Tường minh nội dung dạy học đề tài “Các thuyết về cấu trúc vật chất”

TƯỜNG MINH NỘI DUNG DẠY HỌC ĐỀ TÀI “CÁC THUYẾT VỀ CẤU TRÚC VẬT CHẤT” a b 1. Thuyết êlectron Lớp 7 Lớp 11 - Thuyết êlectron được trình bày một cách sơ lược. HS chỉ cần hiểu nguyên tử rất bé (10 triệu nguyên tử sắp xếp thành hàng dài 1mm) gồm có hạt nhân mang điện dương (không phân biệt prôton và nơtron), các êlectron chuyển động xung quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ nguyên tử. Về độ lớn điện tích của hạt nhân bằng điện tích của các êlectron trong nguyên tử ® bình thường nguyên tử trung hoà về điện. Êlectron có thể di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, từ vật này sang vật khác. - Vận dụng thuyết êlectron để giải thích hiện tượng nhiễm điện do cọ xát: vật nhiễm điện dương do mất bớt êlectron, vật nhiễm điện âm do nhận thêm êlectron ®các vật chỉ nhiễm một trong hai loại điện tích dương hoặc âm. Chúng tương tác nhau ( hút hay đẩy nhau). - Đưa ra khái niệm “Dòng điện”, từ khái niệm dòng điện, phân biệt chất dẫn điện (cho dòng điện đi qua) và chất cách điện (không cho dòng điện đi qua). - Thuyết êlectron trong kim loại: các êlectron thoát khỏi nguyên tử ® gọi là êlectron tự do ® kim loại dẫn điện tốt - Tìm hiểu các tác dụng của dòng điện: Tác dụng nhiệt, tác dụng phát sáng, tác dụng hoá học, tác dụng sinh lý, tác dụng từ nhưng không cần xét cơ chế, không cần giải thích - Thuyết êlectron HS đã đựơc học ở lớp 7, ở đây có những điểm cần nhấn mạnh, nâng cao hơn. Hạt nhân nguyên tử gồm prôtôn mang điện dương và nơtron không mang điện. Độ lớn điện tích của êlectron bằng điện tích của prôtôn vì vậy trong nguyên tử trung hoà thì số prôton bằng số êlectron. Trong ion dương thì số êlectron ít hơn số prôtôn, trong ion âm thì số êlectron nhiều hơn số prôtôn. Khối lượng êlectron rất nhỏ hơn khối lượng prôtôn nên êlectron di chuyển dễ dàng hơn prôtôn. - Vận dụng thuyết êlectron giải thích được sự nhiễm điện do tiếp xúc và do hưởng ứng (ở lớp 7 chưa có). - Đại đa số các chất mà ta thường gặp đều có thể xếp vào một trong hai chất, chất dẫn điện hay chất cách điện. Nhưng thực ra còn có các chất bán dẫn và các chất siêu dẫn. - Điện tích có tính bảo toàn. Cho đến nay người ta chưa thấy có trường hợp nào định luật bảo toàn điện tích bị vi phạm. Do đó, định luật bảo toàn điện tích là định luật đúng tuyệt đối. - Vận dụng thuyết êlectron giải thích tính chất điện của kim loại: nguyên nhân gây ra điện trở, sự toả nhiệt của vật dẫn kim loại khi có dòng điện chạy qua, điện trở suất phụ thuộc bản chất của kim loại. - Vận dụng thuyết êlectron giải thích sự phát xạ nhiệt êlectron trong chân không, sự ion hoá chất khí, sự giải phóng êlectron trong chất bán dẫn. 2. Thuyết động học phân tử Lớp 8 Lớp 10 Thuyết ĐHPT - Không yêu cầu trình bày thuyết ĐHPT mà chỉ giới hạn ở việc giới thiệu một số nội dung của thuyết này: + Vật chất được cấu tạo từ các phân tử. + Giữa các phân tử có khoảng cách. + Các phân tử chuyển động không ngừng. + Các phân tử chuyển động càng nhanh thì nhiệt độ của vật càng cao (bản chất của nhiệt độ). - Không yêu cầu tìm hiểu về lực liên kết phân tử cũng như sự sắp xếp phân tử giữa các trạng thái cấu tạo chất khác nhau. Vật chất và năng lượng - Đưa ra định nghĩa nhiệt năng là tổng động năng của các phân tử cấu tạo nên vật và nhấn