sáng kiến kinh nghiệm vật lý thpt

Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế BÁO CÁO SÁNG KIẾN I Điều kiện hoàn cảnh tạo sáng kiến: II Mô tả giải pháp Mô tả giải pháp trước tạo sáng kiến Vật lý nguyên tử lĩnh vực vật lý học nghiên cứu nguyên tử thể cô lập electron hạt nhân nguyên tử Nó chủ yếu quan tâm đến cấu hình electron xung quanh nhân trình làm cấu hình thay đổi Điều bao gồm ion nguyên tử trung hịa, trừ có quy định khác, giả định từ nguyên tử bao gồm ion Ngành Vật lý nguyên tử cung cấp kiến thức cấu trúc nguyên tử, nguyên tử điện nhiều điện tử hóa trị nguyên tắc xếp nguyên tố bảng tuần hoàn, tác dụng từ trường, điện trường lên phổ lượng nguyên tử, trình hấp thụ xạ ngun tử Vật lí ngun tử ln nằm chương trình thi Vật Lí nước giới Tuy nhiên so với phần khác Vật lí nguyên tử đề cập đến nhiều Lí kiến thức cổ điển áp dụng cho nguyên tử bộc lộ nhiều thiếu hụt nghiêm trọng không giải cường độ, bề rộng cấu trúc tinh thể vạch quang phổ, làm rõ nguyên tử phức tạp hiđrơ Trong học lượng tử có ưu hẳn giải vấn đề Tuy nhiên giới hạn chương trình học sinh chuyên THPT lại đề cập đến nội dung liên quan đến xác suất, hàm sóng v.v… Chính vậy, tài liệu liên quan đến Vật lí nguyên tử cho học sinh chuyên Với mong muốn giúp em học sinh tiếp cận Vật lí nguyên tử quan điểm cổ điển đại, biên soạn đầy đủ lí thuyết lẫn tập ứng dụng lí thuyết ngun tử Mơ tả giải pháp sau có sáng kiến CHƯƠNG I NGUYÊN TỬ 1.1 Mẫu nguyên tử Thomson 1.1.1 Mẫu Nguyên tử Thomson Cuối kỷ 19 đầu kỷ 20, phát minh thực nghiệm thực chứng tỏ tồn nguyên tử.Nhưng sau đó, nhà khoa học phát rằng, nguyên tử chưa phải phần tử cuối tạo nên vật, thân Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế nguyên tử có cấu trúc nội phức tạp đó.Việc tìm mơ hình (mẫu) cấu trúc thân nguyên tử trở nên sôi động giới Vật lý Chỉ vòng 10 năm, từ 1903 đến 1913, ba giả thuyết cấu trúc nội nguyên tử liên tiếp đời Năm 1903, Joseph John Thomson, nhà vật lý người Anh đưa mẫu nguyên tử đầu tiên, cho vật chất nguyên tử mang điện tích dương phân bố theo hình cầu có đường kính vào khoảng 1Å Các điện tử (hay electron, ký hiệu e) mang điện âm phân bố lơ lửng hình cầu đó, điện tử dao động phát xạ điện từ vào khơng gian.Mơ hình cấu trúc ngun tử gọi Mẫu nguyên tử Thomson, hay mô hình “pudding mận” Hình 1: Mẫu nguyên tử “pudding mận” Thomson Trong thời gian dài mẫu nguyên tử củaThomson hợp lý Nhưng sau cách cho hạt xuyên sâu vào bên hạt nhân kết khác so với đốn nhận lý thuyết theo mẫu Thomson 1.1.2.Thí nghiệm Rutherford tán xạ hạt anpha (α) Các nhà khoa học dùng nguồn phóng xạ tự nhiên phát chùm hạtanpha (α) có vận tốc lớn.Chùm hạt α qua khe hẹp đập vào vàng mỏng, phía sau lávàng huỳnh quang, phủ lớp Sunfit kẽm cho ta dấu hiệu loé sáng có hạt α đập vào Hình 2: Thí nghiệm Rutherford tán xạ hạt anpha Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế Theo dự đoán hầu hết hạt α xuyên qua vàng Kết dựa theo mẫu nguyên tử Thomson nguyên tử có điện tích dương phân bố nguyên tử Như hạt α chịu tác dụng điện trường yếu, coi không chịu ảnh hưởng qua vàng, mà phương chuyển động ban đầu không thay đổi Thế kết thí nghiệm hồn tồn khác với dự đốn Kết thí nghiệm là: Đa số hạt α bay thẳng, xuyên qua vàng, số bị lệch với góc lớn, chí có hạt bay trở lại Kết thí nghiệm mâu thuẫn với mẫu ngun tử Thomson Hình 3: Kết thí nghiệm Rutherford tán xạ hạt anpha Như để giải thích tượng phải giả thuyết nguyên tử phải có điện trường cực mạnh làm cho hạt α bị lệch so với góc lớn.Từ Rutherfordbỏ mẫu nguyên tử Thomson cho điện tích dương nguyên tử phải tập trung