Квантовые постулаты Бора

Домашнее задание

1. Во втором энергетическом состоянии атом водорода имеет энергию E₂ = –3 эВ. Это состояние называется первым возбужденным состоянием. Среднее время жизни атома в этом состоянии (до перехода на основной уровень с испусканием фотона) равно τ = 10^–8 с. Сколько оборотов N сделает на орбите электрон за это время в соответствии с планетарной моделью атома?

2. В ультрафиолетовой части спектра атома водорода известны две спектральные линии с длинами волн λ₁ = 102,57 нм и λ₂ = 121,57 нм. Каждая из этих линий возникает при переходе электрона в наинизшее энергетическое состояние из стационарного состояния с более высокой энергией. Найдите длину волны λ₃ еще одной спектральной линии, которую, согласно теории Бора, можно предсказать в спектре водорода.

3. Предположим, что схема энергетических уровней атомов некоего элемента имеет вид, показанный на рисунке, и атомы находятся в состоянии с энергией Е⁽¹⁾. Электрон, столкнувшись с одним из таких атомов, в результате столкновения получил некоторую дополнительную энергию. Импульс электрона после столкновения с покоящимся атомом оказался равным 1,210^-24 кгм/с. Определите кинетическую энергию электрона до столкновения. Возможностью испускания света атомом при столкновении с электроном пренебречь.

На предыдущем уроке мы с вами закончили изучение темы световые кванты

Мы теперь знаем, что свет излучается, поглощается, да и просто существует в виде отдельных порций, которые мы назвали квантами.

Но у нас остался открытым вопрос о том, что является источником света?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется заглянуть вглубь атома.

Тема сегодняшнего урока «____________________»

Наша задача – познакомиться с экспериментальными фундаментальными и теоретическими работами, которые способствовали созданию новой квантовой теории атома.

В начале 20 века утвердилась ядерная, планетарная модель атома. С одной стороны эта модель неоспорима, ведь она подтверждалась многочисленными экспериментами. Но с другой стороны эта модель противоречила классической физике, т.к. обрекала атом на неустойчивость. Как же быть? Очевидно для атома нужно создавать новую, неклассическую модель. И первые шаги по созданию новой, квантовой модели атома были сделаны датским физиком Нильсом Бором. В 1913 году Бор постулирует следующие утверждения:

1. Атомная система может находиться в особых квантовых или стационарных состояниях, каждому из которых соответствует энергия En. Находясь в этих квантовых состояниях атом не излучает.

2. Излучение света атомом происходит при переходе атома из состояния с большей энергией Ek в состояние с меньшей энергией En. Причем, энергия излученного кванта света равна разнице энергий hv=Ek- En

Каждый из постулатов Бора противоречил классический физике: и то, что энергия не может изменяться непрерывно, а квантуется, и то, что атомная система – электрон в квантовом состоянии не излучает, двигаясь ускоренно, а процесс излучения с классической точки зрения был вообще непонятен. Но ведь Бору нужно было как-то утверждать устойчивость ядра. Конечно, может показаться несколько самонадеянным то, что молодой Бор формулирует постулаты, которые противоречат и классической механике Ньютона, и классической электродинамике Максвелла. Но Бор был молод и смел, и кроме того он получил блестящее подтверждение своей теории для атома водорода.

Давайте рассмотрим и зарисуем диаграмму энергетических уровней атома водорода, которые рассчитал Бор.

Работа по рисунку в учебнике.

Атом водорода может находиться только в особых квантовых состояниях, каждому из которых приписывается главное квантовое число n (1, 2, 3, ..). состоянию с наименьшей энергией соответствует квантовое число 1. При этом состоянии электрон находится ближе всего к ядру и энергия системы минимальна. Для водорода она равна -13,6 эВ.

Состояние с наименьшей возможной энергией называется основным состоянием атома. Все остальные состояния атома называются возбуждёнными состояниями и они соответствуют удалению электрона от ядра. Когда n стремится к бесконечности, энергия связи ядра стремится к 0. Это состояние, когда электрон превращается в свободную частицу, а атом водорода превращается в положительный ион.