mạnh nhiệt năng có quan hệ với nhiệt độ, nhiệt độ càng cao nhiệt năng càng lớn. Cần lưu ý rằng, có người đồng nhất nhiệt năng với nội năng, có người cho rằng nhiệt năng là một phần của nội năng, tuy nhiên do khái niệm nhiệt năng là khái niệm thông dụng trong đời sống và kỹ thuật, tiện dụng trong việc khảo sát các hiện tượng vật lý ở trình độ THCS nên ở SGK vật lý lớp 8 dùng khái niệm nhiệt năng như trên. - Không cần phân biệt một cách bản chất bốn khái niệm: “thực hiện công”, “truyền nhiệt”, “công”, “nhiệt lượng”, chỉ yêu cầu HS nắm được các khái niệm này. - Dẫn nhiệt là quá trình truyền năng lượng trực tiếp giữa các hạt vi mô. Tuy nhiên, cơ chế dẫn nhiệt của các chất rắn, lỏng, khí không giống nhau nên đối với HS lớp 8 không yêu cầu tìm hiểu cơ chế của sự dẫn nhiệt mà chỉ yêu cầu nghiên cứu về mặt hiện tượng ( có thể thông báo cho HS khá, giỏi). - Để đơn giản SGK vật lý lớp 8 coi bức xạ nhiệt là một hình thức truyền nhiệt. - Định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng: dựa vào một số hiện tượng quan sát được, nhận biệt được cho HS thấy năng lượng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác, từ vật này sang vật khác, còn khía cạnh “bảo toàn năng lượng” thì được thông báo, thừa nhận. HS sẽ được học tiếp ở các lớp trên. Thuyết ĐHPT chất khí - Một số kiến thức về thuyết ĐHPT chất khí và thuyết ĐHPT về cấu tạo chất là thông báo và nhắc lại (HS đã học ở lớp 8). Tương tác giữa các phân tử chất khí khác rất xa so với trong chất lỏng và chất rắn, khác ở chỗ phân tử khí hầu như không tương tác ngoài lúc va chạm, còn các phân tử rắn hay lỏng có mối liên kết khá mạnh với nhau, giữa chúng có lực tương tác làm cho phân tử không chuyển động tự do mà được sắp xếp có trật tự (xa hay gần) trong một cấu trúc. Khó có thể bỏ qua sự khác nhau trong tương tác phân tử mà trình bày chung một thuyết động học cho mọi trạng thái. Do đó, trình bày thuyết ĐHPT chất khí trước, sau đó bổ sung một phần đối với chất lỏng và chất rắn. Nội dung thuyết ĐHPT được trình bày đơn giản, ngắn gọn, không yêu cầu HS hiểu sâu hơn. Nhưng cũng nên lưu ý một số vấn đề có thể mở rộng để gợi ý HS suy nghĩ củng cố kiến thức, làm bài tập: + Mối quan hệ giữa nhiệt độ và chuyển động hỗn độn của phân tử khí. + Tính hỗn loạn của chuyển động nhiệt: sự phân bố đều về hướng của vận tốc trong không gian, độ lớn của vận tốc có thể có mọi giá trị khác nhau từ nhỏ đến lớn, tuy nhiên vẫn có một giá trị trung bình xác định độ lớn của vận tốc Vận tốc này phụ thuộc nhiệt độ + Áp suất của chất khí lên thành bình: va chạm của các phân tử khí lên thành bình tạo nên áp suất. - Lượng chất và mol được định nghĩa theo cách mới, trước đây mol được gọi là phân tử gam, là lượng chất có khối lượng tính ra gam bằng phân tử lượng của chất ấy. - Số Avôgadrô NA = 6,023.1023mol-1 là số hạt chứa trong một mol chất bất kỳ. - Về lực tương tác phân tử : xét về toàn bộ thì phân tử trung hoà về điện, hai phân tử ở xa nhau thì hầu như không tương tác với nhau. Khi hai phân tử lại gần nhau (khoảng cách bằng vài ba lần đường kính phân tử) thì có lực hút do tương tác điện giữa êlectron và hạt nhân nguyên tử của chúng với nhau. Khi hai phân tử lại gần nhau hơn nữa thì hai đám mây điện tử của hai phân tử phủ lên nhau vì thế mà lực đẩy giữa chúng mạnh hơn lực hút và kết quả là phân tử đẩy