lại trung tâm nguyên tử gọi hạt nhân nguyên tử Như mẫu nguyên tử Rutherford hình dung gồm hạt nhân tập trung tồn điện tích dương gần toàn khối lượng nguyên tử, xung quanh có electron chuyển động.Với mơ giải thích tượng tán xạ chùm hạt 1.2 Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford 1.2.1 Mẫu hành tinh nguyên tử RUTHERFORD Năm 1911 dựa vào kết thí nghiệm tán xạ hạt anpha mình, RUTHERFORD đưa mẫu nguyên tử khác với mẫu nguyên tử THOMSON gọi mẫu hành tinh nguyên tử RUTHERFORD có nội dung sau: - Nguyên tử gồm có hạt nhân chiếm thể tích cực nhỏ Hạt nhân mang điện tích dương chiếm hầu hết khối lượng nguyên tử - Xung quanh hạt nhân electron chuyển động theo quỹ đạo elip tròn - Số electron nguyên tử số Z nguyên tử Tổng số điện tích dương Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế hạt nhân tổng trị tuyệt đối điện tích âm electron nên nguyên tử trung hoà điện Mẫu hành tinh nguyên tử RUTHERFORD mẫu nguyên tử cổ điển thích hợp cho phép áp dụng để giải thích nhiều tượng tính chất vật lý nên sử dụng rộng rãi ngày Như thấy điểm khác biệt hai mẫu nguyên tử THOMSON RUTHERFORD phân bố điện tích dương vầ điện tích âm phân tử Sự khác biệt hiểu hình Khơng gian đồng điện tích dương Electron Hạt nhân mang điện tích dương Electron chuyển động quanh hạt nhân Hình Sự khác biệt mẫu nguyên tử Thomson Rudơpho Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế 1.2 Góc tán xạ Rơdơpho (Rutherford) Khi khảo sát tán xạ chùm hạt  chiếu tới vàng mỏng, Rơdơpho giải thích tượng mẫu nguyên tử Tomxơn Ông đưa giả thuyết nguyên tử có trung tâm tích điện dương tập trung toàn khối lượng nguyên tử có bán kính nhỏ bán kính ngun tử nhiều lần gọi hạt nhân nguyên tử Kích thước nguyên tử xác định khoảng cách từ tâm hạt nhân electron phân bố xung quanh hạt nhân Để chứng minh giả thuyết này, ông xây dựng lí thuyết tán xạ đối chiếu với thực nghiệm sau: Một hạt  khối lượng m điện tích q = 2e bay với vận tốc v thâm nhập vào vùng tác dụng lực Culông hạt nhân mang điện tích Z.e gây Giả sử hạt nhân đứng yên hạt  bị lực đẩy hạt nhân thay đổi quỹ đạo bay hình vẽ Lực Culơng hạt  hạt nhân F =k 2Ze2 r2 (1) Từ hình vẽ ta thấy, b nhỏ r nhỏ, lực Culơng mạnh góc tán xạ  lớn ngược lại Chúng ta khảo sát tượng lí thuyết Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế Độ biến thiên động lượng hạt  là: p = p0 sin  = 2mv sin  (2) Mặt khác, t p =  F cos  dt =  −  0   F sin  +   d 2  (3) Do tương tác hạt  với hạt nhân trường xuyên tâm nên mơmen động lượng bảo tồn: mvb = m r = const (4) Thay (1) (4) vào (3): p = 2kZe2 vb  −  4Ze2    sin  +   d = cos vb 2  (5) Từ (2) (5), ta có: tan  = 2Ze mv 2b (6) Kết (6) phản ánh trình tán xạ hạt lên hạt nhân phù hợp với thực nghiệm Bây ta xét chùm hạt  tới kim loại Giả thiết chùm hạt  bay song song cách có tiết diện ngang S Những hạt  cách trục khoảng b tán xạ với góc , cịn hạt  cách trục khoảng b + db tán xạ dước góc  + d Xác suất hạt  bị tán xạ hạt nhân tỉ số diện tích hình vành khăn Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế dS = 2 bdb bao quanh hạt nhân tiết diện S chùm hạt : dW = 2 bdb nS = 2 bn db S (7) Trong đó: n mật độ nguyên tử kim loại gây tán xạ  bề dày kim loại Mà từ (6) ta có: −1 d mv = db 2 Ze 2 sin (8) Thay (6), (8) vào (7):  kZe  d  dW = n    mv  sin  (9) Trong đó: d  = 2 sin  d góc khối bao quanh góc tán xạ chùm hạt  từ góc  đến  + d Công thức (9) công thức Rơdơpho trình tán xạ chùm hạt  lên kim loại Rơdơpho cho electron phải chuyển động quanh hạt nhân theo quỹ đạo khép kín tương tự hành tinh quay quanh Mặt Trời Vì mẫu ngun