Нетрудно видеть из диаграммы, что энергия перехода атома в ион, т.е. энергия ионизации атома, равна по модулю энергии основного состояния атома. Положительные энергии соответствуют энергиям свободного электрона. Здесь энергия меняется непрерывно, т.е. в свободном состоянии энергия электрона не квантуется.

Итак, Бор просчитал эту диаграмму энергетических состояний. А далее, в соответствии со своим 2 постулатом, он смог рассчитать спектр излучения водорода. Как посчитать энергии или частоты излучаемых фотонов? Надо рассмотреть всевозможные разности между энергетическими уровнями. Что Бор и сделал. Расчетный спектр блестяще совпал с экспериментально наблюдаемым. Для водорода в области УФ части спектра наблюдаются линии, которые образуют так называемую серию Лаймана. Бор показал, что линии этой серии образуются при переходе атома из возбужденного состояния на первый энергетический уровень.

В видимой части спектра линии, которые существуют у водорода, образуют серию Бальмера. Линии этой серии образуются при переходе атома из возбужденного состояния на второй энергетический уровень.

Наконец, в ИК области спектра наблюдаются серии Пашена, Брекета, Пфунда и они соответствуют переходу атома на 3, 4 и 5 энергетические уровни.

Теперь подумайте, что будет представлять собой спектр поглощения?

Постарайтесь сравнить спектр излучения со спектром поглощения.

Поглощение – переход из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией. Поэтому спектры излучения и поглощения должны полностью соответствовать друг другу.

Вопрос: есть атомы в 4 энергетическом состоянии. Попробуйте посчитать, сколько различных квантов может излучить эта система при переходе в основное состояние. Итак, атомы переходят из 4го в 1е энергетическое состояние (ответ 6 – показать на диаграмме).

Глядя на диаграмму, скажите, может ли электрон в атоме водорода иметь энергию -20 эВ? (нет, наименьшая возможная – 13эВ). Минус 2эВ – может иметь? (нет – может принимать только разрешенные значения энергии)

А энергию +2эВ? Да – энергия свободного электрона не квантуется

Подводя итог, нужно сказать, что Бор не смог рассчитать энергии состояний, диаграмму состояний ни для одного химического элемента, кроме водорода. Потому что были сделаны только первые шаги на пути создания новой квантовой теории. Но это были очень важные шаги. Бор доказал, что атом живет по особым законам, законам, отличным от законов классической физики. Дальше эстафету в создании новой теории атома подхватят другие ученые Макс Борн, Луи де Бройль, Гейзенберг, Шредингер.

Работа в группах.

З агрузите видео с помощью любого девайса, используя QR-код.

Представьте, что вам нужно сделать сообщение на уроке физики в 9 классе (они скоро будут изучать эту тему, а мне, возможно, придется быть на курсах). Просмотрите внимательно видео. Оно не озвучено.

Обозначьте тему, которой посвящен видеоролик. Подготовьте теоретическое выступление по обозначенной вами теме и в соответствии с представленным видеорядом. Выслушайте внимательно оппонентов. При обсуждении выступления других групп свое начните с фраз: «Мы согласны с выступлением ___ группы…, но хотели бы добавить ____…, а с этим ___ - не согласны, здесь __________ были допущены фактические ошибки» (разумеется, если таковые были).

Критерии оценивания представления результата

Время на работу по просмотру и обсуждению видеоролика в группе – 7 минут.

Время на выступление от группы – 2 минуты.

Выступления в прениях – 45-60 секунд.

Рабочий лист

II. Самостоятельная работа.

Фамилия, имя ____________________________ Оценка ___________

Ответьте на вопросы:

1. Что представляет собой планетарная модель атома?

2. Назовите элементы атома, обозначенные на рисунке стрелками.

