона, закон Кулона, и т.д.

Особенность содержания квантовой физики также накладывает отпечаток на методику ее изучения. В этом разделе учащихся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим представлениям классической физики. От школьников для его усвоения требуется не просто высокий уровень абстрактного, но и диалектическое мышление. Противоречия волна - частица, дискретность - непрерывность рассматривают с позиций диалектического материализма. Поэтому при изучении этого раздела учителю важно опираться на те философские знания, которые получили учащиеся в курсе обществоведения, чаще напоминать им, что метафизическому противопоставлению (либо да, либо нет) диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет (в одних конкретных условиях - да, в других - нет). Поэтому нет ничего удивительного в том, что свет в одних условиях (интерференции, дифракции) ведет себя как волна, в других - как поток частиц.

Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Но число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты и диапозитивы.
^ МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ВОПРОСА О СВЕТОВЫХ КВАНТАХ


ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Фотоэффект, его законы занимают особое место в истории физики. Явление фотоэффекта было одним из основных среди явлений, исследование которых привело к созданию квантовой теории вообще и квантовой теории света в частности. Сущность явления внешнего фотоэффекта и его главные закономерности заключаются, как известно, в следующем: под действием электромагнитного излучения наблюдается испускание (эмиссия) электронов из металлов. В нумерации законов фотоэффекта, их последовательности и числе есть определенный произвол. Формулировки законов приводят как для макропроцессов (через фототок), так и для микропроцессов (через фото-электроны). Приведем ниже одну из принятых формулировок законов фотоэффекта.

1. Фототок насыщения пропорционален освещенности катода. Число фотоэлектронов, вырываемых с катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота, света λ0, при которой еще возможен внешний фотоэффект; эта величина зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности; при частоте света меньше красной границы фотоэффекта (λ<λ0) фотоэффект не происходит.

4. Фотоэффект практически безынерционен.

В методике изучения фотоэффекта можно выделить несколько этапов:

1. Знакомство учащихся с самим явлением фотоэффекта. Рассказ об истории его открытия (Г. Герц).

2. Рассказ о поиске закономерностей этого явления. Исследования А. Г. Столетова.

3. Рассмотрение основных закономерностей фотоэффекта. Показ, вскрытие имеющихся трудностей - невозможность объяснить все законы фотоэффекта с известных уже учащимся позиций (волновой теории света).

4. Выдвижение гипотезы световых квантов. Рассказ о работе А. Эйнштейна. Уравнение фотоэффекта.

5. Объяснение всех закономерностей фотоэффекта с квантовых позиций:

6. Выводы квантовой теории о природе света.

7. Вакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Применение фотоэффекта в технике.

К пониманию явления фотоэффекта и его закономерностей лучше всего подвести школьников с помощью эксперимента. На первом уроке по теме обычно предлагают серию опытов:

1) Закрепленную на стержне электрометра хорошо очищенную цинковую пластину заряжают отрицательно и освещают потоком ультрафиолетовых лучей. Наблюдают разряд электрометра.

2) Разряд прекращается, если мы перекрываем поток лучей стеклом.

3) Если же сообщить пластине положительный заряд, то при таком же освещении разряд электрометра не наблюдается.

4) Разряд происходит тем быстрее, чем больше интенсивность света.

5) Заменив цинковую пластину медной (затем свинцовой), повторяют опыты при тех же условиях (освещенность, начальный заряд).

В ходе беседы последовательно обсуждают следующие вопросы: почему заряженная пластина может сохранять заряд в течение длительного времени? Какими способами можно разрядить пластину? Как объяснить быстрый разряд отрицательно заряженной пластины при ее освещении светом дуги? Будет ли при освещении ультрафиолетом так же разряжаться положительно заряженная цинковая пластина? Почему электрометр не обнаруживает изменения заряда в этом случае? Наблюдаем ли мы разряд медной пластины при тех же условиях опыта? Почему прекращается разряд отрицательно заряженной цинковой пластины, если свет от электрической дуги перекрыть стеклянной пластиной?

Проведенное обсуждение позволяет сделать выводы:

1. Под действием света разряжаются только отрицательно заряженные металлы. Следовательно, при некоторых условиях свет способен вырывать электроны из металлов. Это явление называют фотоэффектом. (Здесь же можно рассказать и об истории открытия фотоэффекта.)

