Лекція 17.

МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ БУДОВИ АТОМА

1. Науково-методичний аналіз змісту і структури теми

Одним із завершальних етапів формування в учнів уявлень про сучасну наукову картину світу на уроках фізики в старшій школі є вивчення розділу “Будова атома”. За своїм змістом і структурою розділ відображає розвиток вчення про будову речовини, коли уявлення молекулярно-кінетичної теорії про будову речовини доповнюються положеннями класичної електронної теорії та елементами квантової фізики, засвоєних учнями при вивченні попереднього програмового матеріалу. Вивчення розділу сприяє формуванню наукового світогляду учнів та вміння пояснювати явища природи на основі досягнень сучасної природничої науки. При вивченні розділу формуються знання учнів про фізичні основи сучасних технологій, основаних на використанні процесів на атомному рівні.

Програмою передбачено узагальнення раніше отриманих знань на основі досліду Резерфорда з розсіювання α-частинок на речовині, які стали експериментальною базою для побудови планетарної моделі будови атома. Детальний розгляд переваг такої моделі і її недоліків здійснюється при вивченні постулатів Бора, явищ поглинання і випромінювання світла атомом, та природи лінійчастих і неперервних спектрів, спектрів поглинання і випромінювання, застосування спектрального аналізу. Важливим моментом у вивченні теми є розгляд будови і принципу дії квантових генераторів – лазерів.

Генеральною лінією теми є квантово-механічне вчення Резерфорда-Бора. Навколо неї розміщені всі питання вчення про будову атома, передбачені до вивчення програмою. Зв’язки між окремими частинами теми показано на структурно-логічній схемі.

2. Основні поняття і їх науково-методичний аналіз

До основних понять теми належать такі: атом, атомне ядро, електронна оболонка, енергетичний рівень, спектр.

Атом – це частинка простої речовини, яка є носієм хімічних властивостей хімічного елемента. Відомо стільки видів атомів, скільки є простих хімічних елементів. Атом є структурною одиницею в молекулах складних речовин. Він складається з центрального позитивно зарядженого ядра та електронів, які утворюють електронну оболонку.

Атомне ядро – центральна частина атома; в ньому зосереджена значна частина маси атома; складається з нейтронів і протонів; кількість протонів визначає місце елемента в періодичній таблиці елементів.

Електронна оболонка – сукупність електронів, які входять до складу даного атома. Кількість електронів у оболонці визначається значенням позитивного заряду ядра і дорівнює кількості протонів у ядрі. Електронна оболонка має внутрішню структуру, в якій електрони розміщені у відповідності з принципом дозволених енергій на певних енергетичних рівнях, перехід між якими можливий лише при поглинанні чи випромінюванні енергії.

Енергетичний рівень – значення енергії електрона в атомі, може мати лише дискретні значення, які визначаються у відповідності з постулатами Бора.

Спектр – частотна характеристика коливальних процесів або набору значень параметра певного класу об’єктів. Частотні спектри можуть бути лінійчастими, смугастими, суцільними, комбінованими. Лінійчасті спектри характеризують електромагнітне випромінювання речовини в газоподібному стані. Випромінювання молекул має смугасті спектри. Суцільні та комбіновані спектри характерні для твердого стану речовини

3. Навчальний фізичний експеримент

Можливості демонстраційного експерименту обмежені через складність обладнання для спостереження. Важливою демонстрацією при вивчені будови атома є демонстрація спектрів випромінювання і поглинання [10, с. 21]. Основною частиною установки для цієї демонстрації є спектрометр, за допомогою якого випромінювання від газонаповнених трубок розкладається у спектр. Для ілюстрації досліду Резерфорда використовується модель, яка може мати декілька модифікацій [10, с.255]. Найпростіша демонстрація передбачає використання електростатичної взаємодії між двома зарядженими кульками, одна з яких рухається. Можливе комп’ютерне моделювання досліду Резерфорда.

Дискретність енергетичних рівнів у атомі підтверджується демонстрацією вольт-амперної характеристики тиратрона [10, с.257]. Можливе використання навіть люмінесцентних ламп денного світла. Дослідження вольт-амперної характеристики такої лампи за допомогою осцилографа з використанням для живлення лампи змінного струму дозволяє отримати характерні “провали” в характеристиці.