tử ơng cịn gọi mẫu hành tinh nguyên tử Nhưng theo quan điểm điện động lực học hệ khơng tồn bền vững electron chuyển động trịn tương đương với dịng điện trịn khép kín có mơmen lưỡng cực điện mơmen từ Mơmen lưỡng cực điện quay biến thiên tuần hoàn theo thời gian gây nên xạ sóng điện từ Năng lượng liên kết electron hạt nhân giảm dần cuối electron rơi vào hạt nhân, nguyên tử không tồn Ý tưởng xây dựng mẫu nguyên tử theo học thiên thể không thành công 1.2.3 Hạn chế mẫu hành tinh nguyên tử RUTHERFORD - Theo mẫu nguyên tử RUTHERFORD elctrron quay trịn (gần trịn) xung quanh hạt nhân, tạo thành dịng điện trịn (dịng điện phân tử) Trong trường hợp phải xạ lượng liên tục quang phổ nguyên Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế tử phải quang phổ liên tục Thực nghiệm lại thu quang phổ nguyên tử quang phổ vạch Đây hạn chế mẫu hành tinh nguyên tử RUTHERFORD: không cho phép giải thích nguyên nhân gây quang phổ vạch nguyên tử - Theo mẫu hành tinh nguyên tử RUTHERFORD electron quay quanh hạt nhân nguyên tử phải xạ lượng liên tục (sóng điện từ) lượng phải giảm dần theo thời gian Vận tốc quỹ đạo electron giảm dần, bị rơi vào hạt nhân nguyên tử bị huỷ thời gian bé Như nguyên tử tồn bền vững Điều trái với thực tế: tự nhiên nguyên tử tồn vô bền vững 1.3 Mẫu nguyên tử Bohn 1.3.1 Quy luật quang phổ nguyên tử Hydro Thí nghiệm cho thấy bước sóng quang phổ Hydro hợp thành dãy vạch gián đoạn Hình 5:Quang phổ vạch nguyên tử hiđrô Phổ vạch nguyên tử giải thích thuyết cổ điển 1.3.2 Hai tiên đề BOHR Nhìn lại hai mẫu nguyên tử THOMSON RUTHERFORD, ta nhận thấy có mặt mặt chưa Trong mẫu nguyên tử THOMSON bắt electron “bơi” cầu nhiễm điện dương, mẫu nguyên tử RUTHERFORD bắt electron “quay quanh” hạt nhân không hợp lý Như chứng tỏ áp dụng rập khuôn học cổ điển cho giới nguyên tử Muốn thoát khỏi bế tắc có cách phải từ bỏ phương pháp truyền thống vật lý học cổ điển, sáng tạo lý thuyết N.BOHR người theo hướng tìm kiếm lý thuyết cho giới vi mô – giới nguyên tử Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế Tiên đề trạng thái dừng Nguyên tử tồn trạng thái có lượng xác định gián đoạn, hợp thành chuỗi giá tr ị E1, E2, , En, gọi trạng thái dừng Trong trạng thái dừng electron không xạ mà chuyển động quỹ đạo tròn gọi quỹ đạo lượng tử có bán kính thoả mãn điều kiện lượng tử hố BOHR: Mơmen động lượng L = mevr = nℏ Trong đó: n số nguyên dương, ℏ = h/2π = 1,055.10−34 Js số Plank rút gọn, r bán kính quỹ đạo BOHR, me khối lượng electron, v vận tốc electron quỹ đạo dừng Tiên đề xạ hấp thụ Nguyên tử phát xạ hay hấp thụ lượng dạng xạ điện từ chuyển từ trạng thái dừng sang trạng thái dừng khác, tức electron chuyển từ quỹ đạo dừng sang quỹ đạo dừng khác Tần số xạ điện từ mà nguyên tử phát xạ hay hấp thụ tính theo biểu thức: f = Enk − Eni h (10) Trong Enk; Ein mức lượng trạng thái đầu trạng thái cuối nguyên tử (tức lượng electron) Nếu Enk > Ein nguyên tử phát xạ lượng, ngược lại nguyên tử hấp thụ lượng 1.3.3 Cấu trúc nguyên tử theo lý thuyết BOHR Cấu trúc nguyên tử Hyđrô Trong ngun tử nói chung, ngun tử Hyđrơ nói riêng, lực tĩnh điện ( Lực Coulumb) đóng vai trị làm lực hướng tâm (ta bỏ qua tương tác hấp dẫn nhỏ) Fhd = f ht  mev ke2 ke2 me v =  = (11) r2 r 2r me v Vì lượng hạt electron nguyên tử bao gồm động Ed = ke trường tĩnh điện nên ta tính lượng Et = − r electron theo công thức: Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 10 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế E = Ed + Et = me v ke2 ke2 − =−  (12) r 2r Công thức cho thấy lượng electron nguyên tử âm, chứng tỏ nguyên tử tồn bền vững Theo điều kiện lượng tử hố BOHR ta có: L = me vr = n h n2 h2 (13)  mev = 2 2 4 r me Kết hợp (13) (14) ta được: ke2 n2 h2 n2 h2 = r= r 4me r 4kme 2e2 Vì bán kính quỹ đạo r phụ thuộc vào số nguyên n nên ta thêm số n : rn = n2h2 (15) 4kme 2e2 Công thức (15) công thức xác định bán kính quỹ đạo dừng nguyên tử Hyđrơ Cơng thức cho thấy bán kính quỹ đạo dừng nhận giá trị liên tục mà có khả nhận số giá trị gián đoạn, rời rạc Đây tính chất hồn tồn nhận từ lý thuyết BOHR: Tính chất lượng tử hố quỹ đạo Cũng từ (I.5) cho ta thấy bán kính quỹ đạo lượng tử tỷ lệ với bình phương số tự nhiên Khi n = bán kính nhận giá trị nhỏ gọi bán kính quỹ đạo BOHR thứ Giá trịcủa bán kính quỹ đạo BOHR thứ là: r1 = a  5,3.10−11 (m) = 0,53(A ) (16) Tương tự ta thiết lập cơng thức tính vận tốc electron quỹ đạo dừng sau:m L = me r = n h nh  = 2 2 rn me Thay (I.5) vào ta được: = 2 ke (17) nh (17) công thức xác định vận tốc electron quỹ đạo dừng Vận tốc bị lượng tử hoá Trên quỹ đạo xác định vận tốc electron hoàn toàn Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 11 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế x = A1 cos 1t + A2 cos 2t  A1 = F1 k −( m1 + m2 )12 , A2 = v) Vout = V0 e it = k −( m1 + m2 )2 Fn n iv) x =  An cos nt  An = F2 k −( R + iL  + R + iL  i C m1 + m2 )n V e i t = iR C − L C V0 e it − L C + iR C ( RC )2 + ( L 2C )2 | Vout | = V (1 − L 2C )2 + ( RC )2 2 Để mẫu số đạt giá trị nhỏ nhất, ta có: − LC =  L = C (vi) Đưa vào giá trị L, có tín hiệu với n = kết câu (iv) có CL thể qua lọc, (1 điểm) tín hiệu đầu tỷ lệ với An (1 điểm) Bằng cách thay đổi giá trị L L người ta chọn giá trị khác n , giá trị đầu tỷ lệ với giá trị An chọn (1 điểm) Từ (iv), An đạt giá trị lớn m1 + m2 )n (1 điểm) Do L thay đổi, người ta tìm giá trị m Lmax đặc biệt tương ứng với đỉnh tín hiệu, k = ( + m2 )CLmax k =( Vẽ đồ thị với đỉnh tương ứng với Lmax Vấn đề Chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân Một người có triệu chứng bất thường não Bác sĩ đề nghị đưa vào bệnh viện chụp ảnh cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân, thường gọi tắt ảnh MRI (Magnetic Resounance Imaging) Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 131 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế Người bệnh nằm giường nhỏ từ từ đẩy cho đầu vào vòng to Phòng lặng im, thấy máy tính hoạt động Lát sau bác sĩ cho người thấy hình ảnh lớp cắt ngang đầu với đường cong trắng hộp sọ, nếp gấp vỏ não, hốc mắt, mũi đặc biệt có mạch máu nhỏ bị rạn nứt, máu đỏ thấm ngoài, lớp mỡ màu trắng đục… Từ bác sĩ hội chẩn cách chữa trị khẩn cấp Vậy làm có ảnh cắt lớp đó? Nhớ lại số tượng vật lý thơng thường, ta hiểu cách chụp ảnh MRI Ta nhớ cho quay quay tít, quay dễ đứng thẳng đầu mũi nhọn Nhưng lát quay bắt đầu đảo, nghĩa quay trục quay bị nghiêng so với phương thẳng đứng có thêm chuyển động đảo: trục quay quay quay quanh phương thẳng đứng (Hình chup) Cái gây nên chuyển động đảo: trọng trường đất kết hợp với chuyển động quay quay Người ta đặc trưng chuyển động quay tít chung quanh trục quay véc tơ hướng theo trục quay lớn hay nhỏ tuỳ theo quay nặng hay nhẹ, quay nhanh hay chậm gọi mơmen quay quay Có thể nói tác dụng trọng trường, mômen quay quay bị đảo quanh phương trọng trường với tần số Chuyển động đảo gọi chuyển động Larmor tần số quay đảo gọi tần số Larmor Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 132 Trọng tường Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế • Quay đảo Hình Chuyển động quay đảo (tiến động quay) Từ trường H Từ trường H Tương tự thể