Параграф 1 - Естествознание. 11 класс. Габриелян О. С.

Естествознание для 11-го класса
Предмет:	Естествознание
Класс:	11 класс
Автор учебника:	Габриелян О. С.
Год издания:	2014
Издательство:
Кол-во заданий:	48
Кол-во упражнений:
Мы в социальных сетях
Телеграм • ВКонтакте

Комментарии, вопросы по параграфу можно добавить на странице обсуждения.

Основные сведения о строении атома

Греческие учёные о теории атома

• Назовите выдающихся учёных Древней Греции, разработавших теорию, согласно которой материальные вещи состоят из химически неделимых частиц — атомов.

Основными разработчиками философии атомизма являются Левкипп (500-440 до н. э.), Демокрит Абдерский (ок. 460-370 до н. э.) и Эпикур (341-270 до н. э.). Они считали, что существует бесконечное множество атомов, постоянно движущихся элементов.

Философский термин "атом" образован от древнегреческого слова "том"- "разделять", "рассекать" и отрицательной частицы "а". "Атом" в переводе означает "неделимый".

Левкипп и Демокрит - представители зрелого этапа античной философии. Они создали так называемый атомистический материализм.

• Основоположники теории атома
• 

  Левкипп основоположников атомистики

• 

  Демокрит Абдерский - ученик Левкиппа, один из основателей атомистики

• 

  Эпикур

Двойственная природа частиц микромира

• Перечислите физические явления, доказывающие двойственную природу частиц микромира.

Внимание, недостоверная информация в разделе! В данном разделе недостоверная информация, так как она не соответствует законам логики и научному методу. Вопросы, комментарии можно оставить на странице обсуждения. {{{описание3}}}

Впервые проблема корпускулярно-волнового дуализма проявила себя при исследовании природы света. В XVII веке Исаак Ньютон предложил считать свет потоком мельчайших корпускул. Это позволяло просто объяснить ряд наиболее характерных свойств света – например, прямолинейность световых лучей и закон отражения, согласно которому угол отражения света равен углу падения. Вообще, вся геометрическая оптика прекрасно согласуется с корпускулярной теорией света. Но явления интерференции и дифракции света никак в эту теорию не вписывались. Объяснить их ученым удалось лишь в XIX веке создателям волновой теории света. А теория электромагнитного поля и знаменитые уравнения Максвелла, казалось бы, вообще поставили точку в этой проблеме. Оказалось, что свет – это просто частный случай электромагнитных волн, то есть процесса распространения в пространстве электромагнитного поля. Мало того, волновая оптика объяснила не только те явления, которые не объяснялись с помощью корпускулярной теории, но и вообще все известные к XIX веку световые эффекты. И все законы геометрической оптики тоже оказалось возможным доказать в рамках волновой оптики.

     Однако уже в самом начале XX века опять возродилась корпускулярная теория света, так как были обнаружены явления, которые с помощью волновой теории объяснить не удавалось. Это – давление света, фотоэффект, Комптон-эффект и законы теплового излучения. В рамках корпускулярной теории эти явления прекрасно объяснялись, и корпускулы (частицы) света даже получили специальное название. Макс Планк назвал их световыми квантами (по-русски – порциями), а Альберт Эйнштейн – фотонами. Оба этих названия прижились и употребляются до сих пор.

     В итоге сложилась удивительная ситуация – сосуществование двух серьезных научных теорий, каждая из которых объясняла одни свойства света, но не могла объяснить другие. Вместе же эти две теории полностью дополняли друг друга. Только что мы рассмотрели ряд явлений, где свет ведет себя как поток частиц. Но явление интерференции и дифракции могут быть объяснены только с позиции волновой теории. Что же такое свет? В. Брегг писал: «неужели мы должны считать свет состоящим из корпускулов в понедельник, вторник и среду, когда проводим опыты с фотоэффектом и эффектом Комптона, и представлять себе его волнами в четверг, пятницу и субботу, когда работаем с явлениями дифракции и интерференции?» Выход из этой ситуации был найден следующий. Во-первых, электромагнитное излучение и его разновидность свет – это более сложный объект нашего мира, чем волна или корпускула. Во-вторых, нужна синтетезированная теория, объединяющая в себе и волновую, и корпускулярную теории. Она была создана и получила название квантовой физики.

     Очень важно, что квантовая физика не отвергает ни корпускулярную, ни волновую теории. Каждая из них имеет свои преимущества и свой, достаточно развитый математический аппарат.

     Свет – диалектическое единство противоположных свойств: он одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и дискретных фотонов.

     При уменьшении длины волны все явственнее проявляются корпускулярные свойства. Волновые свойства коротковолнового излучения проявляются слабо (например, рентгеновское излучение). Наоборот, у длинноволнового (инфракрасного) излучения квантовые свойства проявляются слабо.

Эволюция представлений строения атома

• Покажите на примерах открытий в физике XIX—XX вв., как эволюционировали представления о строения атома.
• Назовите модели сложного строения атома. Охарактеризуйте их достоинства и недостатки.

К началу XVIII в. атомистическая теория приобрела большую популярность, так как к этому времени в работах Антуан Лоран Лавуазье, Ломоносова Михаила Васильевича и Джона Дальтона была доказана реальность существования атомов. Однако вопрос о внутреннем строении атомов в это время даже не возникал, так как атомы по-прежнему считались неделимыми.