4. Методика вивчення основних питань теми

Будуючи систему вивчення програмового матеріалу про будову атома потрібно враховувати два важливих моменти:

А. Будову атома учні вивчали в базовому курсі фізики.

Б. З будовою атома учні знайомі з уроків хімії, де учні досить ґрунтовно познайомилися з основними властивостями атомів і особливостями їх будови. Крім цього потрібно врахувати суттєву роль елементів історизму. Відомо, що ознайомлення учнів з історією фізики дозволяє суттєво підвищити рівень проблемності вивчення того чи іншого матеріалу. У даному випадку повідомлення, що відкриття електрона на початку ХХ століття поставило перед ученими проблему з’ясування, у яку структурну одиницю речовини входить електрон, дозволить показати наукову доцільність вивчення будови атома як об’єкта, в склад якого входять електрони. Суть цього повідомлення полягає в тому, що як розв’язання проблеми англійський фізик Д.Д. Томсон запропонував модель атома, за якою атом є суцільною позитивно зарядженою кулею, в якій знаходяться вкраплені електрони. Отже, атом уявлявся суцільним, а звідси висновок, що він повинен бути непроникним для інших мікрочастинок. Таке повідомлення служитиме основою для пояснення проблематики дослідів Резерфорда, у яких здійснювалося бомбардування речовини позитивно зарядженими частинками. Тут потрібно пам’ятати, що вибір Резерфордом ?-частинки не мало принципового значення. Важливо було, що вона мала значну енергію і позитивний заряд. Опис результатів дослідження послужить підставою для формулювання висновку про те, що атом не може бути суцільним, оскільки частинки проходять через фольгу: у ньому є вільний від частинок простір. Відхилення частинок від прямолінійного поширення свідчило, що, пролітаючи через атом, частинки взаємодіють з позитивно зарядженими частинками, які входять до складу атома. Розсіювання частинок віялом, а тим більше повертання деяких частинок у зворотному напрямі, свідчило, що об’єкти, з якими взаємодіють частинки, мають велику масу. Отримані результати вписувалися в планетарну модель атома, за якою атом має ядро, оточене електронною оболонкою.

Важливим моментом у процесі вивчення будови атома є з’ясування суперечностей класичної моделі Резерфорда, які проявляються у невідповідності результатів, які дають результати аналізу на основі класичної електродинаміки, даним експерименту. Для цього, в першу чергу, потрібно провести з учнями повторення матеріалу про умови випромінювання електромагнітних хвиль зарядженими тілами відповідно до уявлень класичної електродинаміки. Згідно з цією теорією електрон, рухаючись орбітою, перебуває у прискореному русі, а тому повинен неперервно випромінювати електромагнітну хвилю, а з нею поступово втрачати і свою енергію. Спектр такого випромінювання повинен бути суцільним.

Класична теорія не могла також пояснити стійкість атома. Радіус орбіти електрона, який випромінює енергію, повинен зменшуватися, внаслідок чого електрон повинен, врешті-решт, упасти на ядро. Реальна ж стабільність речовини суперечить такому висновку, а отже і самій моделі атома.

Як відомо, вихід зі скрутного положення був знайдений Н. Бором. Його постулати дозволили суттєво вдосконалити модель Резерфорда і відкрити нові можливості для розвитку науки про атом. Для формулювання постулатів Бора було дві підстави – створення квантової теорії М. Планком і дослідження спектрів випромінювання газів, зокрема дослідження спектрів випромінювання водню. Вказані дослідження з одного боку дозволили пояснити стабільність атомів водню, з другого – стали підтвердженням справедливості постулатів. Тому в методичному плані ця обставина створює умови для розробки двох методик навчання.