nhau. Trong chất rắn và chất lỏng thì còn thêm những lực liên kết mạnh hơn nhiều (liên kết phân tử, liên kết cộng hoá trị, liên kết ion, liên kết kim loại), những lực này giữ cho mỗi phân tử dao động quanh một vị trí cân bằng. Vật chất và năng lượng - Nội năng ( thay cho khái niệm nhiệt năng): Tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật - Các cách làm biến đổi nội năng: + Thực hiện công + Truyền nhiệt - Không nhắc lại khái niệm sự dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt, đối lưu - Những định luật của chất khí được phát hiện bằng thực nghiệm. Tuy vậy, ở giai đoạn hiện nay chỉ cần biết hai trong ba định luật: Bôilơ-Mariôt, Saclơ, Gay-Luyxắc là có thể suy ra định luật còn lại. Chúng ta không cần phải mất công sức làm thí nghiệm để tìm ra cả ba. Ngược lại nên cho HS làm quen với việc suy luận để tìm ra quy luật mới, từ phương trình trạng thái tìm ra định luật Gay-Luyxắc. - Cần cho HS thấy rõ cơ sở thực nghiệm của phương trình trạng thái của chất khí cũng như của phương trình Clapêron-Menđêlêep, có kỹ năng tính toán định lượng và vẽ đồ thị khi vận dụng hai phương trình này - Nguyên lý I, II NĐLH - Về chất rắn: Phân biệt chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình căn cứ vào: hình dáng bên ngoài, hiện tượng nóng chảy, tính dị hướng hay tính đẳng hướng. HS làm quen với khái niệm tinh thể và mạng tinh thể. Mạng tinh thể tạo thành từ các hạt phân bố có trật tự và trật tự được lặp lại tuần hoàn trong không gian, gọi là trật tự xa. Chất rắn vô định hình không có cấu trúc tinh thể (các hạt không tạo thành mạng tinh thể). Tuy vậy, nếu xét trong phạm vi nhỏ gồm một ít hạt thì cũng có một trật tự nào đó nhưng trật này không lặp lại trong pham vị rộng cho một số lớn hạt (trật tự gần). Trong mạng tinh thể các hạt chiếm nút mạng có thể là ion, nguyên tử, phân tử. Giữa các hạt ở mạng tinh thể có lực tương tác lực này phụ thuộc vào bản chất các hạt. Tuỳ theo bản chất của các hạt có thể chia các tinh thể thành bấn loại như sau: Tinh thể nguyên tử, tinh thể phân tử, tinh thể ion, tinh thể kim loại - Về chất lỏng: Khối lỏng (vật lỏng) có thể tích xác định, không có hình dạng riêng mà có hình dạng của bình chứa do chất lỏng có tính chảy được. Khối lỏng có thể chảy được là nhờ đặc điểm của cấu trúc và chuyển động nhiệt ở chất lỏng. Chất lỏng có cấu trúc trật tự gần. Chuyển động nhiệt ở chất lỏng là dao động của phân tử quanh vị trí cân bằng tạm thời và do tương tác với phân tử kề bên, nó có thể nhảy sang vị trí cân bằng mới rồi dao động quanh vị trí mới này và cứ tiếp tục như thế. + Lực căng bề mặt của khối lỏng nảy sinh từ lực tương tác giữa các phân tử ở lớp bề mặt với các phân tử ở trong lòng khối lỏng. Các phân tử ở bề mặt chịu một lực hướng vào trong lòng chất lỏng, trong khi phân tử ở trong lòng khối lỏng chịu một hợp lực bằng không. Do vậy các phân tử ở bề mặt luôn bị kéo vào trong lòng khối lỏng, làm giảm số phân tử ở lớp bề mặt, do đó diện tích bề mặt khối lỏng thu nhỏ cho đến khi không thu nhỏ được hơn nữa. + Giải thích hiện tượng dính ướt và không dính ướt bằng lực tương tác giữa các phân tử. + Giải thích hiện mao dẫn dựa vào sự căng bề mặt và sự dính ướt hay không dính ướt. LỚP 12. Thuyết điện từ ánh sáng Đây là kiến thức mới so với SGK cũ, ở đây chỉ giới thiệu thuyết điện từ về ás và