Phân dạng và phương pháp giải bài tập vật lý nguyên tử và hạt nhân

  • Số trang: 66 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 111 |
  • Lượt tải: 2
minhtuan

Đã đăng 15929 tài liệu

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ PHÂN DẠNG VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN Luận văn tốt nghiệp Ngành: Sư phạm Vật Lý - Tin Học GV hướng dẫn: GVC Hoàng Xuân Dinh Sinh viên thực hiện: HỒ THỊ NẤM Lớp: SP. VẬT LÝ -TIN HỌC K34 Mã số SV: 1080285 Cần Thơ, tháng 5/2012 Mục lục PHẦN MỞ ĐẦU............................................................................................................. 5 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................... 7 1.1 Cơ sở lý luận của bài tập vật lý. ........................................................................... 7 1.1.1 Khái niệm về bài tập vật lý. ............................................................................. 7 1.1.2 Vai trò và tác dụng của bài tập vật lý. .............................................................. 7 1.2 Phân loại bài tập vật lý......................................................................................... 8 1.2.1 Phân loại theo nội dung.................................................................................... 8 1.2.2 Phân loại theo cách giải. .................................................................................. 8 1.2.3 Phân loại theo mức nhận thức. ......................................................................... 9 1.3 Cơ sở định hướng của bài tập vật lý....................................................................10 1.3.1 Hoạt động giải bài tập vật lý. ..........................................................................10 1.3.2 Phương pháp giải bài tập vật lý. ......................................................................11 1.3.3 Các bước chung giải bài tập vật lý. .................................................................11 1.3.4 Kết luận ..........................................................................................................12 CHƯƠNG 2: 2.1 MẪU NGUYÊN TỬ THEO LÝ THUYẾT CỔ ĐIỂN.........................13 Tóm tắt công thức...............................................................................................13 2.2 Phân dạng bài tập................................................................................................13 2.2.1 Dạng: Thuyết nguyên tử của Bo (nguyên tử Hidro).........................................13 CHƯƠNG 3: 3.1 CƠ HỌC LƯỢNG TỬ ........................................................................21 Tóm tắt công thức...............................................................................................21 3.2 Phân dạng bài tập................................................................................................22 3.2.1 Dạng 1: Sóng Đơbrơi ......................................................................................22 3.2.2 Dạng 2: Hệ thức bất định Haizenbec...............................................................27 3.2.3 Dạng 3: Hạt trong hố thế.................................................................................29 CHƯƠNG 4: 4.1 CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ THEO LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ..........35 Tóm tắt công thức...............................................................................................35 4.2 Phân dạng bài tập................................................................................................38 4.2.1 Dạng 1: Moment quỹ đạo, từ tính, cộng moment, và moment toàn phần của electron ......................................................................................................................38 4.2.2 Dạng 2: Cấu hình electron...............................................................................42 CHƯƠNG 5: CẤU TRÚC HẠT NHÂN ...................................................................44 5.1 Tóm tắt công thức...............................................................................................44 5.2 Phân dạng bài tập................................................................................................44 5.2.1 Dạng: Cấu tạo, kích thước, năng lượng liên kết của hạt nhân. .........................44 CHƯƠNG 6: 6.1 PHÓNG XẠ........................................................................................49 