Одна з цих методик передбачає ознайомлення учнів спочатку з різними типами спектрів і виділення з їх переліку лінійчастих спектрів випромінювання для розріджених газів. Ця методика передбачає використання фізичного експерименту, як джерела знань і критерію істини в фізиці. Така методика досить добре розроблена, фізичні кабінети, як правило, мають належне обладнання – газонаповнені трубки, джерела високої напруги та спектрометри. Досліди можуть бути проведені як в демонстраційному вигляді, так і в формі лабораторних робіт. За відсутності необхідного обладнання, можна використати фотографії спектрів, які є в переважній більшості курсів загальної фізики. Аналізуючи ці спектри, потрібно загострити увагу учнів на тому, що в них можна виділити окремі серії ліній, в розміщенні яких є певна закономірність,

Учням цікаво буде дізнатися, що вперше закономірності в спектрах водню помітив і дослідив швейцарський вчитель математики Бальмер. Ним було встановлено, що для однієї з серій (вона пізніше отримала назву серії Бальмера) частоту випромінювання, якій відповідає певна спектральна лінія, можна розрахувати за формулою

Не варто вдаватися в деталізацію змісту формули Бальмера. Достатньо вказати, що пізніше для інших серій були встановлені подібні закономірності, які в загальному вигляді виражаються формулою

Отже, всі серії утворюються внаслідок переходу атома з одного стану в інший. Це буде основою для висновку про існування в атомі деяких стаціонарних рівнів. Підтвердженням загальності такого висновку служать спектри поглинання, в яких лінії поглинання відповідають тим же частотам, що і для ліній у спектрах випромінювання.

Відомі три постулати Бора:

- атом може знаходитися в одному з стаціонарних станів, у якому він не випромінює і не поглинає;

- перехід з одного стаціонарного стану в інший можливий лише внаслідок випромінювання або поглинання енергії:

- момент кількості руху електрона в атомі може мати лише певні дискретні значення

Як правило, програма рекомендує вивчати лише два перших з них. Вони становлять певний інтерес для формування квантових уявлень учнів. Третій же постулат у подальшому навчанні практично не застосовується. Тим більше, що шкільною програмою з фізики для загальноосвітніх класів не передбачене введення поняття моменту кількості руху.

Другий варіант методики вивчення будови атома передбачає дедуктивний підхід, коли постулати Бора вводяться як засіб усунення суперечностей, властивих моделі атома Резерфорда. У цьому варіанті природа спектрів пояснюється на основі постулатів і слугує підтвердженням їх достовірності.

Обидва варіанти цілком прийнятні з огляду на їх дидактичну цінність. Але перший варіант, повторюючи хід процесу становлення теорії атома, має більший потенціал виховного і формуючого характеру, при якому в учнів формуються певні моральні і особистісні якості.

Заключним етапом вивчення теми є ознайомлення учнів з практичним застосуванням спектрального аналізу для вивчення властивостей речовини на атомному рівні. Серед них потрібно назвати контроль кількісного і якісного складу металевих сплавів, кримінологічні та астрофізичні дослідження.

Серед практичних застосувань знань про будову атома важливе місце займає вивчення будови і принципу дії лазерів. Незважаючи на широке поширення напівпровідникових лазерів, принцип квантових генераторів вивчається на прикладі газового – гелій-неонового – лазера, принцип дії якого легко пояснити на основі постулатів Бора, ввівши поняття рівня “прилипання”. Необхідність створення такого рівня пояснюється необхідністю накопичення електронів, які при масовому переході з рівня прилипання на основний рівень створюють потужний потік фотонів. Для пояснення причин накопичення електронів на рівні прилипання потрібно порівняти час «життя» електронів на звичайних рівнях (10^–8 с) з часом життя електронів на рівні прилипання (10^–5 с). Другим важливим моментом у поясненні принципу дії лазера є розгляд так званого індукованого випромінювання. Фотон певної частоти, який рухається в речовині, сприяє появі фотона такої ж частоти (енергії). Напрям його руху співпадає з напрямом руху первинного фотона. Дзеркала, здійснюючи багаторазове відбивання фотонів, сприяють накопиченню енергії фотонів у світловому імпульсі. З огляду на нові тенденції у використанні лазерів виникає проблема розробки у подальшому методики ознайомлення учнів з напівпровідниковими лазерами. Очевидно, що і в такій методиці повинні «працювати» квантові постулати Бора, що сприятиме поглибленню знань учнів про елементи квантової механіки.

5. Типові задачі

Типовими для теми є задачі на розрахунок частоти випромінювання атома водню з застосуванням постулатів Бора і уявлень квантової механіки:

6. Організація контролю і обліку знань учнів

Зміст теми досить описовий. Тому для з’ясування рівня засвоєння знань потрібно використати засоби, які дають можливість перевірити знання учнями основних положень теорії та основні поняття і формулювання. До таких засобів належить фізичний диктант.