Большую роль в дальнейшем развитии атомистической теории сыграл Менделеев Дмитрий Иванович, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в. было экспериментально доказано, что электрон является одной из основных составных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. серьезно встал вопрос о строении атома.

В 1897 году Джозеф Джон Томпсон открыл электроны и предложил первую модель атома, представив атом как положительно заряженный сгусток материи, в который вкраплено столько электронов, что превращает его в электрически нейтральное образование (рис. 2). Положительно заряженных частиц внутри атома модель Томсона не предполагала. После открытия испускания положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами его модель была признана неверной.

В 1911 г. английским физиком Эрнестом Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах была обнаружена положительно заряженная часть атома. При прохождении пучка параллельных лучей сквозь слои газа или тонкую металлическую пластинку происходит рассеяние альфа-частиц, т.е. отклонение их от первоначального пути. Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое число частиц (примерно одна из нескольких тысяч), которые отклоняются очень сильно. Некоторые частицы отбрасываются назад, как если бы на пути встретилась непроницаемая преграда. Исходя из этих опытов, Резерфорд предложил следующую схему строения атома.

В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Поскольку масса электрона ничтожна мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, число которых сравнительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой.

Предложенная Резерфордом планетарная модель атома, легко объясняет явления отклонения альфа-частиц. Действительно, размеры ядра и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов, поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда альфа-частица очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяния альфа-частиц положило начало ядерной теории атома.

• Учёные, внесшие вклад в развитие строения атома
• 

  Джозеф Джон Томпсон

• Модель атома Джозефа Томпсона

  Модель атома Джозефа Томпсона

• 

  Эрнест Резерфорд

• 

  Планетарная модель атома Резерфорда

Явления интерференции и дифракции света

• Из курса естествознания 10 класса вспомните, как физические явления интерференции и дифракции доказывают двойственную природу частиц микромира.

Интерференция – это одно из наиболее ярких проявлений волновой природы света. Мы можем наблюдать такое интересное и красивое явление, если наложить друг на друга 2 2 или более световых пучков. В месте перекрывания пучков интенсивность волны света обладает характером чередующихся светлых и темных полос, при этом в точках максимумов интенсивность больше, а в точках минимумов меньше суммы интенсивностей пучков.

Дифракция – явление отклонения световых волн от прямолинейного распространения при прохождении света мимо края препятствия. При этом лучи могут попадать в область геометрической тени от препятствия.

Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате наложения волн.

• Интерференция света
• 

  Интерференция света — опыт Юнга

• 

  Интерференция света на примере мыльного пузыря

• 

  Дифракция лазерного луча с длиной волны 650 нм, прошедшего через отверстие диаметром 0,2 мм

Внимание, недостоверная информация в разделе! В данном разделе недостоверная информация, так как она не соответствует законам логики и научному методу. Вопросы, комментарии можно оставить на странице обсуждения. {{{описание3}}}

Двойственность эффектов интерференции и дифракции заключается в том, частицы света фотон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, т.е. является и волной и частицей.

Свойства изотопов

• Объясните, почему свойства различных изотопов одного и того же элемента идентичны, хотя их относительная атомная масса различна.

Изотопы – разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название «изотопы» было предложено в 1912 английским радиохимиком Фредериком Содди, который образовал его из двух греческих слов: isos – одинаковый и topos – место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева.

Атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Положение химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопами называются поэтому разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Фредерика Содди, атомы изотопов одинаковы «снаружи», но различны «внутри».

Электронная оболочка, уровень электрона и электронное облако

• Дайте определения понятий: «электронная оболочка атома», «энергетический уровень электрона», «электронное облако (орбиталь)».

Электронная оболочка атома – это совокупность всех электронов в данном атоме.

Энергетический уровень электрона – совокупность орбиталей, которые имеют одинаковое значение главного квантового числа.

Электронное облако (орбиталь) – часть атомного пространства, в которой вероятность нахождения электрона наибольшая.

Схемы распределения электронов углерода, фосфора и калия

• Запишите схемы распределения электронов по энергетическим уровням для атомов элементов, имеющих в Периодической системе порядковые номера 6, 15, 20.

Под порядковыми номерами 6, 15, 20 в периодической таблице Менделеева мы имеем следующие химические элементы: углерод (${\ce {C}}$), фосфор (${\ce {P}}$) и калий (${\ce {K}}$) соотвественно. Они имеют следующие схемы распределения электронов по энергетическим уровням:

• 

  углерод (${\ce {C}}$)

• 

  фосфор (${\ce {P}}$)

• 

  калий (${\ce {K}}$)

• Прочитайте отрывок из стихотворения В. Брюсова «Мир электрона» и проанализируйте его с точки зрения «физиков» и «лириков».

Быть может, эти электроны —
Миры, где пять материков,
Искусства, званья, войны, троны
И память сорока веков!
Ещё, быть может, каждый атом —
Вселенная, где сто планет;
Там — всё, что здесь, в объёме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

В данном стихотворении с точки зрения физиков отображена планетарная система атома, выраженная стихотворным образом, проводя параллель нашей солнечной системы.

Темы для рефератов

• Открытия, в результате которых было доказано сложное строение атома.
• Сравнительная характеристика моделей атома Дж. Томсона, Э. Резерфорда и Н. Бора.
• Жизнь и научная деятельность Д. Д. Иваненко.
• Вклад в науку нобелевского лауреата В. Гейзенберга.