СВОЙСТВА ГАЗОВ, ЖИДКОСТЕЙ, ТВЕРДЫХ ТЕЛ*
Урок № 2
Тема. Опытное подтверждение атомистической строения веществ
Цель: ознакомить учащихся с фундаментальными исследованиями о атомістичну строение тел, привить любовь к развития экспериментальной физики.
Оборудование: портреты Броуна, А. Эйнштейна, Перрена, фотографии крупных молекул.
Межпредметные связи: биология, химия.
План урока
1. Трудности, которые возникли в науке относительно анатомического строения веществ.
2. Броуновское движение.
3. Теоретическое объяснение количественной теории броуновского движения.
4. Значение опытов в науке относительно подтверждения атомистической строения веществ.
ХОД УРОКА
I. Актуализация опорных знаний
Учитель сосредотачивает внимание учащихся на воспроизведении материала предыдущего урока.
1. Как представляли древние философы строение веществ?
2. Из каких четырех сущностей складывались вещества?
3. Кто является основоположником материалистического взгляда на анатомическое строение материи?
4. Идеальная основа мира с геометрических фигур Платона.
II. Изучение нового материала
1. Исходные факты названной проблемы, которые возникли в начале XX в. Фундаментальные опыты Жана Батиста Перрена о атомістичну строение веществ.
За 400 лет до н. э. древнегреческий философ Демокрит выдвинул идею, что все вещества состоят из атомов - мельчайших неделимых частиц. Но дело в том, что никто этих атомов (частиц) не видел, не слышал и не чувствовал, поэтому возникли споры между учеными, которые предлагали различные теории о строении веществ. Трудности заключались в том, что ни один из взглядов доказать было невозможно.
Прошло более 2000 лет. Вплоть до эпохи Возрождения ученые не занимались строением веществ, потому царил культ духовенства, которое запретило заниматься наукой.
2. В 1827 г. английский ботаник Р. Броун наблюдал под микроскопом маленькие частицы (цветочной пыльцы), взвешенные в воде. Можно было видеть, что они совсем не падают вертикально, а движутся довольно быстро и хаотично. Такие частицы двигались то туда, то сюда, крутились, поднимались вверх, опускались снова, совсем не стремясь покоя. Броун использовал ахроматический объектив для наблюдения за взвешенными в воде маленькими частицами. Наблюдая за ними, он обнаружил, что частицы непрерывно и хаотически движутся. Дальнейшие исследования броуновского движения направлялись на объяснение природы этого явления. Отмечалось, что броуновское движение универсальный, то есть присущ всем веществам, которые находятся во взвешенном состоянии в жидкости. Интенсивность движения частиц не зависит от внешних обстоятельств.
3. Исследованием А. Эйнштейна, а также М. Смолуковського был объяснен механизм броуновского движения и установлены количественные закономерности. Этот результат теоретической труда открывал возможности для экспериментальной проверки молекулярно-кинетической теории. Если бы удалось обнаружить, что вычисленное на основе формулы Эйнштейна-Смолуковського число Авогадро совпадало с ранее изобретенным, то молекулярно-кинематическая гипотеза броуновского движения приобрела бы убедительного доказательства. Исследования выдающегося французского физика Ж. Перрена вполне убедило даже противников кинетической теории в реальности атомов и молекул.
Анализируя закономерности МКТ во время разработки модели эксперимента для исследования броуновского движения, Же. Перрен пришел к выводу, что они справедливы как для молекул, так и для броуновских частиц, которые можно рассматривать как очень большие молекулы. Ж. Перрен, проверяя теорию броуновского движения Эйнштейна-Смолуковського, высказал окончательную гипотезу: молекулы хаотично движутся, сталкиваются с броунівською частицей, изменяют направление и модуль скорости ее движения. Число молекул, которые ударяют частицу с разных сторон, и направление импульса, которые передаются дольке во время удара, непостоянны.
Согласно выдвинутой гипотезе, частицы, зависли в жидкости, постоянно и хаотично движутся. Причем если распределение частиц эмульсии определяется газовыми законами, то их распределение должно подчиняться тому же закону, что и молекулы газов в поле земного тяготения, то есть барометричній формуле.
