Бор постулаттарын оқыту әдістемесі

1913 жылы Н.Бор энергияның квантталуы туралы Планктің идеясын ескере отырып, Резерфорд атомының моделі негізінде сутек тәріздес атомдарға өзінің теориясын жасады.

Бұл атомның бірінші кванттық моделі болып табылады. Осы теорияға сәйкес атом құрылысының қасиеттері және спектрлері оңай түсіндірілетінін оқушыларға айту қажет.

Бордың бірінші постулаты. Атом ерекше стационар күйде ғана бола алады және әрбір стационар күйге белгілі бір энергия сәйкес келеді. Стационар күйде атом энергия шығармайды. Бұл постулатты оқушыларға түсіндіру керек. Атом энергиясы квантталады, яғни тек қана дискрет мәндерді қабылдай алады. Электрон ядроға жақын орбитада орналасқанда ғана атом ең аз энергия мәнін қабылдайды. Электрон стационар орбиталарда қозғалғанда атом энергия шығармайды. Электрон жоғары орбитадан төменгі орбитаға өткенде атом энергия шығарады, керісінше төменнен жоғарыға өткенде энергия жұтады.

Оқушылар бірінші постулатты жақсы түсінген болса, екінші постулатты оңай түсінеді.

Бордың екінші постулаты. Бір стационар орбитадан екінші стационар орбитаға көшкенде атом бір фотон шығарады немесе жұтады, фотонның энергиясы

Е_m - атом энергиясының бастапқы мәні, Е_n - ақырғы мәні. v –жұтылған, шығарылған жарық жиілігі, - Планк тұрақтысы. Электрон жоғарғы орбитадан төменгі орбитаға өткенде атомның бір фотон шығарылатынын, төменгі орбитадан жоғарыға өткенде бір фотон жұтылатынын оқушыларға түсіндіру керек. Бордың екінші постулаты Планк тағайындаған, Эйнштейн дамытқан сәуле шығарудың кванттық сипатын дәлелдейді.

Бор теориясын түсіндіру барысында мынадай сұрақ туындайды. Бордың екінші постулатын оқушыларға түсіндіру қажет пе?

Механикадан оқушылар импульс моментін өтпейді. Біраз әдіскерлер оны түсіндірудің қажеті жоқ деп есептейді. Шын мәнісінде Бордың екінші постулаты орбиталардың кватталу ережесін көрсетеді, мұнсыз стационар күйдегі энергиялардың мәндерін есептеуге болмайды. Сондықтан да оқушыларға сутегі атомы және оның спектрі түсінікті болу үшін Бордың екінші постулатын айту керек.

Бордың екінші постулаты мектепте оқушыларға мынадай негізде түсіндіріледі.

Борға стационар күйдегі атомның энергиясын анықтау үшін, рұқсат етілген орбиталардың радиусын табу қажет болды. Ол үшін квантталу ережесін білу керек. Бұны қорыту үшін мынадай ұйғарым жасалады: кез-келген физикалық шама Планк тұрақтысына еселі болу керек.

Планк тұрақтысының өлшем бірлігі Дж ^. с, механикада мұндай өлшем бірлігі бар шама деп айтылады (сонда импульс моменті туралы түсінікті енгізбеуге болады). Олай болса, мынадай теңдік орындалады.

немесе

т -электрон массасы, - электронның орбита бойымен қозғалу жылдамдығы,

r -электрон орбитасының радиусы.

Осыдан кейін Бор постулаттары сутегі атомының құрылысын түсіндіру үшін қолданылады.

Сутегі атомының стационар күйдегі энергиясының формуласы.

Бұл формуланы талдағанда энергияның бас кванттық санның квадратына (п ²) тәуелді екендігін айту керек және энергияның теріс шама болғаны электронның ядроға тартылуына сәйкес екендігін айту керек. Сутегі атомының бірінші (негізгі) деңгейіне сәйкес энергиясын есептеп көрсету қажет.

,

эВ.

Сол сияқты екінші, үшінші, төртінші деңгейлерге сәйкес энергия мәндері.

эВ,

эВ,

эВ.

Атом энергиясы ұмтылғанда нольге ұмтылады. Бұл сутегі атомының деңгейлерін диаграммада көрсетуге мүмкіндік береді. Кванттық сан п артқан сайын деңгейлер арасы кеми береді де, деңгейлердің дискреттілігі «жойылады» да, квази үздіксіздік пайда болады. Сөйтіп п -нің үлкен мәнінде системаның күйін классикалық теориямен сипаттағанмен бірдей болады. Дегенмен, осы теория сутегі атомының құрылысы мен спектрін өз дәрежесінде түсіндіруге мүмкіндік береді.