Tóm tắt công thức...............................................................................................49 6.2 Phân dạng bài tập................................................................................................49 6.2.1 Dạng 1: Phân rã phóng xạ ...............................................................................49 6.2.2 Dạng 2: Xác định tuổi của mẫu vật .................................................................57 CHƯƠNG 7: 7.1 PHẢN ỨNG HẠT NHÂN...................................................................60 Tóm tắt công thức...............................................................................................60 7.2 Phân dạng bài tập................................................................................................60 7.2.1 Dạng: Bài tập về phản ứng hạt nhân ( phản ứng thu – tỏa năng lượng)............60 PHẦN KẾT LUẬN ........................................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................................66 LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Cần Thơ đã đào tạo tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Hoàng Xuân Dinh, thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành tốt luận văn này. Thầy đã giúp tôi định hướng được mục tiêu của đề tài, chỉ dạy cho tôi biết cách diễn giải một bài toán vật lý, cách thức trình bày bài luận. Ngoài ra, thầy đã dành nhiều thời gian chỉnh sửa từng câu từng chữ trong bài viết, giải đáp kịp thời các vướng mắc trong quá trình tôi thực hiện đề tài sao cho luận văn của tôi hoàn thành kịp tiến độ và hoàn thiện nhất. Xin chân thành cảm ơn những tác giả của các tài liệu, đã cung cấp nguồn thông tin chính xác, hỗ trợ tôi thực hiện tốt đề tài và giúp tôi mở mang được nhiều kiến thức mới. Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè đã luôn đồng hành trong suốt những năm vừa qua. Cuối cùng tôi xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công đến tất cả mọi người. Do còn thiếu kĩ năng, kinh nghiệm nên không thể tránh được các sai sót dù đã cố gắng nhiều. Vì vậy, tôi rất mong quý thầy cô và các độc PHẦN MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong quá trình học tập môn vật lý, mục tiêu chính của người học môn này là việc học tập những kiến thức về lý thuyết, hiểu và vận dụng được các lý thuyết chung của vật lý vào những lĩnh vực cụ thể, một trong những lĩnh vực đó là việc giải bài tập vật lý. Bài tập vật lý có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình nhận thức và phát triển năng lực tư duy của người học, giúp cho người học ôn tập, đào sâu, mở rộng kiến thức, rèn luyện, kỹ năng, kỹ xảo, ứng dụng vật lý vào thực hiện, phát triển tư duy sáng tạo. Bài tập vật lý rất phong phú và đa dạng, mà một trong những kỹ năng của người học vật lý là phải giải được bài tập vật lý. Để làm được điều đó người học phải nắm vững được công thức, lý thuyết, biết vận dụng công thức, lý thuyết vào từng loại bài tập và phải biết phân loại từng dạng bài tập cụ thể, có như vậy thì việc áp dụng công thức, lý thuyết vào việc giải bài tập sẽ dễ dàng hơn. Đối với môn học vật lý nguyên tử và hạt nhân tuy là một môn học quen thuộc, không quá khó để tiếp cận nó nhưng để học tốt nó không phải dễ vì để vận dụng những lý thuyết chung, những công thức vào một bài tập cụ thể ta phải biết bài tập đó thuộc dạng bài tập nào, loại bài tập gì và phải vận dụng những kiến thức lý thuyết nào để giải được và giải như thế nào cho tốt nhất. Ngoài ra, vật lý nguyên tử và hạt nhân có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi giải một số dạng bài tập ta có thể xác định được tuổi của trái đất, của đá, gỗ.... Với mục đích giúp học sinh hiểu rõ hơn về ý nghĩa của môn học, và sinh viên có thể định hướng tốt hơn về bài tập vật lý nguyên tử và hạt nhân để có thể áp dụng lý thuyết chung, các công thức vào việc giải từng bài tập cụ thể và thu được kết quả tốt nên tôi chọn đề tài: “Phân dạng và phương pháp giải bài tập vật lý nguyên tử và hạt nhân”. 2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Nội dung phần vật lý nguyên tử và hạt nhân. Bài tập vật lý nguyên tử và hạt nhân. 