3. Атом какого химического элемента изображен на рисунке?

Если у тебя есть устройство, с помощью которого ты можешь работать в сети Интернет, считай с помощью приложения QR-код и выполни он-лайн задание.

Задание 1. Дополните текст:

В устойчивом атоме __________________ могут двигаться вокруг ядра лишь по особым _________________ ____________, имеющим определенный _______________________ уровень. При этом не происходит _______________________ энергии.

При переходе из одного ________________ состояния в другое, атом ___________ или __________ квант, энергия которого равна __________ энергий данных состояний.

энергия стационарных состояний _________ пропорциональна ___________ главного квантового числа ( _________ орбиты)

Задание 2. Объяснить, что происходит с энергией кванта и почему?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

III. Практическая работа

Цель: Изучить механизм излучения и поглощения света атомами на примере интерактивная модель атома водорода

1. По фотографии определите длины волн излучаемых фотонов, рассчитайте соответствующие энергии фотонов и занесите данные в таблицу 1.

- 0,38 эВ

- 0,54 эВ

- 0,85 эВ

- 1,51 эВ

- 3,40 эВ

- 13,6 эВ

Таблица 1

1. Рассчитайте постоянный коэффициент - постоянную Планка из формулы ,
   и сравните с известным значением:

h=____________________________________________

Домашнее задание:

1. Используя программу MS Excel, постройте график зависимости разности энергий стационарных состояний от длины волны излучаемого атомом кванта. Проведите его анализ и определите характер зависимости.

2. С помощью любого графического редактора изобразите спектр излучения (поглощения) атомом.

Сделайте скриншот содержимого окна с графиком и спектром и разместите свои рисунки на общей доске. Добавляйте изображения с помощью кнопки Изображение на панели инструментов, в имени файла должна быть ваша фамилия.

1. Сделайте выводы по проделанной работе в рабочей тетради.

Вывод: в ходе изучения__________________________________ я сумел (а) определить ______________________________________________________ , и рассчитать __________________________________________________ .

Таким образом, проведя графический анализ _____________________________________________________ выяснили, что __________________________________________________________________

1. Вопросы к работе

1. Каким образом происходит квантование энергии на стационарных орбитах?

2. Может ли атом излучить квант энергии, переходя с низшего энергетического состояния в высшее?

3. Излучает ли энергию атом, если его электроны движутся только по стационарным орбитам? Почему?

4. Каково значение энергии низшего стационарного уровня?

i^ При расчете длины волны не забудьте энергетические величины

выразить в одинаковых единицах измерения

Тема урока: Решение задач « Квантовые постулаты Бора"

Цели урока:

• развитие естественнонаучного мировоззрения о строении вещества;

• изучение механизма излучения и поглощения света атомами на основе теории строения атома Резерфорда–Бора;

• создать необходимые и достаточные условия для проведения виртуального эксперимента: для исследования механизма излучения и поглощения энергии атомами;

• показать историческую роль противоречия между моделями атомов Резерфорда, Бора и опытными фактами.

Задачи урока:

1. Создать условия для развития познавательной деятельности учащихся.

2. Сформировать понятие дискретного характера излучения и поглощения света атомами.

3. Закрепить умения:

   • работать с интерактивными моделями – освоить интерактивную модель атома по Бору;

   • применять полученные знания в условиях виртуального эксперимента;

   • обрабатывать полученную в ходе эксперимента информацию в графическом виде;

   • работать по заданному алгоритму (по инструкции); осуществлять совместно с учителем оценивание своих знаний и знаний одноклассников в соответствии с выработанными критериями (формирующее оценивание);

Тип урока: урок-практикум.

Оборудование урока: QR-код со ссылкой на видеоролик для работы в группе, интерактивная модель атома водорода Учебного компьютерного курса «Открытая Физика 1.1», компьютер, смартфоны, заготовка игры «Заполни пропуски» (в сети Интернет и в опорных конспектах), рабочий лист (по числу учащихся)