có nguyên tử mà hạt nhân có mơmen từ, giống hạt nhân có gắn nam châm cực nhỏ Dưới tác dụng từ trường ngồi, mơmen từ hạt nhân quay đảo với tần số Larmor, thí dụ L (Hình 2) Khi mơ men từ hạt nhân quay đảo với tần số L , ta dùng máy phát để phát sóng điện từ với tần số  L chiếu thẳng vào hạt nhân, hạt nhân quay bị tác dụng lực xoay chiều tần số có tượng cộng hưởng, cộng hưởng từ hạt nhân (Hình 3) Khi có cộng hưởng, chuyển động quay đảo mơ men từ hạt nhân trở nên cực mạnh, véctơ mô men từ gần quay mặt phẳng vuông góc với từ trường ngồi Nếu khơng tác dụng sóng điện từ nữa, khơng cịn cộng hưởng, mơ men từ trở lại quay đảo bình thường quanh từ trường ngồi, tức gần song song với từ trường ngồi • Sóng vơ tuyến • Hình Momen từ hạt nhân quay đảo bình Hình Momen từ hạt nhân quay đảo cực mạnh có cộng hưởng thường có từ trường Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 133 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế phép chụp MRI, cuộn dây thật to cuộn dây siêu dẫn, tạo từ trường lớn, cỡ vài Tesla Đầu người bệnh nằm cuộn dây to tức đặt từ trường cao cuộn dây nam châm siêu dẫn Thường người ta ý đến mô men từ hạt nhân nguyên tử hiđrô thể ta chỗ hay nhiều có nước, mà nước H O , tức có ngun tử hiđrơ Đầu bệnh nhân nằm cuộn dây siêu dẫn, mômen từ ngun tử hiđrơ có chuyển động đảo Larmor Nếu ta lại tác dụng vào khu vực có đầu bệnh nhân sóng vơ tuyến có tần số Larmor, tượng cộng hưởng xảy hạt nhân ngun tử hiđrơ Nếu tắt sóng vơ tuyến hạt nhân lại quay trở lại quay đảo thông thường, không mạnh lúc cộng hưởng Mômen từ hạt nhân từ trạng thái cộng hưởng quay trạng thái quay đảo bình thường giống quay nam châm sinh xung quanh biến thiên từ trường, sinh dòng điện cảm ứng khu vực có từ trường biến thiên có vịng dây dẫn Thời gian từ lúc tắt sóng vơ tuyến để mômen từ hạt nhân từ chỗ quay mạnh theo kiểu cộng hưởng trở trạng thái bình thường gọi thời gian hồi phục Suất điện động sinh vòng dây dẫn dài hay ngắn, mạnh hay yếu tuỳ thuộc vào thời gian hồi phục nói Có thể chọn từ trường cuộn siêu dẫn gây có giá trị thích hợp, phù hợp với tần số sóng vơ tuyến kích thích, ta làm cho hạt nhân nguyên tử hiđrô đầu người đặt cuộn siêu dẫn có cộng hưởng Khơng thế, người ta cịn dùng thêm cuộn dây tạo gradient từ trường phụ để tất mà hạt nhân ngun tử hiđrơ thể tích cỡ vài milimét khối đầu có cộng hưởng thơi Thay đổi gradient từ trường cách thích hợp, “qt” thể tích cộng hưởng theo lớp này, lớp v.v… Bây giả sử thể tích nhỏ đầu có cộng hưởng, mơmen từ hạt nhân nguyên tử hiđrô quay mạnh theo phương gần vng góc với từ trường (từ trường cuộn dây siêu dẫn) Nếu tắt sóng vơ tuyến, tượng cộng hưởng khơng cịn nữa, momen từ hạt nhân nguyên tử hiđrô quay gần song song với từ trường ngồi Mơmen từ quay tương tự nam châm làm cho từ trường xung quanh bị biến thiên, đặt gần cuộn dây đo có suất điện động cảm ứng sinh cuộn dây đo Kỹ thuật ngày cho phép đo suất điện động cảm ứng nhỏ mà cịn phân biệt hình dạng ???????? Như vậy, ta hiểu rõ nguyên lý cách chụp ảnh MRI trường hợp nguyên tử theo dõi hiđrô Tương tự, người ta chụp ảnh MRI với nguyên tử theo dõi oxy, natri, v.v Đặc biệt, oxy, nhiều khu vực não, nơi hoạt động nhiều máu đến nhiều, oxy tăng lên Do chụp ảnh MRI theo cộng hưởng nguyên tử oxy, ta biết cấu tạo mà cịn biết chức phần vỏ não Người ta Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 134 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế cịn gọi chụp ảnh cộng hưởng từ chức (fMRI – functional MRI) Thí dụ, biết học sinh làm tốn vùng vỏ não hoạt động mạnh Chụp ảnh MRI fMRI thuộc loại