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Vận dụng các công thức, lý thuyết để giải bài tập vật lý nguyên tử và hạt nhân nhằm nâng cao khả năng nhận thức của bản thân. Phân loại bài tập theo từng dạng. Tìm phương pháp giải bài tập phù hợp. 4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Hệ thống, khái quát những kiến thức cơ bản về vật lý nguyên tử và hạt nhân. Phân dạng, nêu và đưa ra một số bài tập mẫu và bài tập vận dụng để thuận tiện cho việc học tập môn vật lý nguyên tử và hạt nhân và làm tư liệu tham khảo sau này. 5. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Nếu phân loại được các bài tập thành các dạng tổng quát thì tìm được phương pháp giải tổng quát cho loại đó. 6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp đọc sách và tham khảo tài liệu. Phương pháp hỏi ý kiến của giáo viên. Phương pháp toán học. 7. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Do thời gian và nhiều nguyên nhân khách quan khác nên chúng tôi chỉ nghiên cứu các chương: “Mẫu nguyên tử theo lý thuyết cổ điển”, “cơ học lượng tử”, “cấu trúc nguyên tử theo lý thuyết lượng tử”, “cấu trúc hạt nhân”, “phóng xạ” và “phản ứng hạt nhân”. 8. ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI Thông qua đề tài này giúp tôi rèn luyện thêm về kỷ năng giải bài tập và áp dụng công thức vào những bài tập cụ thể. Giúp tôi có cái nhìn tổng quát hơn về bài tập vật lý nguyên tử và hạt nhân, từ đó tăng cường hứng thú học tập cho học sinh, sinh viên về phần vật lý nguyên tử và hạt nhân. Có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học sinh học vật lý. Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Cơ sở lý luận của bài tập vật lý. 1.1.1 Khái niệm về bài tập vật lý. Bài tập vật lý là một yêu cầu đặt ra cho người học, được người học giải quyết dựa trên các lập luận logic, nhờ các phép tính toán, các thí nghiệm, dựa trên những kiến thức về khái niệm, định luật và các lý thuyết vật lý. 1.1.2 Vai trò và tác dụng của bài tập vật lý. Xét về mặt phát triển tính tự lực của người học và nhất là rèn luyện kỷ năng vận dụng kiến thức đã lĩnh hội được thì vai trò của bài tập vật lý trong qúa trình học tập có một giá trị rất lớn. Bài tập vật lý được sử dụng ở nhiều khâu trong quá trình dạy học. - - - - Bài tập là phương tiện nghiên cứu hiện tượng vật lý. Trong quá trình dạy học vật lý, người học được làm quen với bản chất của các hiện tượng vật lý bằng nhiều cách khác nhau như: Kể chuyện, biểu diễn thí nghiệm, làm bài tập thí nghiệm, tiến hành tham quan. Ở đây có tính tích cực của người học, do đó độ sâu và độ vững chắc của kiến thức sẽ lớn nhất khi “tình huống có vấn đề” được tạo ra, trong nhiều trường hợp nhờ tình huống này có thể xuất hiện một kiểu bài tập mà trong quá trình giải người học sẽ phát hiện lại quy luật vật lý chứ không phải tiếp thu quy luật dưới hình thức có sẵn. Bài tập là một phương tiện hình thành các khái niệm. Bằng cách dựa vào các khái niệm hiện có của người học, trong quá trình làm bài tập, ta có thể cho người học phân tích các hiện tượng vật lý đang được nghiên cứu, hình thành các khái niệm về các hiện tượng vật lý và các đại lượng vật lý. Bài tập là một phương tiện phát triển tư duy vật lý cho người học. Việc giải bài tập làm phát triển tư duy logic, sự nhanh trí. Trong quá trình tư duy có sự phân tích và tổng hợp mối liên hệ giữa các hiện tượng, các đại lượng vật lý đặc trưng cho chúng. Bài tập là một phương tiện rèn luyện kỹ năng vận dụng các kiến thức của người học vào thực tiễn. Đối với việc giáo dục kỹ thuật tổng hợp bài tập vật lý có nghĩa rất lớn, những bài tập này là một trong những phương tiện thuận lợi để người học liên hệ lý thuyết với thực hành, học tập với đời sống. Nội dung phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Nội dung của bài tập phải gắn liền với tài liệu thuộc chương trình đang học. + Hiện tượng đang được nghiên cứu phải được áp dụng phổ biến trong thực tiễn. + Bài tập đưa ra phải là những vấn đề gần gũi với thực tế. 1.2 Phân loại bài tập vật lý. Tùy thuộc vào mức độ sử dụng mà ta có nhiều cách phân loại bài tập vật lý khác nhau: Phân loại theo mục đích, phân loại theo nội dung, phân loại theo cách giải, phân loại theo mức độ khó dễ. 1.2.1 Phân loại theo nội dung. Có thể chia làm bốn loại: Bài tập có nội dung lịch sử: Đó là những bài tập chứa đựng những kiến thức có đặc điểm lịch sử, những dữ liệu về thí nghiệm, về những phát minh, sáng chế hoặc những câu chuyện có tính chất lịch sử. Bài tập có nội dung cụ thể và trừu tượng - - Bài tập có nội dung cụ thể là bài tập trong đó dữ liệu của đầu bài là cụ thể và người học có thể tự giải chúng dựa vào những kiến thức cơ bản đã có. Ưu điểm chính của bài tập cụ thể là