Лекция 15

Тақырыбы: Сызықтық спектрлер туралы түсіндіру. Оқытудың озық әдістерін атомның құрылысын оқытуда қолдану.

 

Сызықтық спектрлер заңдылықтары Бор теориясына дейін белгілі болғанмен, Бор теориясы арқылы түсіндіру тереңірек болады.

Бүл тақырыпты түсіндіру үшін тәжірибе көрсетуден бастаған дұрыс. Егер газ арқылы электр разрядын өткізсе, онда ол жарқылдайды. Оқушыларға сутегі толтырылған жарық шығаратын лампаны спектроскоп немесе дифракциялық решетка арқылы көрсету керек. Сонда спектрдің көрінетін бөлігінде жарық спектрлік сызықтарды қызыл, көгілдір, көк, күлгін түстерді көреді. Неон және гелиймен толтырылған лампалар басқа да сызықтық спектрлерді береді.

Осыдан кейін сызықтық спектрлердің шығуын түсіндіреді. Бор теориясы тұрғысынан қарағанда сутегі атомдары энергия алғаннан соң қозады, яғни валенттік электрондар негізгі (бірінші) энергетикалық деңгейден одан жоғарырақ деңгейге өтеді. Тәжірибелер нәтижесі, атомның қозған күйінде көп бола алмайтынын, электрон жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгі энергетикалық деңгейге өздігінен өтетінін, сонда жиілігі белгілі фотон шығаратынын көрсетті.

, m>n.

Сутегі атомының спектрін оқушыларға былай түсіндіреді. Жоғарғы бір энергетикалық деңгейдегі электрон тек қана негізгі деңгейге емес, одан да төмен деңгейлерге өте алады. Мысалы, төртінші энергетикалық деңгейдегі электрон үшіншіге, екіншіге, біріншіге немесе бірден екіншіге немесе біріншіге өте алады. Осының нәтижесінде сутегі атомы әр түрлі белгілі жиіліктегі фотондар шығарады.

Оқушыларға бұл тақырыпты бекіту мақсатында мынадай тапсырма беріледі. Сутегінің қозған атомы, егер электрон төртінші энергетикалық деңгейде болса, әр-түрлі қанша фотон шығаратынын есептеу керек. Сыныптағы оқушылардың басым бөлігінің есептегіш калькуляторлары болса,

онда сәуле шығарудың жиілігін есептетуге бол

Алдын-ала есептеледі.

Есептеулер сутегі спектрінің толқын ұзындықтары 410, 434, 484, 656 нм жақсы көрінетін сызықтары электронның үшінші, төртінші, бесінші және алтыншы энергетикалық деңгейлерден екінші энергетикалық деңгейге өту нәтижесінде пайда болатынын көрсетеді. Оқушыларда калькулятор болса, бұл есептеулер Бор теориясының эвристикалық және сенімді дәлелдеулерін көрсетеді.

Бұл материалды түсіндіру барысында оқушыларға сутегі атомы спектрінің көрінетін бөлігінде сәуле шығарудың жиілігін швейцар мұғалімі Бальмер мынадай заңдылыққа бағынатынын анықтаған.

, m>2, .

Жоғарыдағы формулаларды салыстыру n=2 болғанда екеуі бір-біріне сәйкес келетінін көрсетеді. Олай болса, Бальмердің эмпирикалық формуласы Бор теориясымен жақсы түсіндірілетінін оқушыларға айту керек.

Сутегі атомының спектрінде белгілі сызықтардан басқа да бірнеше спектрлік сызықтар сериясы бар екенін көрсетуге болады. Лайман сериясы.

, m=2, 3, 4,...

Пашен сериясы m=5, 6, 7,...

Бұл спектрлік сызықтар спектрдің ультракүлгін және инфрақызыл бөлігінен табылған. Осыдан соң әр түрлі газдардың сызықтық спектрлері неліктен әр түрлі болатындығын түсіндіру керек. Бор теориясы әр түрлі атомдардың энергетикалық деңгейлерін есептеуге мүмкіндік бермегенмен, бұл сұрақта иондалған гелий атомдары мен екі рет иондалған литий атомдарының, яғни сутегі тектес атомдардың спектрлерін қарастыру арқылы түсіндіруге болады.

Егер әр түрлі газдардың энергетикалық деңгейлері әр түрлі болса, онда шығарылған сәулелердің жиіліктері әр түрлі болады.

Сондықтан газ күйіндегі әрбір зат атомының өздеріне тән жиіліктер жиыны болады.

Егер оқушылар мұны жақсы түсінсе, оларға спектрлік анализді түсіну қиынға соқпайды.