Чтобы такое объяснение броуновского движения было убедительным, необходимо было неопровержимо доказать соответствие наблюдаемых перемещений броуновских частиц и их скоростей с тем, что предусматривала МКТ. Тогда можно было бы считать установленной не только причину явления, но и то, что это явление является экспериментальным подтверждением основных положений молекулярно-кинетической теории. Для этого нужно было выполнить наблюдения броуновского движения мельчайших частиц, взвешенных в жидкости; количественное исследование распределения броуновских частиц; измерения постоянной Авогадра.
Серия соответствующих экспериментов проводилась Же. Перреном в 1906-1908 гг. Для этого была подготовлена необходимая эмульсия спиртового раствора смолы с гумілату или мостики в воде. Предварительно эмульсию подвергали многократному центрифугуванню, чтобы получить смесь, которая состояла из очень маленьких зернышек одинакового размера. Капелька такой эмульсии помещался в плоскую кювету глубиной 1 мм, которая плотно закрывалась покровным стеклом. Кювета располагалась вертикально, что давало возможность наблюдать взвешенные частицы гумілату в разных слоях эмульсии толщиной до микрона. Располагая микроскоп горизонтально, можно было следить за распределением частиц в эмульсии в зависимости от высоты. Визуальные наблюдения и фотоснимки позволили подсчитать частицы смолы гумілату на разных слоях вертикально размещенной кюветы. Чтобы избежать случайности, для каждого слоя принимали среднее значение из нескольких тысяч измерений, применяя при этом барометричну формулу. Перрен смог вычислить количество молекул, которая содержалась в 1 моле любого газа, то есть число Авогадро, которое мало отличалось от значений определенного другими способами. Следующим этапом исследования было количественное определение константы NA, полученной из наблюдений за частицами эмульсии и вычислений на основе броуновского движения Эйнштейна-Смулоховського. Ж. Перрен отмечал через равные промежутки времени (t = 30 с) последовательные положения броуновской частицы в поле зрения микроскопа и соединял эти положения прямолинейным отрезком. На этом рисунке легко измерить проекции рассматриваемых перемещений броуновской частицы. После этого можно вычислить значение среднего квадрата смещения и найти число Авогадро.
Вычисленные значения числа Авогадро по барометрической формуле и определены путем теоретических рассуждений (теория броуновского движения Эйнштейна-Смулоховського) были почти одинаковыми.
Это позволило Перрену сделать вывод, что совпадение значений числа Авогадро, вычисленных теоретически и полученных экспериментально, подтверждает модель броуновского движения, основанную на гипотезе о реальности существования молекул и их хаотического движения.
Итак, данные эксперимента позволяли Перрену определить число Авогадро, постоянная Больцмана, а впоследствии - заряд электрона, т.е. дали возможность установить природу броуновского движения, взвесить атомы, определить разнообразные молекулярные константы.
Опыты Перрена подтвердили справедливость теории Эйнштейна. Это было особенно важным, потому что сделанное ранее сообщение французского физика В. Анри о проверке теории броуновского движения методом кинематографических снимков не подтверждало выводов Эйнштейна. Большинство физиков предполагала, что теория Эйнштейна является необоснованной гипотезой. Общий вывод из своих опытов Перрен сформулировал так: « МКТ подтверждалась во время детальной проверки, проведенной путем изучения распределения зерен и изучение их движения».
Эксперименты Перрена подтвердили представление о реальности атомов и молекул, ведь в то время много выдающихся ученых считали их существования фантазией, а МКТ антинаучной. Причиной такого мнения было то, что атомы и молекулы были недоступны для восприятия, то есть считались «нечуттєвими» частицами. Увидеть, а тем более измерить их было невозможно, и поэтому считалось, что им не место в науке, которая имеет дело только с установленными фактами. Научные заслуги Перрена получили признание: ученый был избран действительным членом Парижской Академии наук (1923 p.), а в 1926 г. награжден Нобелевской премией «за труды дискретной структуры материи», за то, что он одним из первых проложил дорогу в таинственный мир атомов.
Лишь в 1974 г. с помощью электронного микроскопа были получены фотографии отдельных атомов и молекул, что стало самым убедительным доказательством их существования.
III. Закрепление изученного материала
Вопросы к классу:
Что изучили сегодня на уроке?
IV. Домашнее задание
Проработать материал.
Привести примеры физических явлений, подтверждающие атомно-молекулярное строение веществ.