tính trực quan cao và gắn vào đời sống. Bài tập có nội dung trừu tượng là những bài tập mà những dự liệu đã cho là không cụ thể, nét nổi bật của bài tập trừu tượng là bản chất vật lý được nêu bật lên, nó được tách ra không lẫn lộn với các chi tiết không cơ bản. Bài tập có nội dung theo phân môn: Trong vật lý học người ta phân ra các chuyên nghành nhỏ để nghiên cứu tà bài tập cũng được xếp loại theo các phân môn. Bài tập có nội dung kỹ thuật tổng hợp: Đó là bài tập mà các số liệu, dữ liệu gắn với các số liệu thực tế trong các nghành kỹ thuật, công nghiệp các bài tập này có ứng dụng thực tế. 1.2.2 Phân loại theo cách giải. Có thể chia thành bốn loại: - - Bài tập định tính: Đây là bài tập mà việc giải không đòi hỏi phải làm một phép tính nào hoặc chỉ là những phép tính đơn giản có thể nhẩm được. Muốn giải bài tập này phải dựa vào khái niệm, những định luật vật lý đã học, xây dựng những suy luận logic, để xác lập mối liên hệ dựa vào bản chất của hiện tượng vật lý, rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn cuộc sống, rèn luyện năng lực quan sát, bồi dưỡng tư duy logic. Vì vậy đây là bài tập có giá trị cao, ngày càng được sử dụng nhiều hơn. Bài tập định lượng: Là bài tập mà khi giải nó phải thực hiện một loạt các phép tính và thường được phân ra làm hai loại: bài tập tập dượt và bài tập tổng hợp. + Bài tập tập dược là bài tập tính toán đơn giản, muốn giải chỉ cần vận dụng vào một vài định luật, một vài công thức, loại này giúp củng cố các kiến thức vừa học đồng thời giúp nắm kỷ hơn kiến thức và cách vận dụng nó. + Bài tập tổng hợp là loại bài tập tính toán phức tạp, muốn giải phải vận dung nhiều khái niệm, nhiều công thức, loại này có tác dụng đặc biệt quan trọng trong việc mở rộng , đào sâu kiến thức giữa các phần khác nhau của chương trình, đồng thời nó giúp người học biết tự mình lựa chọn những định luật, công thức cần thiết trong các định luật và các công thức đã học. - Bài tập thí nghiệm: Là loại bài tập đòi hỏi phải làm thí nghiệm thì mới giải được. Những thí nghiệm mà bài tập này đòi hỏi phải được tiến hành ở phòng thí - nghiệm hoặc ở nhà với những dụng cụ đơn giản mà người học có thể tự làm, tự chế. Việc giải bài tập này đòi hỏi phải biết cách tiến hành các thí nghiệm và biết vận dụng các công thức cần thiết để tìm ra kết quả. Loại bài tập này kết hợp được cả tác dụng của các loại bài tập vật lý nói chung và các loại bài tập thí nghiệm thực hành và có tác dụng tăng cường tính tích cực của người học. Bài tập đồ thị: Là loại bài tập trong đó các số liệu được dùng làm dữ liệu để giải phải tìm trong các đồ thị cho trước hoặc ngượi lại. Loại này đòi hỏi người học phải biểu diễn quá trình diễn biến của hiện tượng nêu trong đồ thị. 1.2.3 Phân loại theo mức nhận thức. Các cấp độ nhận biết của Bloom - Biết (knowledge) + Nhớ các sự kiện, khái niệm, định nghĩa, công thức, phương pháp, nguyên lý... - + Biết các điều đặc biệt: kí hiệu, biểu tượng, sự kiện, định nghĩa, biến cố, địa danh hay danh nhân... + Biết các phương cách và phương tiện thông thường để có thể xử lý các nhiệm vụ chuyên môn thông thường: biết các quy ước, chuỗi diễn biến, cách phân loại,các tiêu chuẩn... + Biết các điều tổng quát và trừu tượng trong một lĩnh vực khoa học: Biết các nguên lý và các điều tổng quát hóa, các lý thuyết và cấu trúc... + Gợi ý câu hỏi kiểm tra về biết: Mô tả, phát biểu, liệt kê, nhớ lại, nhận biết, xác định, kể tên... Hiểu (comprehension) + Hiểu các sự việc, sự kiện, các quá trình, các nguyên tắc,định luật , đinh lý... + Diễn giải được. + Tóm tắt được. + Giải thích được. + Gợi ý câu hỏi kiểm tra về hiểu: Giải thích, lý giải, so sánh, hiểu thế nào... hoặc các từ hỏi “tại sao?”, “nghĩa là gì?”.... - Vận dụng (application) + Áp dụng được những khái niệm, nguyên tắc... + Sử dụng kiến thức, kỷ năng vào việc giải quyết các vấn đề đặt ra. + Gợi ý các câu hỏi: Tìm (trong thực tế), chỉ ra, liên hệ, giải thích.... - Phân tích ( analysis) + Nhận biết các ý nghĩa bị che dấu. + Phân tích vấn đề thành các cấu phần và chỉ ra mối liên hệ giữa chúng. + Gợi ý câu hỏi kiểm tra: Phân tích, phân rã, giải thích, kết nối, phân loại, sắp xếp, chia nhỏ, so sánh ... - Tổng hợp (synthesis) + Sử dụng ý tưởng cũ, tạo ra ý tưởng mới. + Khái quát hóa từ các sự kiện đã cho. + Liên kết các vùng kiến thức lại với nhau. + Suy ra các hệ quả. + Gợi ý câu hỏi kiểm tra: tích hợp, thay đổi, sắp xếp lại, tạo ra, thiết kế, tổng quát hóa... - Đánh giá (Evaluation) + So sánh và phân biệt được các khái niệm + Đánh giá được giá trị của lý thuyết. + Chọn lựa được dựa vào các suy luận có lý. - Xác nhận giá trị của căn cứ. + Nhận biết được các tính chất chủ quan. + Gợi ý câu hỏi kiểm tra: Đánh giá, quyết định, xếp loại, kiểm tra, kết luận, tổng quát.... 1.3 Cơ sở định hướng của bài tập vật lý. 1.3.1 Hoạt động giải bài tập vật lý. - Mục tiêu cần đạt tới khi giải một bài tập vật lý là tìm được câu trả lời đúng đắn, giải đáp được vấn đề đặt ra một cách có căn cứ khoa học chặt chẽ. Quá trình giải một bài toán thực chất là tìm hiểu điều kiện của bài toán, xét xem hiện tượng vật lý được đề cập và dựa trên các kiến thức về vật lý, toán để nghĩ tới mối liên hệ có thể của cái đã cho và cái cần tìm sao cho thấy được cái phải tìm có liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với cái đã cho, từ đó đi đến chỉ rõ được mối liên hệ tường minh trực tiếp của cái phải tìm với cái đã biết nghĩa là đã tìm được lời giải đáp cho bài toán đặt ra. - Hoạt động giải bài toán vậ lý có hai phần việc cơ bản quan trọng là: + Việc xác lập các mối liên hệ cơ bản, cụ thể dựa trên sự vận dụng kiến thức vật lý dựa vào điều kiện cụ thể của bài toán đã cho. + Sự tiếp tục luận giải, tính toán đi từ mối liên hệ đã xác lập được đến kết quả cuối cùng của việc giải đáp vấn đề được đặt ra trong bài toán đã cho. - Sự nắm vững lời giải một bài toán vật lý phải thể hiện ở khả năng trả lời được câu hỏi: Việc giải bài toán này cần xác lập được mối liên hệ nào? Sự xác lập các - mối liên hệ cơ bản này dựa trên sự vận dụng kiến thức vật lý nào? Vào điều kiện cụ thể gì của bài toán? Đối với bài tập định tính, ta không phải tính toán phức tạp nhưng vẫn cần phải có suy luận logic từng bước để đi đến kết luận cuối cùng. 1.3.2 Phương pháp giải bài tập vật lý. Xét về tính chất của các thao tác tư duy khi giải các bài tập vật lý người ta thường dùng hai phương pháp sau: 1.3.2.1 Phân tích Theo phương pháp này điểm xuất phát là đại lượng cần tìm. Người giải phải tìm xem đại lượng chưa biết này có liên quan gì với các đại lượng vật lý khác, và khi biết được sự liên hệ này thì biểu diễn nó thành những công thức tương ứng, cứ làm như thế cho tới khi nào biểu diễn được hoàn toàn đại lượng cần tìm bằng những đại lượng đã biết thì bài toán đã được giải xong. Như vậy phương pháp này thực chất là đi phân tích một bài toán phức tạp thành những bài toán đơn giản hơn rồi dựa vào những qui tắc tìm lời giải mà lần lượt giải bài toán này, từ đó đi đến lời giải cho bài toán trên. 1.3.2.2 Tổng hợp Theo phương pháp này suy luận không bắt đầu từ đại lượng cần tìm mà bắt đầu từ các đại lượng đã biết, có nêu trong đề bài. Dùng công thức liên hệ các đại lượng này với các đại lượng đã biết, ta đi dần đến công thức cuối cùng. Nhìn chung, việc giải bài tập vật lý phải dùng chung hai phương pháp phân tích và tổng hợp. Phép giải bắt đầu bằng phân tích các điều kiện của bài toán để hiểu đề bài và phải có sự tổng hợp kèm theo ngay để kiểm tra ngay lại mức độ đúng đắn của các sự phân tích ấy. Muốn lập được kế hoạch giải phải đi sâu phân tích nội dung vật lý của bài tập, tổng hợp những sự kiện đã cho với những quy luật vật lý đã biết ta mới xây dựng được lời giải và kết quả cuối cùng. 1.3.3 Các bước chung giải bài tập vật lý. Từ phân tích về thực chất hoạt động giải bài toán, ta có thể đưa ra một cách khái quát các bước chung của tiến trình giải một bài toán vật lý và hoạt động chính của các bước đó là: - Bước 1: Tìm hiểu đề bài + Phân tích đề bài, ghi tóm tắt dữ kiện bài toán và cái cần tìm, thống nhất đơn vị. + Vẽ hình minh họa để làm rõ nghĩa đề bài. - Bước 2: Xác lập các mối liên hệ + Phân tích các giả thuyết và yêu cầu của bài toán để tìm ra các quy luật vật lý có liên quan, hoặc phân tích bản chất hiện tượng vật lý nêu trong bài toán để tìm ra các mối liên quan đến đại lượng cần tìm. + - Lựa chọn những mối liên hệ sao cho việc tìm ra kết quả là ngắn gọn nhất. Bước 3: Sự luận giải để tìm ra kết quả + Từ các mối liên hệ đã được xác lập, ta chọn những cách biến đổi toán học sao cho sự luận giải để tìm ra kết quả là ngắn nhất. + Sự luận giải phải đảm bảo tính logic và khoa học, tức là những vấn đề đưa ra trước là cơ sở lập luận cho vấn đề sau và các vấn đề đưa ra phải có cơ sở khoa học. - Bước 4: Biện luận và trả lời kết quả + Biện luận để lấy những kết quả phù hợp. + Kiểm tra về đơn vị đã hợp lý chưa. + Trả lời kết quả theo yêu cầu của bài