2. Разряд начинается одновременно с началом освещения, следовательно, фотоэффект практически безынерционен. (Точные опыты показали, что время между началом облучения и началом фотоэффекта не превышает 10-9 с.)

3. Наличие фотоэффекта зависит от рода и обработки освещаемого металла и от спектрального состава излучения, скорость разряда зависит также и от падающей в единицу времени световой энергии.

Изучение закономерностей фотоэффекта продолжают на установке, позволяющей исследовать зависимость фототока от приложенного напряжения, интенсивности и спектрального состава излучения. Вначале экспериментально устанавливают существование тока насыщения, а затем - его зависимость от интенсивности падающего на катод света (первый закон фотоэффекта - закон Столетова).

По результатам эксперимента строят графики зависимости силы тока от интенсивности света и от напряжения.



После этого, освещая фотоэлемент светом определенной частоты, с помощью потенциометра "запирают" фотоэлемент и измеряют запирающее напряжение, что позволяет определить максимальную скорость вылетающих электронов.

Меняя светофильтры, получают при повторении опытов новые данные и убеждают учащихся в том, что скорость вылета электронов зависит от частоты падающего света и не зависит от интенсивности света (второй закон фотоэффекта).

Далее приступают к объяснению законов фотоэффекта. Само явление и то, что фототок насыщения прямо пропорционален падающей в единицу времени световой энергии - первый закон фотоэффекта, можно объяснить и с волновых позиций. Объяснение того, почему существует порог фотоэффекта (красная граница), почему максимальная начальная скорость (и максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов) не зависит от интенсивности света, а определяется только его частотой (линейно возрастает с частотой), а также объяснение безынерционности фотоэффекта не может быть дано на основе волновой электромагнитной теории света. Ведь по этой теории вырывание электронов из металла является результатом их "раскачивания" в переменном электрическом поле световой волны. Но тогда и скорость и кинетическая энергия фотоэлектронов должны зависеть от амплитуды вектора напряженности Е электрического поля волны и, следовательно, от ее интенсивности, на "раскачку" электрона требуется время, эффект не может быть безынерционным. Несоответствие экспериментальных фактов сложившейся волновой теории света доказывало ее несостоятельность и требовало создания новой теории.

Далее рассказывают о том, что трудности в объяснении законов фотоэффекта были не единственной причиной создания новой теории. В 1900 г. М. Планк для объяснения теплового излучения вынужден был высказать, на первый взгляд, нелепую идею, что тело излучает энергию не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). Эта идея противоречила сложившимся представлениям классической физики, где процессы и величины, их характеризующие, изменяются непрерывно. Эту непонятную и поэтому мало кем принятую идею в 1905 г. А. Эйнштейн использовал для объяснения законов фотоэффекта. Он пошел далее М. Планка и утверждал: свет не только испускается, но и распространяется и поглощается квантами.

Иначе говоря, поток монохроматического света, несущий энергию Е, представляет собой поток n частиц (названных позднее фотонами), каждый из которых обладает энергией h.

Энергия фотона пропорциональна частоте света. Чем больше частота (меньше длина волны) излучения, тем большую энергию несет каждый его фотон. Энергия фотонов длинноволнового излучения меньше.

Далее Эйнштейн предположил: каждый фотон взаимодействует не со всем веществом, на которое падает свет, и даже не с атомом в целом, а с отдельным электроном атома. Фотон отдает свою энергию электрону, а электрон, получив энергию, вырывается из металла с определенной кинетической энергией. На основе закона сохранения энергии можно записать следующее уравнение для элементарного акта взаимодействия фотона с электроном:

П
осле этого объясняют экспериментальные законы фотоэффекта с точки зрения квантовой теории. Сила фототока насыщения равна числу электронов, вылетающих за единицу времени с освещаемой поверхности; интенсивность света - числу ежесекундно падающих фотонов. Так как каждый фотон может выбить с поверхности металла лишь один электрон, то естественно, что сила фототока насыщения (число вырванных электронов) будет пропорциональна интенсивности света (числу падающих фотонов).