ứng dụng tối tân vật lý vào lĩnh vực y học Những nhà khoa học sáng chế phương pháp chụp ảnh giải Nobel Vấn đề Lị vi sóng Hiện lị vi sóng trở thành dụng cụ phổ biến gia đình, dùng để nhanh chóng hâm nóng đĩa thức ăn, đun sơi cốc cà phê, nướng lại miếng bánh mỳ , chí cịn để nấu ăn phức tạp v.v…Vậy cấu tạo hoạt động lị vi sóng nào? Lị vi sóng có dạng tủ (hình 1), góc có nguồn phát sóng điện từ tần số cỡ 2500 MHz tức có bước sóng  cỡ 12cm Trong vơ tuyến điện, sóng điện từ có  vào cỡ thường gọi vi ba vi sóng Sóng điện từ dao động lan truyền hai véc tơ điện trường từ trường Khi chiếu vào chất, chất có phân tử bị phân cực, nghĩa phân tử có trung tâm điện tích dương trung tâm điện tích âm tách tạo thành lưỡng cực điện (thí dụ phân tử nước (hình 2)), điện trường tác dụng làm cho phân  tử quay theo điện trường Nói xác véc tơ điện trường E có xu  hướng làm cho véc tơ phân cực p lưỡng cực điện quay theo chiều điện   trường E Nhưng sóng điện từ, véctơ từ trường E thay đổi nên lưỡng cực điện, thí dụ phân tử nước, thay đổi theo Mặt khác, xung quanh phân tử bị phân cực cịn có phân tử khác nên tác dụng điện trường phân tử quay tự mà bị cọ sát, nên nóng lên Tóm lại, lị vi sóng, chất có phân tử phân cực nước, mỡ, đường… hấp thụ lượng sóng điện từ biến thành nhiệt làm nóng thức ăn Đối với thức ăn thơng thường thịt, cá… sóng điện từ (vi sóng) sâu vào vài centimét nên phía ngồi nóng trước dẫn nhiệt vào bên Vì nấu ăn lị vi sóng khơng nên thái miếng to q Sóng điện từ gặp thành lị kim loại bị phản xạ lại dễ tạo thành sóng đứng lò Thức ăn chỗ bụng sóng đứng nóng lên cịn chỗ nút khơng nóng Vì lị vi sóng có mâm thuỷ tinh để quay đĩa, bát đựng thức ăn, có loại cịn có cánh quạt quay chậm phía trước (hình 1) để vị trí nút, bụng thay đổi liên tục cửa lị vi sóng có thuỷ tinh để dễ nhìn thấy bên Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 135 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế ln ln có lưới kim loại áp vào thuỷ tinh Lưới kim loại có mắt lưới cỡ vài milimét, có tác dụng ngăn khơng cho vi sóng (bước sóng hàng chục milimét) lọt ngồi có hại cho người nhìn Cịn ánh sáng từ đèn sáng bên có bước sóng vào cỡ nửa micromet dễ dàng lọt qua lỗ lưới đến mắt người nhìn để thấy rõ bên Hình Hình Từ nguyên lý hoạt động lị vi sóng, ta suy số điểm cần lưu ý sử dụng: - Khơng dùng lị vi sóng để làm nóng vật q khơ mà có chất lỏng, ướt, có nhiều phân tử phân cực thích hợp - Không để vật nhỏ, kim loại vào khu vực nấu lị vi sóng Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 136 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế III Hiệu sáng kiến đem lại: Hiệu kinh tế Qua nhiều năm tập huấn học sinh giỏi tơi nhận thấy rằng, chun đề vật lí ngun tử chuyên đề hay khó phần phát triển tư học sinh tốt, mảng kiến thức tương đối rộng, áp dụng nhiều phương pháp giải tập vật lý phần nhiều phần kiến thức chương học, tĩnh điện, từ trường Chuyên đề huấn luyện nhiều hệ học sinh có trình độ khoa học kĩ thuật cao, làm nhiều lĩnh vực, tạo cải vật chất cho xã hội, nhiều em học sinh nhận nhiều xuất học bổng du học trị giá hàng tỉ đồng Hiệu mặt xã hội Chuyên đề góp phần vào q trình đạo tạo thành cơng nhiều hệ học sinh đạt giải quốc gia, quốc tế khu vực, tạo hiệu ứng tốt cho xã hội - Đề tài đưa phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng đời sống hàng ngày Các phương pháp trên tương đối phù hợp với trình độ nhận thức học sinh phổ thơng, học sinh chuyên, sinh viên đại học thầy, cô giáo Mẫu nguyên tử theo học lượng tử chưa nhắc tới tài liệu chuyên, xuất đề thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế - Sau phần đề tài có tập minh họa, giới thiệu đề thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế Tuy nhiên cách nghiên cứu áp dụng mang tính chủ quan cá nhân tác giả, cịn thiếu sót Tác giả mong muốn nhận phản hồi, góp ý đồng nghiệp, em học sinh để đề tài hoàn thiện, vận dụng hiệu giảng dạy, áp dụng rộng rãi điều kiện chung giáo dục Cũng để góp phần nhỏ bé làm phong phú thêm phương pháp dạy học nhằm nâng cao chất lượng dạy học trường phổ thông, đặc biệt trường chuyên Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 137 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế IV Cam kết không chép vi phạm quyền Chúng cam kết không chép vi phạm quyền tác giả khác TÁC GIẢ SÁNG KIẾN Nguyễn Văn Huyên Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 138 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Tg Nguyễn Minh Thủy , Vật lí nguyên tử, NXB Đại học Sư phạm, 2011 Vật lí nguyên tử hạt nhân – Tài liệu Trường Đại học SP TP HCM (TLLHNB) Yung- Kuo Lim, Bài tập lời giải Cơ Học, Trường Đại học Khoa học công nghệ Trung Hoa; Người dịch PGS, TS Dương Ngọc Huyền PGS, TS Nguyễn Trường Luyện, NXB Giáo dục Việt Nam Thầy Vũ Thanh Khiết (CB) – Bồi dưỡng học sinh giỏi THPT, NXB Giáo dục Việt Nam Đề thi HSG Quốc gia Đề thi vòng chọn đội tuyển HSQG thi quốc tế Vật lý nguyên tử hạt nhân – Trần Thể - Đại học An Giang Vật lý nguyên tử hạt nhân – Thái Khắc Định – Đại học Sư Phạm TPHCM Vật lý nguyên tử hạt nhân – Lương Văn Tùng – Đại học Đồng Tháp Các đề thi học sinh giỏi Olympic DHĐB Bắc Bộ, thi HSG quốc gia Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 139 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế MỤC LỤC Tiêu đề Trang PHẦN THỨ NHẤT THÔNG TIN CHUNG VỀ SÁNG KIẾN BÁO CÁO SÁNG KIẾN I Điều kiện hoàn cảnh tạo sáng kiến: II Mô tả giải pháp Mô tả giải pháp trước tạo sáng kiến .2 Mô tả giải pháp sau có sáng kiến .2 CHƯƠNG I NGUYÊN TỬ .2 1.1 Mẫu nguyên tử Thomson .2 1.2 Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford 1.2.1 Mẫu hành tinh nguyên tử RUTHERFORD .4 1.2.2 Góc tán xạ Rơdơpho (Rutherford) 1.2.3 Hạn chế mẫu hành tinh nguyên tử RUTHERFORD 1.3 Mẫu nguyên tử Bohn 1.3.1 Quy luật quang phổ nguyên tử Hydro 1.3.2 Hai tiên đề BOHR 1.3.3 Cấu trúc nguyên tử theo lý thuyết BOHR .10 1.3.4 Phương pháp trường xuyên tâm mẫu BOHR .14 CHƯƠNG II: NGUYÊN TỬ THEO LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ .20 2.1 Những luận điểm học lượng tử : 20 2.1.1 Lưỡng tính sóng hạt hạt vi mô: 20 2.1.2 Nguyên lý bất định Heisenberg; .21 2.1.3 Hàm sóng : .22 Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 140 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế 2.1.4 Nguyên lý chồng chất trạng thái : 22 2.1.5 Ý nghĩa thống kê hàm sóng: 22 2.2 Phương trình Schrodinger cho nguyên tử H2 ion tương tự H2 23 2.3 Phân bố xác suất tìm thấy electron nguyên tử .24 2.3.1.Mật độ xác suất .24 2.3.2.Mật độ xác suất .24 2.3.3.Mật độ xác suất .25 2.4 Bốn số lượng tử :: 26 2.4.1 Lượng tử số Năng lượng trạng thaí dừng nguyên tử .26 2.4.2 Lượng tử số quỹ đạo- mômen quỹ đạo electron: 28 2.4.3 Lượng tử số từ Lượng tử hố khơng gian: 30 2.4.4 Mômen từ electron: 31 2.4.5 Spin electron : 32 2.5 Nguyên tử nhiều electron 33 2.5.1 Trạng thái electron nguyên tử nhiều electron- Hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập 34 2.5.2 Các quy luật phân bố electron vào nguyên tử nhiều e 36 2.6 NGUYÊN TỬ HIDRO THEO LÝ THUYẾT CƠ LƯỢNG TỬ 37 2.6.1 Chuyển động electron trường xuyên tâm theo quan điểm lượng tử 37 2.6.2 Các số lượng