toán. 1.3.4 Kết luận Hoạt động học nói chung để đạt kết quả cao thì vấn đề sử dụng bài tập là rất cần thiết vì bài tập là phương tiện chủ yếu giúp người học có thể nắm rõ các vấn đề nghiên cứu, rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo, vận dụng kiến thức vào thực tiễn. Bên cạnh đó có thể sử dụng bài tập để ôn tập, đào sâu, củng cố và mở rộng trí thức. Đặc biệt là chất lượng học tập sẽ được nâng cao hơn khi ta có thể phân loại và đề ra phương pháp giải các bài tập một cách phù hợp. Chương 2: MẪU NGUYÊN TỬ THEO LÝ THUYẾT CỔ ĐIỂN. 2.1 Tóm tắt công thức Công thức Banme tổng quát:  1 1  = R  2 − 2  , với nk > ni   λ  ni nk  1 Chú ý: Thay đổi ni ta sẽ có các dãy Giữ nguyên ni thay đổi nk ta lần lượt có các vạch trong dãy Trong đó: 1  1 1  = R  2 − 2  : Dãy Banme thuộc vùng ánh sáng nhìn thấy và một phần thuộc λ 2 n  phần tử ngoại. 1 λ 1 λ 1 λ 1 λ 1 1  = R  2 − 2  : Dãy Laiman trong vùng tử ngoại. 1 n  1 1  = R  2 − 2  : Dãy Pasen trong vùng hồng ngoại gần. 3 n   1 1  = R  2 − 2  : Dãy Bracket 4 n  Trong vùng hồng ngoại xa. 1 1  = R  2 − 2  : Dãy Phunđơ 5 n  Moment động lượng của electron trên quỹ đạo Bo thứ n: Ln = mvr = nh , với h = h = 1, 05.10−34 J .s 2π Khi nguyên tử chuyển từ mức năng lượng En xuống mức năng lượng Em thì nguyên tử phát ra một photon, tần số của bức xạ tương ứng là: υ= En − Em R R = 2− 2 h m n Năng lượng của electron trên quỹ đạo Bo thứ n: En = −  k 2 me 2 Rh 1 me 4 1  = − , với R = = 3, 2.1015 s −1  k =  2 3 2 2 2 2n h n 4πε 0  ( 4πε 0 ) 4π h  Vận tốc vn của electron trên quỹ đạo Bo thứ n: vn = ke 2 nh Bán kính quỹ đạo Bo thứ n: rn = 2.2 n2h2 h2 2 , với = n a a = = 0,53.10−10 m 0 0 2 2 kme kme Phân dạng bài tập 2.2.1 Dạng: Thuyết nguyên tử của Bo (nguyên tử Hidro) A. Bài tập mẫu Bài 1: Tìm bước sóng lớn nhất và nhỏ nhất của quang phổ Hidro trong dãy Banme và dãy Laiman theo Ao ? Giải * Trong dãy Banme: Các bước sóng của quang phổ Hidro trong dãy Banme được xác định bởi công thức sau: 1  1 1  = R  2 − 2  với n=3;4;5......; ∞ λ 2 n   Bước sóng nhỏ nhất ứng với n = ∞ (λmin ) 1 1  R 4 4  1 = R  2 − 2  = ⇒ λmin = = = 3, 647.10−7 (m) λmin R 1, 096776.107 2 ∞  4 ⇒ λmin = 3647 Ao (1Ao = 10 −10 m ⇒ 3, 647.10 −7 m = 3647 Ao )  Bước sóng lớn nhất ứng với n = 3(λmax ) 1 36 36  1 1  5R = R 2 − 2  = ⇒ λmax = = = 6,56.10−7 (m) 7 λmax 2 3 36 5 R 5.1, 096776.10   o ⇒ λm ax = 6564 A * Trong dãy Laiman : Các bước sóng của quang phổ Hidro trong dãy Laiman được xác định bởi công thức: 1 1 1  = R  2 − 2  với n=2;3;4;5......; ∞ λ 1 n   Bước sóng nhỏ nhất ứng với n = ∞ (λmin ) 1 1 1 1 1  R = R  2 − 2  = ⇒ λmin = = = 1, 096776.10−7 (m) 7 λmin R 1, 096776.10 1 ∞  1 o ⇒ λmin = 1096, 776 A  Bước sóng lớn nhất ứng với n = 2 (λmax ) 1 4 4  1 1  3R = R 2 − 2  = ⇒ λm ax = = = 1, 216.10−7 (m) λm ax 3R 3.1, 096776.107 1 2  4 ⇒ λm ax = 1216 Ao Bài 2: a. Bước sóng của vạch đầu tiên dãy Laiman và của vạch giới hạn cuối của dãy Banme trong quang phổ Hidro là λ1 = 1215 Ao , λ2 = 3650 Ao . Biết trị số của e và h. Tính năng lượng ion hóa của nguyên tử Hidro ? b. Giả thuyết electron trong nguyên tử Hidro chuyển động trên quỹ đạo Bo thứ n. Hãy tính vận tốc và gia tốc của electron ? Giải a. Năng lượng ion hóa là năng lượng tối thiểu để đánh bật electron ra khỏi nguyên tử và bằng giá trị năng lượng ở trạng thái cơ bản ( n=1) Ta có năng lượng của electron trên quỹ đạo Bo thứ n: En = − k 2 me 4 Rh =− 2 2 2 2n h n Ở đây năng lượng ion hoa có trị số bằng E1 , (E1 là năng lượng cần thiết của electron trên quỹ đạo Bo thứ nhất) E1 = − Rh (∗) 12 * Tần số các vạch của dãy Laiman 1 1  − 2  (n = 2, 3, 4.....) 2 1 n  υ = R Vạch đầu tiên của dãy Laiman ứng với n = 2 1 1  − 2  (1) 2 1 2  υ1 = R  * Tần số các vạch của dãy Banme  1 1  − 2  (n = 3, 4, 5.....) 2 2 n  υ = R Vạch giới hạn cuối ứng với n = ∞  1 1  R υ2 = R  2 − 2  = 2 (2) 2 ∞  2 R = υ1 + υ 2 12 Rh Thay vào (*) ta có: E1 = − 2 = h (υ1 + υ2 ) 1 c c υ1 = , υ2 = Cộng (1) và (2) ta có: λ1 λ2 1 1  1 1   ⇒ E1 = hc  +  = 6, 625.10−34.3108  + −7 −7  3, 65.10   1, 215.10  λ1 λ2  = 21,8.10−19 ( J ) = 13, 6 (eV ) b. Gọi v là vận tốc của electron trên quỹ đạo Bo thứ n, moment động lượng của electron (đối với tâm quỹ đạo) theo định nghĩa: Ln = me vn rn (∗) Theo thuyết Bo: rn = n 2 a0 và Ln = nh (∗∗) Thay ( ∗∗ ) vào ( ∗ ) ta có: nh = me vn n 2 a0 ⇒ vn = h (Vận tốc tỉ lệ nghịch với những số nguyên dương) me a0 n Gia tốc của electron là gia tốc hướng tâm được xác định bởi công thức: an = v2 