Doświadczenie Rutherforda

Zagadnienia

• Jądra atomowe
• Struktura atomowa
• Mechanika kwantowa

Opis

Jak Rutherford poznał strukturę atomu, nie mogąc go zobaczyć? Symulacja dotyczy słynnego eksperymentu, w którym obalono hipotezę budowy materii – model ciasta z rodzynkami. Dzięki obserwacji cząstek alfa rozpraszanych na atomach Rutherford ustalił, że atomy muszą mieć bardzo mały rdzeń.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Hanson, sierpień 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Opisz jakościową różnicę pomiędzy rozpraszaniem na dodatnio naładowanym jądrze i elektrycznie obojętnym atomie ciasta z rodzynkami.
• Dla jądra naładowanego opisz jakościowo jak kąt odchylenia zależy od: energii nadlatującej cząstki, parametru zderzenia, ładunku celu.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Doświadczenie Rutherforda (ZPE)
• Odkrycie jądra atomowego i elektronów (Khan Academy)
• Eksperyment Rutherforda (Wikipedia)
• Jak definiujemy jądro atomowe? (ZPE)
• Współczesny opis budowy atomu (ZPE)
• Doświadczenie Rutheforda (rutherford.pl)

Sterowanie symulacją

Ekran Atom Rutherforda (link bezpośredni)

Widok atomu

Obserwuj zachowanie cząstek alfa podczas ich przemieszczania się przez cienką warstwę atomów.

Widok jądra

Zbadaj, co powoduje odchylenie cząstki alfa, gdy zbliża się ona do jądra atomu.

Ekran Atom ciasto z rodzynkami (link bezpośredni)

Zbadaj oczekiwane zachowanie cząstek alfa w oparciu o model atomu Thomsona, który sugerował, że atom składa się z substancji o rozproszonym ładunku dodatnim, z osadzonymi ujemnie naładowanymi elektronami.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Doświadczenie Rutherforda chcesz zmienić kolejność ekranów (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/rutherford-scattering_all.html?screens=2,1&initialScreen=2

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/rutherford-scattering_all.html?locale=pl&screens=2,1&initialScreen=2

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje lub Opcje... w symulacji.

Parametr query i opis	Przykładowe linki
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=2
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
colorProfile - zmienia kolory symulacji dla łatwiejszej projekcji. Pole wyboru dostępne także w menu PhET w obszarze Opcje > Tryb projektora.	colorProfile=projector
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

Tryb projektora i tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Klikając Opcje… w pojawiającym się oknie możemy zaznaczyć Tryb projektora, aby ułatwić projekcję. Następuje wtedy odwrócenie kolorów, tak jak na zrzucie ekranu poniżej.

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Uproszczenia modelu

• Domyślna liczba protonów i neutronów jest ustawiona tak, aby odpowiadała najpopularniejszemu izotopowi złota.
• Na ekranie Atom Rutherforda widok jądra pokazuje tylko niewielką część powierzchni atomu. Liczba odchyleń cząstek alfa jest większa niż obserwowana eksperymentalnie.
• Widok atomu na ekranie Atom Rutherforda ma pomóc uczniom zobaczyć, że większość cząstek alfa przechodzi przez cienką warstwę atomów bez odchylenia. Jednak liczba cząstek alfa, które odchylają się w symulacji, jest większa niż obserwowana eksperymentalnie.
• Na ekranie Atom ciasto z rodzynkami rozproszony ładunek dodatni jest pokazany jako amorficzna czerwona plama. Kolor czerwony został użyty do wskazania ładunku dodatniego. Elektrony są rozmieszczone równomiernie w całym atomie, co powoduje, że większość jego części nie ma ładunku. Dlatego nie obserwuje się odchylenia cząstki alfa. Dla uproszczenia obliczeń zdecydowaliśmy się nie pokazywać ugięć ze względu na małą niejednorodność rozkładu ładunku.
• Dla zachowania spójności cząstki alfa modeluje się jako dwa protony i dwa neutrony zarówno na ekranach Atom Rutherforda, jak i Atom ciasto z rodzynkami, pomimo faktu, że protony i neutrony nie są częścią modelu atomu Thomsona (Ciasto z rodzynkami).

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Zidentyfikuj czynniki, które zmieniają ugięcie cząstek alfa. Wyjaśnij, dlaczego te czynniki wpływają na odchylenie cząstek alfa.
• Opisz zachowanie cząstek alfa na ekranie Atom ciasto z rodzynkami. Dlaczego można oczekiwać właśnie takiego zachowania cząstek alfa?
• Opisz dwa ważne wyniki eksperymentu Rutherforda i wyjaśnij, w jaki sposób dane te zostały wykorzystane do opracowania nowego modelu atomu.
• Oblicz stosunek kątów odchylenia dla cząstek alfa zbliżających się pod różnymi kątami i sprawdź, czy jest on zgodny ze wzorem na rozpraszanie Rutherforda.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Doświadczenie Rutherforda tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).