giải thích thêm về độ từ thẩm m. Hiện tượng tán sắc ánh sáng, nhiễu xạ, giao thoa ánh sáng. Thuyết lượng tử năng lượng và thuyết lượng tử ánh sáng Giả thuyết lượng tử năng lượng của Planck chỉ mới đề cập đến tính chất gián đoạn của năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối. Năm 1905, Einstein đã phát triển thuyết lượng tử của Planckvà đưa ra thuyết lượng tử ás. Chú ý rằng, thuyết lượng tử ás không khẳng định rằng mọi năng lượng có tính gián đoạn, mà chỉ khẳng định rằng năng lượng ás do nguyện tử hay phân tử bức xạ hoặc hấp thu mới có tính gián đoạn mà thôi. Trong công thức Einstein, ta cũng thấy rằng động năng của êlectron luôn nhỏ hơn lượng tử năng lượng. Chấp nhận thuyết phôtôn không có nghĩa là từ bỏ thuyết sóng và quay trở về với thuyết hạt Newton, vì trong thuyết phôtôn, ta vẫn phải dùng tần số của ás, là một trong những khái niệm của thuyết sóng. Phôtôn là một hạt có khối lượng nghỉ bằng không. Đó cũng chính là một tính chất phân biệt nó với hạt ás của Newton. Dựa vào thuyết phôtôn và định luật bảo toàn năng lượng để thiết lập công thức Einstein. Vận dụng thuyết lượng tử ás để giải thích nhiện tượng quang điện ngoài, hiện tượng quang điện trong. Đối với các êlectron nằm ở các lớp sâu bên trong mặt kim loại thì trước khi đến bề mặt kim loại, chúng đã va chạm với các ion của kim loại và mất một phần năng lượng, do đó động năng ban đầu của chúng nhỏ hơn . Mẫu nguyên tử Bo Mẫu nguyên tử Bo tuy không phù hợp với các quan điểm của Cơ học lượng tử, nhưng không thể nói là hoàn toàn sai, vì nó vẫn giúp ta tính toán được các mức năng lượng của hydrô, nó gợi ý cho HS một hình ảnh cụ thể, giúp dễ tiếp thu những khái niệm trừu hơn như mức năng lượng nguyên tử và sự chuyển giữa các mức năng lượng. Cũng cần nói rõ đó chỉ là một hình ảnh mô phỏng gần đúng, còn nhiều hạn chế. Người ta thường quy ước cho mức năng lượng của nguyên tử bị ion hoá (tức là êlectron của nó ở xa hạt nhân vô cùng) giá trị số không, vì vậy mọi mức năng lượng đều có giá trị âm. Mức thấp nhất của nguyên tử hydrô, mức K khi đó có giá trị -13,6eV. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử Kế thừa thuyết êlectron ở lớp 11, ở đây đưa thêm những bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ hạt nhân được cấu tạo từ các nuclôn: prôtôn có khối lượng mp= 1,67262.10-27 kg, nơtrôn có khối lượng mn = 1,67493.10-27kg . Người ta coi hạt nhân như một quả cầu bán kính R = r0A1/3, r0 là bán kính điện vì nó xác định kích thứơc của miền chiếm bởi các hạt tích điện trong hạt nhân. Hạt nhân có cấu trúc khá bền vững, chứng tỏ các nuclôn trong hạt nhân hút nhau với một lực rất mạnh gọi là lực hạt nhân. Lực hạt nhân có bán kính tác dụng ngắn (khoảng 10-15m), ngoài khoảng đó lực hạt nhân giảm rất nhanh đến giá trị không. Lực hạt nhân không phụ thuộc điện tích của các nuclôn, lực hạt nhân có tính chất bảo hoà (một nuclôn chỉ tương tác với một nuclôn ở lân cận chứ không tương tác với mọi nuclôn của hạt nhân. Lực hạt nhân là lực trao đổi, tương tác giữa hai nuclôn được thực hiện bằng cách trao đổi một hạt mêzôn p có khối lượng vào cỡ 200 ¸300 lần khối lượng êlectron. Lực hạt nhân phụ thuộc vào spin của các nuclôn. Để so sánh độ bền vững của hạt nhân, người ta thường dùng khái niệm năng lượng liên kết ứng với một nuclôn gọi là năng lượng liên kết riêng. Sự phóng xạ Các hạt nhân không bền vững có thể tự phát phân rã và biến đổi thành hạt nhân khác. Thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ là t = , t còn có ý nghĩa là khoảng thời gian để số nguyên tử giảm đi e lần. Quá trình phóng xạ là quá trình ngẫu nhiên, toả năng lượng. Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm số mũ (định luật phóng xạ). Phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân chia thành hai loại: + Phản ứng tự phân rã của hạt nhân không bền (sự phóng xạ). + Phản ứng trong đó các hạt nhân tương tác nhau để biến thành các hạt nhân khác. Phản ứng hạt nhân tuân theo các định luật bảo toàn: bảo toàn số nuclôn, bảo toàn điện tích, bảo toàn năng lượng và động lượng. Trong mỗi phản ứng hạt nhân, năng lượng có thể bị hấp thụ hay toả ra (phản ứng thu năng lượng hay toả năng lượng) . Hạt sơ cấp Hạt sơ cấp có kích thước và khối lượng nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử (khái niệm này có tính gần đúng). Các hạt sơ cấp tương tác với nhau để tạo nên cấu trúc vật chất, tạo nên vũ trụ. Có bốn loại tương tác cơ bản: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác yếu, tương tác mạnh. Người ta dùng máy gia tốc cung cấp cho chùm êlectron và prôtôn năng lượng rất cao để chúng đến va chạm nhau. Kết quả là một số hạt quark gần như tự do đã được tạo ra. Có sáu hạt quark: hạt lên (u), hạt xuống (d), hạt lạ (s), hạt duyên (c), hạt đỉnh (t), hạt đáy (b). Điều kỳ lạ là điện tích của hạt quark bằng số lẻ của điện tích nguyên tố . Hạt prôtôn được tạo ra từ 2 quark lên và 1 quark xuống (u,u,d) còn êlectron được cấu tạo từ 2 quark xuống và 1 quark lên (u,d,d). Thuyết Big Bang Thuyết Big Bang: Dựa vào các sự kiện thiên văn quan trọng như: dựa vào hiệu ứng Đốple (sự dịch về phía đỏ của ás do các thiên hà phát ra) cho thấy các thiên hà xa xăm lùi ra xa chúng ta, vận tốc chạy ra xa tỉ lệ với khoảng cách giữa thiên hà và chúng ta. Dựa vào việc các nhà thiên văn quan sát được bức xạ “nền” vũ trụ, chứng tỏ bức xạ đó được phát ra từ mọi phía trong vũ trụ, cho phép ta đi ngược theo thời gian xa hơn rất nhiều so với quan sát về bất kỳ thiên thể nào khác hiện có trong vũ trụ. Vấn đề các thiên hà được hình thành như thế nào là một vấn đề quan trọng, còn đang tranh cãi. Người ta tin rằng các thiên hà đã xuất hiện từ các thăng giáng mật độ ở quy mô lớn có trong vũ trụ nguyên thuỷ. Nếu vũ trụ là không đồng nhất thì dấu vết của sự không đồng nhất này phải thể hiện như là những thăng giáng nhiệt độ trong bức xạ “nền” vũ trụ. Năm 1992, các nhà thiên văn phát được những thăng giáng nhiệt độ rất yếu trong bức xạ “nền” vi ba. Các thăng giáng này chỉ tương ứng với bước sóng vào cỡ 30mm (3.10-5 K). Có một bậc độ lớn các thăng giáng về nhiệt độ với các quy mô khác nhau và các thăng giáng về mật độ tương ứng. Các thăng giáng này chứa khối lượng tương ứng với khối lượng của các đám sao và thiên hà. Các thăng giáng này là mầm mống của các thiên hà và cấu trúc quy mô lớn khác mà chúng ta quan sát hiện nay. Có nhiều bằng chứng cho thấy, trong vũ trụ có nhiều loại vật chất không phát bức xạ và không quan sát thấy, gọi là “vật chất tối”. Vật chất tồn tại dưới hai dạng: Chất (hạt) và trường. Vật chất gồm các phần tử gọi là hạt, tương tác với nhau trong không gian bởi các tính chất của chúng gọi là trường.