h2 = 2 2 4 (Gia tốc tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của những số nguyên) rn me a0 n Bài 3: Nguyên tử Hidro ở trạng thái cơ bản được kích thích bởi một ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ xác định. Kết quả nguyên tử Hidro chỉ phát ra 3 vạch quang phổ. Xác định bước sóng của ba vạch đó và cho biết chúng thuộc dãy quang phổ nào ? Giải Do ánh sáng kích thích có bước sóng λ xác định nên electron chỉ nhảy lên một mức năng lượng nào đó. Theo giả thuyết thì nguyên tử Hidro chỉ phát ra 3 vạch quang phổ. Dựa vào cơ chế tạo thành các dãy quang phổ của nguyên tử Hidro thì ta thấy nguyên tử được kích thích lên trạng thái n=3. Ba vạch đó là : Vạch thứ nhất của dãy Laiman có bước sóng xác định bởi: 1 4 4  1 1  3R = R 2 − 2  = ⇒λ = = = 1, 216.10−7 (m) 7 λ 3R 3.1, 096776.10 1 2  4 o ⇒ λ = 1216 A Vạch thứ hai của dãy Laiman có bước sóng xác định bởi: 1 9 9  1 1  8R = R 2 − 2  = ⇒λ = = = 1, 026.10−7 (m) 7 λ 8 R 8.1, 096776.10 1 3  9 o ⇒ λ = 1026 A Vạch thứ nhất của dãy Banme có bước sóng xác định bởi: 1  1 1 = R 2 − 2 λ 2 3 ⇒ λ = 6565 Ao 36 36  5R ⇒λ= = = 6,565.10−7 (m) = 5 R 5.1, 096776.107  36 Bài 4: Nguyên tử hidro ở trạng thái kích thích ứng với mức năng lượng thứ n (n > 1). Tính số vạch quang phổ nó có thể phát ra ? Giải Từ mức năng lượng thứ n đến mức năng lượng thứ nhất có tất cả n mức năng lượng. Mỗi vạch quang phổ tương ứng với một sự chuyển trạng thái giữa hai mức năng lượng bất kì trong số n mức năng lượng đó (chuyển từ trạng thái năng lượng cao đến trạng thái năng lượng thấp hơn). Vậy số vạch quang phổ có thể phát ra bằng số cặp mức năng lượng trong n mức năng lượng và bằng n(n − 1) 2 Bài 5: Người ta kích thích cho nguyên tử Hydro lên mức năng lượng n=4. Khi trở về mức cơ bản thì quang phổ vạch phát xạ của nguyên tử sẽ xuất hiện bao nhiêu vạch và chúng thuộc những dãy nào ? Giải Áp dụng công thức n(n − 1) với n = 4 ta có 6 vạch: 3 vạch thuộc dãy Laiman, 2 2 vạch thuộc dãy Banme, và 1 vạch thuộc dãy Pasen (như hình vẽ ). n=4 N M L Pasen Hβ Hα n=3 n=2 Banme Bài 6: Tính vận tốc giật lùi của nguyên tử hidro, giả sử ban đầu đứng yên nếu electron dịch chuyển từ trạng thái n=4 đến trạng thái cơ bản ( gợi n=1 ý: áp dụng K định luật bảo toàn xung lượng ). Laiman Giải Năng lượng photon phát ra ứng với dịch chuyển trạng thái 4 đến trạng thái 1: ε= 1 1  = Rhc  2 − 2  λ 1 4  hc 1   = 1, 096776.107.6, 625.10−34.3.108  1 −  = 2, 045.10−18  16  Xung lượng của photon là: p= ε 2, 045.10 −18 = = 6,82.10−27 kgm / s 8 c 3.10 Theo định luật bảo toàn xung lượng thì xung lượng pH của nguyên tử hidro là: pH = p = 6,82.10 −27 kgm / s Mặt khác xung lượng pH = mH v 1−  v2 c2 pH: pH2 = v 2  mH2 +  ⇒ pH2 = pH2 c2 mH2 v 2 pH2 v 2 2 2 2 ⇒ p = m v + H H v2 c2 1− 2 c  pH2 1 2 v ⇒ = = 2  2 p mH 1  mH2 + H2 + c pH2 c 2  6, 6735.10 −27  2 1 1   ⇒v = =  +  27 16 − 2 6,82.10 9.10      mH  1     + 2  pH  c − 1 2 = 4, 075m / s Vậy vận tốc giật lùi của nguyên tử hidro khi chuyển từ trạng thái n=4 về trạng thái n=1 là 4,075 m/s B. Bài tập vận dụng Bài 1: Xác định bước sóng lớn nhất và nhỏ nhất trong dãy hồng ngoại thứ nhất của quang phổ Hidro (dãy Pasen) ? Giải Dãy hồng ngoại thứ nhất của quang phổ Hidro (dãy Pasen) ứng bởi công thức sau: 1 1 1  = R  2 − 2  với n=4; 5; 6......; ∞ λ 3 n   Bước sóng nhỏ nhất ứng với n = ∞ (λmin ) 1 1  R 9 9 1 = R  2 − 2  = ⇒ λmin = = = 8, 2.10 −7 (m) 7 R 1, 096776.10 λmin 3 ∞  9  Bước sóng lớn nhất ứng với n = 4 (λmax ) 1 λmax 144 144  1 1  7R = R 2 − 2  = ⇒ λmax = = = 18, 76.10 −7 (m) 7 7 R 7.1, 096776.10  3 4  144 Bài 2: Nguyên tử Hidro ở trạng thái cơ bản (n=1) hấp thụ photon ứng với bức xạ có bước sóng λ = 1215 Ao . Tính bán kính quỹ đạo electron của nguyên tử ở trạng thái cơ bản ? Giải Trạng thái cơ bản hấp thụ photon với bước sóng xác định tương ứng với phương trình sau: 1 1 R R 1 1 1  = R 2 − 2  ⇔ = R − 2 ⇒ 2 = R − λ λ n n λ 1 n  R Rλ 1215.10−10.1, 096776.107 ⇒ n2 = = = =4 1 Rλ − 1 (1215.10−10.1, 096776.107 ) − 1 R− λ ⇒ Bán kính quỹ đạo Borh là: rn = n 2 a0 = 4.0, 53.10−10 = 2,12.10−10 m Bài 3: Electron trong nguyên tử Hidro chuyển từ mức năng lượng thứ ba về mức năng lượng thứ nhất. Tính năng lượng của photon phát ra ? Giải Khi nguyên tử chuyển từ mức năng lượng En xuống Em thì nguyên tử phát ra một photon với tần số: υ = En − Em h Theo đề bài nguyên tử chuyển từ mức 3 về mức 1 nên: υ = E3 − E1 h ⇒ Năng lượng photon phát ra: ε = υ h = E3 − E1 Mà En = − k 2 me 4 2n 2 h 2 k 2 me 4  k 2 me 4  k 2 me4  1 1  −−  −  = 2n32 h 2  2n12 h 2  2h 2  n12 n32  k 2 me 4  1 1  8.4π 2 k 2 me 4 16π 2 k 2 me 4 = =  − = 2h 2  12 32  9.2h 2 9h 2 ⇒ε =− = 16π 2 (9.109 ) 2 .9,1.10 −31 (1, 6.10−19 )4 = 1931.10−21 ( J ) = 1206, 9 (eV ) 9.