Важно при этом подчеркнуть, что наблюдают прямую пропорциональность, а не равенство, так как часть падающих на металл фотонов отражается, а из поглощенных фотонов не все вырывают из металла свободные электроны. Энергия части поглощенных фотонов превращается во внутреннюю энергию металла. Поэтому отношение числа электронов к числу падающих на металл фотонов значительно меньше единицы (для чистых металлов примерно в 1000 раз).

Далее объясняют, почему наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего света, а не от его интенсивности (второй закон фотоэффекта). Из уравнения Эйнштейна следует: так как для данного вещества работа выхода постоянна, то наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающего света. Анализируют случай, когда энергия светового кванта численно равна работе выхода.

Следовательно, вся энергия фотона идет на совершение работы выхода и скорость электронов равна нулю. Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода, т. е. от химической природы металла, и может лежать на любом участке оптического диапазона. Для каждого вещества есть определенная длинноволновая граница фотоэффекта (третий закон фотоэффекта).

Таким образом, уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Оно позволяет вычислять скорости фотоэлектронов и определять наибольшую длину волны, при которой еще наблюдается явление фотоэффекта для данного вещества, а также вычислить работу выхода для конкретного металла.

После анализа уравнения Эйнштейна можно показать, как была осуществлена экспериментальная проверка этого уравнения. Она состояла в определении постоянной Планка из результатов опыта.

Так как работа выхода для данного вещества - величина постоянная, то кинетическая энергия фотоэлектрона является линейной функцией частоты излучения, падающего на фотоэлемент.

При практическом проведении таких измерений встретились большие трудности. Первые тщательные измерения постоянной Планка этим методом были проведены в 1915 г. Р. Милликеном. Он получил значение, близкое к тому, какое было уже известно из теории теплового излучения.

В
нашей стране в 1928 г. опытами П. И. Лукирского и С. С. Прилежаева была подтверждена линейная зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света и получено значение постоянной Планка.

Для закрепления уравнений Эйнштейна решают задачи на вычисление скорости и энергии электронов, красной границы фотоэффекта, работы выхода.

^ ЭФФЕКТ КОМПТОНА

Формирование представлений о фотоне, начатое при изучении: фотоэффекта, продолжают при изучении последующих вопросов курса - эффекта Комптона, давления света, химического действия света.

Особенно важное значение для доказательства квантовых свойств света имеет впервые введенное в программу физики одиннадцатилетней средней школы понятие об эффекте Комптона.

Комптоновский эффект заключается в изменении частоты излучения при рассеянии рентгеновских лучей "легкими" веществами (графит, парафин и др.). Особенность этих веществ - относительно слабая связь внешних электронов в атоме с ядрами. Это явление было обнаружено в 1923 г. и подробно исследовано американским физиком А. Комптоном, который установил, что разность частот (длин волн) первичного (падающего) и рассеянного излучения зависит только от угла рассеяния.

Интересно отметить, что именно А. Комптон назвал кванты света фотонами. В дальнейшем А. Комптон и независимо П. Дебай теоретически объяснили явления с квантовых позиций, рассматривая рассеяние как результат взаимодействия рентгеновских квантов падающего излучения с практически свободными электронами вещества, применяя к этому процессу законы сохранения энергии и импульса.

Формулу для изменения длины волны комптоновского рассеяния в школьном курсе не дают, но подходы к ее выводу на основании рассмотрения законов сохранения (энергии и импульса) для системы электрон - фотон можно привести.

Порядок рассуждений может быть примерно следующим.

Объяснить наблюдаемое различие частот первичного и рассеянного излучений с волновых позиций не представляется возможным. Действительно, механизм рассеяния рентгеновского излучения согласно волновой теории света можно объяснить только за счет возникновения вторичных электромагнитных волн в результате вынужденных колебаний ("раскачивания") электронов в атомах вещества под действием электрического поля первичной волны. При этом частота рассеянного излучения должна совпадать с частотой первичного излучения.

Если считать поток рентгеновских лучей состоящим из отдельных фотонов, летящих со скоростью света и способных испытывать столкновения с другими частицами, то следует допустить возможность обмена с ними энергией и импульсом.