tử 42 2.6 Các hàm riêng 43 2.6.4 Quang phổ nguyên tử hidro .44 2.6.5 Sự phân bố electron quanh hạt nhân nguyên tử hidro .46 CHƯƠNG III VẬN DỤNG 49 3.1 Vận dụng lí thuyết để giải vấn đề nguyên tử Hidro 49 3.1.1 Chuyển động electrôn nguyên tử hiđrô 49 Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 141 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế 3.1.2 NGUYÊN TỬ KIM LOẠI KIỀM 55 3.1.3 MÔMEN ĐỘNG LƯỢNG VẦ MÔMEN TỪ CỦA ELECTRÔN .57 3.1.4 NGUYÊN TỬ H VÀ CÁC ION TƯƠNG TỰ 58 3.1.5 Bài tập ví dụ 63 3.2 Vận dụng mẫu nguyên tử THOMSON RUTHERFORD 72 3.3 Vận dụng mẫu nguyên tử RUTHERFORD .85 3.4 Bài tập mơ hình ngun tử theo thuyết BOHR .91 3.5 Vận dụng thuyết Borh cho quang phổ vạch nguyên tử Hidro 104 3.6 Vận dụng đặc tính nguyên tử 113 3.7 Vận dụng mẫu nguyên tử theo học lượng tử .118 3.8 Vận dụng vào sống 126 III Hiệu sáng kiến đem lại: 137 IV Cam kết không chép vi phạm quyền 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 142 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế CƠ QUAN ĐƠN VỊ ÁP DỤNG SÁNG KIẾN (Xác nhận, xếp loại, đánh giá) SỞ GIÁO DỤC - ĐÀO TẠO (Xác nhận, xếp loại, đánh giá) Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 143 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐƠN YÊU CẦU CƠNG NHẬN SÁNG KIẾN Kính gửi: SỞ GIÁO DỤC- ĐÀO TẠO NAM ĐỊNH Tôi : Nguyễn Văn Huyên Sinh ngày : 02/10/1978 Nơi công tác : Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Chức vụ : Tổ trưởng chun mơn Trình độ chun mơn : Thạc sỹ vật lí - Là tác giả đề nghị xét cơng nhận sáng kiến: “Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế” - Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Phương pháp giảng dạy - Ngày sáng kiến áp dụng lần đầu áp dụng thử: 12/2000 - Mô tả chất sáng kiến: + Vật lý nguyên tử phần kiến thức có ứng dụng thực tiễn mạnh mẽ sôi động, nhiên q trình giảng dạy có nhiều vấn đề gây khơng khó khăn cho học sinh giáo viên Vì việc tìm hiểu sâu lí thuyết, tập, ứng dụng Vật Lý nguyên tử điều thiết thực trình dạy học Vật Lý + Với hệ thống tập, tác giả hướng dẫn HS phương pháp giải khoa học từ phương pháp chung áp dụng cho toán đến phương pháp áp dụng cho số trường hợp riêng lẻ Tác giả nhận thấy phần kiến thức khó chương trình vật lý THPT, đặc biệt chương trình Vật lý chuyên, nên rèn Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 144 Các phương pháp nghiên cứu nguyên tử, ứng dụng nguyên tử thực tiễn kì thi THPTQG, kì thi Olympic Khu vực, Quốc tế cho HS kĩ giải tập cách thành thục tốt cho trình học em khơng mơn Vật lí mà cịn mơn khác - Những thông tin cần bảo mật có: Khơng - Những điều kiện cân thiết để áp dụng sáng kiến: Dành cho đối tượng học sinh phổ thông, học sinh chuyên, học sinh giỏi Quốc gia, thi Olimpic Quốc tế, sinh viên trường kĩ thuật, khối ngành thiết bị y sinh - Đánh giá lợi ích thu dự kiến thu áp dụng sáng kiến theo ý kiến tác giả: Chun đề góp phần vào q trình đạo tạo thành công nhiều hệ học sinh đạt giải quốc gia, quốc tế khu vực, tạo hiệu ứng tốt cho xã hội, nhiều em nhận học bổng du học hàng tỉ đồng trường đại học top đầu giới Danh sách người tham gia áp dụng thử áp dụng lần đầu: STT Họ tên Đơn vị Hà Văn Quyền THPT chuyên Quang Trung, tỉnh Bình Phước Võ Quốc Á THPT Chuyên Nguyễn Bỉnh Khiêm, Quảng Nam Tôi (chúng tôi) xin cam đoan thông tin đơn trung thực, thật hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật Nam Định, ngày 27 tháng năm 2021 Người nộp đơn (ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Văn Huyên Ths Nguyễn Văn Huyên- THPT chuyên Lê Hồng Phong Nam Định Trang 145