(6, 625.10−34 )2 Bài 4: Một nguyên tử hấp thụ một photon có bước sóng 375nm và phát ra ngay một photon khác có bước sóng 580nm. Hỏi năng lượng hấp thụ thật sự của nguyên tử ấy là bao nhiêu ? Giải Tần số của photon hấp thụ là: υ1 = c λ1 = 3.108 = 8.1014 Hz −9 375.10 Năng lượng của nguyên tử hấp thụ là: ∆E1 = hυ1 = 6, 625.10−34.8.1014 = 53.10−20 J = 3,31 (eV ) Tần số của photon phát xạ là: υ2 = c λ2 = 3.108 = 5,17.1014 Hz 580.10 −9 Năng lượng của nguyên tử phát xạ là: ∆E2 = hυ 2 = 6, 625.10−34.5,17.1014 = 34, 25.10−20 J = 2,14 (eV ) ⇒ Năng lượng hấp thụ thật sự của nguyên tử là: ∆E = ∆E1 − ∆E2 = 3, 31 eV − 2,14 eV = 1,17 (eV ) Bài 5: Photon có năng lượng 16,5 eV làm bật electron ra khỏi nguyên tử hidro đang ở trạng thái cơ bản. Tính vận tốc của electron ra khỏi nguyên tử ? Giải Năng lượng ở trạng thái cơ bản E1 (năng lượng ion hóa) Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: ε = k + E1 ⇔ 16,5 eV = k + 13, 6 eV ⇒ k = 2, 9 eV = 4, 64.10−19 ( J ) Mà k = 1 2 2k 2k ⇒v= = mv ⇒ v 2 = 2 m m 2.4, 64.10 −19 = 106 m / s 9,1.10−31 Bài 6: Nguyên tử hidro được kích thích từ trạng thái n=1 tới trạng thái có n= 4. Tính năng lượng mà nguyên tử đó cần hấp thụ. Tính và biểu diễn trên giản đồ các mức năng lượng các năng lượng photon khác nhau được bức xạ nếu nguyên tử trở về trạng thái có n=1. Giải Năng lượng của nguyên tử hidro khi kích thích từ trạng thái n=1 đến trạng thái n = 4 là:  1 1  1  = Rhc  2 − 2  = 1, 096776.107.6, 625.10−34.3.108  − 1  λ 4 1 16     −18 = − 2, 045.10 J = −12, 78 eV ∆E14 = hc b. Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái n=1 đến trạng thái n=4 ta có các sự chuyển mức năng lượng sau: ∆ E 43 , ∆ E 42 , ∆ E 41 , ∆ E 32 , ∆ E 31 , ∆ E 2 1 ( xem hình vẽ) n= 4 n= 3 n= 2 n= 1 + Năng lượng của photon khi chuyển từ mức 4 về mức 3 ( ∆E43 ) 1 1  1 1  = Rhc  2 − 2  = 1, 096776.107.6, 625.10−34.3.108  −  λ 3 4   9 16  −19 =1, 06.10 J = 0, 663 eV ∆E43 = hc + Năng lượng của photon khi chuyển từ mức 4 về mức 3 ( ∆E42 )  1 1  1 1  = Rhc  2 − 2  = 1, 096776.107.6, 625.10−34.3.108  −  λ 2 4   4 16  −19 = 4, 089.10 J = 2, 556 eV ∆E42 = hc + Năng lượng của photon khi chuyển từ mức 4 về mức 3 ( ∆E41 ) ∆E41 = −∆E14 = 12, 78eV + Năng lượng của photon khi chuyển từ mức 3 về mức 2 ( ∆E32 )  1 1 1 1 = Rhc  2 − 2  = 1, 096776.107.6, 625.10 −34.3.108  −  λ 2 3  4 9 −19 = 3, 03.10 J = 1,89 eV ∆E32 = hc + Năng lượng của photon khi chuyển từ mức 3 về mức 1 ( ∆E31 ) 1 1  1 = Rhc  2 − 2  = 1, 096776.107.6, 625.10 −34.3.108  1 −  λ 1 3   9 −18 = 1, 94.10 J = 12,12 eV ∆E31 = hc + Năng lượng của photon khi chuyển từ mức 2 về mức 1 ( ∆E21 ) 1 1   1 = Rhc  2 − 2  = 1, 096776.107.6, 625.10 −34.3.108  1 −  λ 1 2   4 = 1, 64.10−18 J = 10, 22 eV ∆E21 = hc Bài 7: Dựa trên sơ đồ các mức năng lượng của nguyên tử hidro, tìm các số lượng tử tương ứng với dịch chuyển phát ra photon có bước sóng 121,6nm. Giải  1 1   1 1  1 = R 2 − 2  ⇔ = 1, 096776.107  2 − 2  −9 λ 121, 6.10  ni nk   ni nk  1 1 1 Suy ra 2 − 2 = = 0, 74981 ( ∗) −9 ni nk 121, 6.10 .1, 096776.107 Ta có 1 Với λ = 121, 6nm là bước sóng của tia tử ngoại nên vạch quang phổ này thuộc dãy Laiman ứng ni = 1 Từ ( ∗) rút ra: 1 1 1 = 2 − 0, 74981 = 2 − 0, 74981 = 0, 2502 2 nk ni 1 1 ⇒ nk = =2 0, 2502 Vậy ni = 1 và nk = 2 Bài 8: Tính vận tốc giật lùi lại của nguyên tử hidro khi nó chuyển từ trạng thái kích thích đầu tiên về trạng thái cơ bản. Giả sử ban đầu nguyên tử ở trạng thái đứng yên. Giải Năng lượng photon phát ra ứng với dịch chuyển trạng thái đầu tiên đến trạng thái cơ bản: ε= 1 1  = Rhc  2 − 2  λ 1 2  hc  1 = 1, 096776.107.6, 625.10−34.3.108  1 −  = 1, 635.10 −18  4 Xung lượng của photon là: p= ε c = 1, 635.10 −18 = 5, 45.10−27 kgm / s 8 3.10 Theo định luật bảo toàn xung lượng thì xung lượng pH của nguyên tử hidro là: pH = p = 5, 45.10−27 kgm / s Mặt khác xung lượng pH: pH = mH v 1− v2 c2 ⇒ pH2 =  p2 pH2 = v 2  mH2 + H2 c  mH2 v 2 pH2 v 2 2 2 2 ⇒ p = m v + H H v2 c2 1− 2 c  1 pH2 2 ⇒ v = = 2  2 p mH 1  + mH2 + H2 c pH2 c 2  6,6735.10−27 2 1 1   ⇒v = =  +  − 27 16 2  9.10   mH  1  5, 45.10   + 2  pH  c − 1 2 = 0,82m / s Vậy vận tốc giật lùi của nguyên tử hidro khi chuyển từ trạng thái đầu tiên về trạng thái cơ bản là 0,82m/s.
- Xem thêm -