При столкновении фотона с электроном происходит передача энергии и импульса фотона этому электрону. Электрон приобретает кинетическую энергию. Энергия испущенного в результате столкновения фотона меньше начальной, что приводит к уменьшению его частоты.

При элементарном акте рассеяния должен выполняться закон сохранения энергии и закон сохранения импульса (для системы фотон - электрон, которую можно считать изолированной). Как показывают опыты, каждому фотону, испытывающему рассеяние на угол α, сопутствует появление электрона, движущегося именно с такой скоростью и под таким углом к направлению первичного пучка фотонов, который получается при решении соответствующих уравнений.

^ ФОТОНЫ. ДВОЙСТВЕННОСТЬ СВОЙСТВ СВЕТА

Одна из основных задач учителя при изучении темы "Световые кванты. Действия света" - ознакомить учащихся со свойствами фотона и двойственностью свойств света. После изучения фотоэффекта и явления Комптона обобщают полученные учащимися знания о фотоне и обсуждают корпускулярно-волновой дуализм его свойства. При подготовке к этому уроку школьники повторяют как уже пройденные вопросы этой главы, так и главу "Электромагнитные “волны” раздела “Электродинамика”. В ходе беседы учитель подводит их к следующим выводам:

1) Фотон - частица электромагнитного излучения (квант электромагнитного поля).

2) Фотон, будучи квантом электромагнитного поля, существует только в движении. Он либо движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, либо не существует. Остановить, замедлить и ускорить фотон нельзя, как нельзя увеличить или уменьшить скорость света в вакууме.

3) Эти частицы сравнительно легко могут зарождаться (излучаться) и исчезать (поглощаться). Фотоны неделимы. Когда атом испускает или поглощает свет, то это испускание и поглощение происходит только целыми фотонами. Поглощенный фотон прекращает свое самостоятельное существование, а его энергия превращается в какой-либо другой вид энергии.

4) Фотон обладает определенной энергией, массой и импульсом. Энергия фотона E=hν. По закону взаимосвязи массы и энергии энергия фотона связана с массой соотношением Е=mс2, следовательно, масса фотона равна

m= E/c2= hν/c2.

Масса фотона - мера его энергии. Эту массу нужно рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией.

Так как фотон существует только в движении, то у него нет массы покоя. Масса покоя фотона равна нулю, и в этом принципиальное отличие фотона от частиц вещества. Импульс - векторная величина. Направление вектора импульса фотона совпадает с направлением распространения света. Наличие у фотона импульса подтверждает существование светового давления и эффекта Комптона.

Учащиеся должны уяснить, что свет проявляет и волновые и корпускулярные свойства, т. е. он обладает дуализмом свойств. Это находит свое выражение, в частности, в формулах, определяющих корпускулярные характеристики фотона (энергию, импульс, массу) через частоту.





В проявлении двойственности свойств света имеется определенная закономерность. Так как энергия отдельного фотона при малых частотах (например, у инфракрасного света) мала, то для этого диапазона частот корпускулярные свойства проявляются мало, а в большей степени проявляются волновые свойства излучения. Интерференцию, дифракцию, поляризацию такого излучения легко демонстрируют с помощью несложной аппаратуры, фотохимические же действия обнаружить труднее. При больших частотах (когда энергия отдельного фотона сравнительно велика) корпускулярные свойства света обнаружить легче. В видимом свете волновые и корпускулярные свойства проявляются примерно в равной мере. Отражение, преломление, давление света можно объяснить как на основе волновых, так и корпускулярных представлений.

Заметим, что при некоторых условиях в типично волновом явлении обнаруживаются квантовые свойства света. Например, эти свойства обнаружены в известных опытах С. И. Вавилова по квантовым флуктуациям в интерференционном поле при малых световых потоках. Свои наблюдения флуктуации световых потоков С. И. Вавилов рассматривал как одно из важнейших доказательств квантовых свойств излучения.

Чтобы учащиеся убедились в этом, полезно предложить им определить частоту, импульс, энергию фотонов различных длин волн оптического диапазона.

Для подчеркивания дуализма свойств света полезно заполнить таблицу, в которой указаны основные физические величины, отражающие диалектическое единство дискретности (прерывности) и континуальности (непрерывности) материи.




^ МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА

В КУРСЕ ФИЗИКИ XI КЛАССА

^ ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ. ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА

Изучение строения атома начинают обычно с опыта Резерфорда и планетарной модели атома. Однако, к сожалению, учащиеся к этому времени еще не знают ничего о радиоактивности, об альфа-частицах, и это затрудняет понимание опыта Резерфорда. Поэтому целесообразно школьников ознакомить прежде с явлением радиоактивности, с историей его открытия, с видами радиоактивных излучений. Механизм радиоактивного распада и его законы целесообразно изучать позже, после ознакомления со строением и свойствами ядра.

Начать изучение строения атома с явления радиоактивности целесообразно еще и потому, что радиоактивность - явление, свидетельствующее о сложном строении атома и давшее мощный толчок развитию атомной физики. Изучение предварительных сведений о радиоактивности, кроме того, поможет ученикам лучше осмыслить принцип действия приборов, служащих для наблюдения и регистрации элементарных частиц. На изучение явления радиоактивности отводят один урок.




Рассказывая о радиоактивности, учащихся знакомят с основными видами радиоактивных излучений. Однако более подробно останавливаются на свойствах α-частиц: α-частицы представляют собой дважды ионизированные атомы гелия, их масса равна 4,002 а. е. м. = 6,6*10-27 кг, т. е. она примерно в 8000 раз больше массы электрона; их заряд равен 2е, где е - заряд электрона (1,6*10-19 Кл); скорость при радиоактивном распаде достигает 20*106 км/с. Желательно предложить школьникам оценить кинетическую энергию α-частицы и сравнить ее со средней кинетической энергией молекул при комнатной температуре. Из этого сравнения становится ясно, что α-частицы обладают колоссальной энергией (она более чем в 108 раз превосходит энергию теплового движения молекул), поэтому α-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, представляют собой замечательные естественные “снаряды” для изучения структуры вещества.

Изучение опыта Резерфорда целесообразно начать с демонстрации кинофрагмента "Опыт Резерфорда" из кинофильма "Атом и атомное ядро", на основе просмотра которого учащиеся усвоят общую идею опыта. Затем рассматривают схему опыта Резерфорда более детально (с помощью диапозитива, диафильма или плаката), предлагают школьникам зарисовать ее в тетради.

Показывая рисунок траекторий α-частиц, обращают внимание учащихся на два факта: 1) большое число а -частиц проходит через тонкую фольгу металла не отклоняясь; 2) отдельные частицы (примерно 1 частица из 8000) испытывают очень большое отклонение на 90-150°. Знакомить учащихся с количественной теорией Резерфорда рассеяния α-частиц, позволившей сделать определенные выводы о структуре атома, в средней школе не представляется возможным. Однако желательно дать им почувствовать, как анализ результатов опыта служит основой для высказывания определенных теоретических предсказаний о структуре

Результаты опыта Резерфорда позволили заключить, что масса ядра достаточно велика (так как ядро способно резко отклонить пролетающую α-частицу), и определить примерный размер ядра.



Далее рассказывают о подобных опытах, позволивших определить заряд ядра.

Факт кулоновского отталкивания α-частицы от положительно заряженного ядра, а также то, что отклонение это тем больше, чем ближе к ядру пролетает α-частица и чем меньше ее энергия, можно проиллюстрировать на следующем модельном эксперименте. Металлический шарик укрепляют на конце наклонно расположенной изолирующей палочки, которая заряжается от высоковольтного выпрямителя. Второй шарик, сделанный из ваты и обернутый тонкой металлической фольгой, подвешивают на шелковой нити к высокой подставке. Первый шарик служит моделью ядра, а второй - моделью α-частицы. Учитель, зарядив второй шарик, отводит "α-частицу" в сторону, а затем отпускает ее. Проходя мимо "ядра", "частица" отклоняется. Опыт лучше демонстрировать в теневой проекции на потолок.

Рассказывая в заключение о планетарной модели атома, особенно подчеркивают, что почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, ядро атома в 105 раз меньше самого атома, заряд атома и число вращающихся вокруг него электронов равны порядковому номеру элемента в периодической системе элементов. Чтобы школьники наглядно представили себе соотношение между размерами атома и ядра, полезно привести несколько образных сравнений, например, ядро меньше атома во столько раз, во сколько маковое зерно меньше здания Московского университета на Ленинских горах.

^ КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ БОРА

На примере изучения строения атома учащимся показывают, как и для чего создают модели объектов для физических исследований, подчеркивают ограниченность каждой модели, раскрывают путь познания истины через последовательное уточнение модельных представлений. Это имеет важное значение для развития научного мировоззрения школьников.

Действительно, в молекулярно-кинетической теории газов используют шарик как модель атома. При попытке разобраться в структуре атома была создана модель атома, которая, по образному выражению физиков, выглядела как пирог с изюмом. Опыты Резерфорда опровергли эту модель и привели к созданию планетарной модели атома. Однако эта модель также несовершенна; согласно классической теории электрон, двигаясь по круговой орбите и, следовательно, обладая ускорением, должен непрерывно излучать энергию, а в результате электрон упадет на ядро и атом прекратит свое существование. Кроме того, согласно этой модели спектр излучения атома должен быть сплошным, между тем как опыты показывают, что он линейчатый. Поэтому предложенная Резерфордом модель атома нуждалась в дальнейшем обосновании. Это было сделано в 1913 г. Н. Бором.

Н. Бор увидел за этими "неправильностями" в поведении электрона в атоме своеобразие законов, которым подчиняются микрочастицы. Он сформулировал постулаты, которые согласовывали модель атома Резерфорда с экспериментальными фактами (стабильность атома, дискретный характер излучаемой им энергии).

Постулаты Бора необходимо не только сформулировать, но и пояснить. Первый постулат (постулат стационарных состояний) формулируют так: атом может находиться только в особых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия; в стационарном состоянии атом энергии не излучает. Этот постулат требует пояснений. Энергия атома квантуется, т. е. может принимать ряд дискретных значений. Наименьшим значением энергии атом обладает тогда, когда его электрон находится на ближайшей к ядру орбите. Чем больше радиус, орбиты, тем больше энергия соответствующего стационарного состояния. В стационарном состоянии атом энергии не излучает.

Этот постулат обосновывает квантовый характер излучения - факт, установленный М. Планком и развитый А. Эйнштейном.




При изложении теории Бора возникает вопрос: нужно ли знакомить школьников с правилом квантования орбит вторым (специальным) постулатом Бора? Ведь момент импульса - понятие, незнакомое учащимся. Они его не изучали в механике. Поэтому ряд методистов считает, что со вторым постулатом Бора учащихся лучше не знакомить. Однако второй постулат указывает на правило квантования орбит, и без него нельзя вывести значение энергии в стационарных состояниях. Поэтому отказ от ознакомления школьников со вторым постулатом Бора влечет за собой поверхностное их ознакомление с атомом водорода и его спектрами и приводит к слабому усвоению материала, Поэтому, несмотря на известную трудность, лучше ознакомить учащихся и со вторым постулатом Бора,








Необходимо подчеркнуть, что теория атома Бора не была последовательной.

Используя классические законы для описания движения электрона в атоме, она накладывала на них некоторые ограничения. Но даже эта далеко еще не совершенная теория знаменовала собой дальнейший шаг на пути отказа от универсальности классических представлений (первые были сделаны М. Планком и А. Эйнштейном) и позволила достаточно хорошо объяснить строение атома водорода и его спектры.


^ ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ


Линейчатые спектры объясняют теорией Бора. И хотя исторически спектральные закономерности были известны до создания Бором теории строения атома, проще объяснить их, зная теорию Бора, нежели уяснить, как знание этих закономерностей привело Бора к созданию теории атома. Лишь в классах с сильным составом учащихся роль спектров в создании теории атома будет достаточно оценена, поэтому там можно придерживаться исторической последовательности.

Начать изучение материала лучше с опытных фактов. Если через газ пропустить электрический разряд, он начинает светиться. Предлагают учащимся через спектроскоп (или дифракционную решетку) посмотреть на зажженную лампу, заполненную водородом. Она дает несколько ярких спектральных линий в видимой части спектра: красную, голубую, синюю, фиолетовую.