Диссертация (971979), страница 38

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 38)

Более того, стало особоясно, что есть необходимость рассмотреть каждую в отдельности модель, но сисследованием преемственности в их развитии. Ведь в системе развивающегообучения важна не информация о существовании той или иной модели, а сампроцесс познавательной деятельности. Теперь хотелось бы остановитьсянесколько подробнее на квантовых представлениях об атоме.Итак, вы сказали о том, что квантовая модель атома во всех учебникахфизики рассматривается одна и сопоставляется с моделью атома Бора.Вы исходите из формальных соображений, а если проанализироватьсодержательную сторону этого вопроса.

Имеются ли в физике квантовые моделиатома, которые существенно различаются друг от друга?Давайте дадим слово экспертной группе студентов.222Экспертная группа. Мы думаем, что в настоящее время есть смыслговорить, по крайней мере о двух качественно различающихся моделях атома.Это, если можно сказать, классическое представление модели атома, когда вотличие от атома Бора существенно меняется взгляд на поведение электрона.Квантовая модель атома при этом отказывается от классического представленияоб электронных орбитах, поскольку при движении электрона в атоме оказываютсясущественными его волновые свойства.

Согласно квантовой механике, каждомуэнергетическому состоянию соответствует волновая функция, квадрат модулякоторой определяет вероятность обнаружения электрона в единице объема. Врезультате электрон в структуре атома при своем движении рассматривается какэлектронное облако, плотность которого характеризует вероятность нахожденияэлектронавразличныхточкахобъемаатома.Приэтомядроатомарассматривается как центральное структурное образование, состоящее изпротонов и нейтронов, взаимодействие которых определяется механизмом обмена-мезонами. Таким образом, ядерное взаимодействие, а значит и самосуществование ядер атома, определяется обменом нуклонов виртуальнымимезонами.Вторая квантовая модель атома принимает усовершенствованную схемуповедения электрона, принятую первой квантовой моделью, но при этомсовершенствуетмодельядраатома.Этамодельатомавквантовойхромодинамике, в которой механизм ядерного взаимодействия строится пообразцу квантовой электродинамики, но на более фундаментальном уровне, когдаспособность частиц к взаимодействию определяется не их электрическимизарядами, а цветовыми зарядами кварков.Преподаватель.

Думаю, что экспертная группа хорошо справилась спроблемой, а теперь кратко объясните специфику сильного взаимодействия вхромодинамике. Попробуйте показать как строится новая физическая модель, ееструктура и как проявляется преемственность в научном познании.Студент. В сильном взаимодействии непосредственно участвуют толькокварки.Вкачествеегопереносчиков223выступаютвосемьэлектрическинейтральных безмассовых глюонов, несущих цвет и антицвет. Обмениваясь ими,кварки изменяют свой цвет, но не аромат. Сами глюоны участвуют только всильном и гравитационном взаимодействии.

Ядерные силы как раз являютсярезультатом наличия у нуклонов “скрытого” цвета. Таким образом, в ядерномвзаимодействии рассматриваемой квантовой модели атома нуклон участвует не вкачестве единого целого, а своими составными элементами - кварками. Ведь онявляется белой частицей и его полный цветовой ряд равен нулю.Преподаватель. Используя метод аналогии, покажите, что с подобнойситуацией вы уже встречались в обычной квантовой механике.Студент. Ситуация напоминает ту, которая известна из обычной квантовоймеханики: электрически нейтральные атомы водорода связываются в молекулу засчет электромагнитных сил, действующих между их составными элементами.Преподаватель.

Очевидно к экспертам: “А обмен нуклонов пионами врассматриваемой модели вообще исключается?”Эксперты. Такой обмен не исключается и в квантовой хромодинамике, ноего трактовка изменяется. Кварк, принадлежащий одному нуклону, переходит вдругой нуклон, кварк которого в свою очередь переходит в первый нуклон. Витоге возникает эффективный обмен парой q-q, которая и есть пион.Следовательно преемственные связи между старыми и новыми знаниямисохраняются.Преподаватель. Верно, но следует при этом заметить, что в настоящеевремявосновномэтокачественныепредставления,аколичественнойдинамической теории ядерных сил по прежнему еще не существует. Так чтодерзайте!Но продолжим диалог об атоме, и основное внимание уделим приемамдоказательства, имеющих целью обосновать истинность или ложность того илииного утверждения.

Скажите, атом в целом нейтрален или заряжен?Студент. Атомы нейтральны, т.к. заряд ядра равен суммарному зарядуэлектронов, движущихся вокруг ядра.Преподаватель. А если, например, удалить или добавить к атому электрон224- как называется эта система частиц вещества?Студент. Это ион. В первом случае - положительный ион, во втором отрицательный.Преподаватель. А ион - это новый химический элемент или тот же, что исоответствующий ему атом?Студент. Ион представляет собой тот же химический элемент, что исоответствующий нейтральный атом.Преподаватель.

Верно, но тогда интересно знать: “Что надо сделать сатомом, чтобы он превратился в иной химический элемент?”Студент. Затрудняюсь.Преподаватель. Ну, от чего зависит положение химических элементов втаблице Менделеева?Студент. От числа протонов в ядре, которое определяет порядковый номерэлемента.Преподаватель. Верно, но тогда как вы ответите на предыдущий вопрос?Студент. Надо удалить или добавить протон в ядро атома.Преподаватель. А вот теперь вопрос казалось бы уводящий нас от беседыоб атоме, но в ближайшее время вы поймете, что это не так.Мы с вами входим постепенно в область противоречий, отношение ккоторымопределяеткультуру ума.Выдолжныощутить,чтоименнопротиворечие является мотором развития мышления. Более того, противоречие это сигнал для включения мышления на полную мощность.Скажите, может ли из системы вылететь то, чего там не было?Студент.

Наверное нет, т.к. это бы противоречило законам сохранениямассы и энергии.Преподаватель. Пока я воздержусь от оценки ответа, и попробую задатьвам еще несколько вопросов, а затем вернемся к нашему вопросу и ответу.Какие частицы являются структурными элементами ядра атома?Студент. Это протоны и нейтроны.Преподаватель. Верно, но тогда возникает вопрос: “Какими структурными225элементами атома обусловлены его радиоактивные свойства?” Я имею в видуиспускание радиоактивными элементами a,ß,- излучение.

Ответ начните собъяснения природы a,ß,- излучений.Студент. a-излучение представляет собой поток ядер гелия2Не, поэтому4заряд a-частицы равен +2е. ß-излучение представляет собой поток быстрыхэлектронов. -излучение представляет собой коротковолновое электромагнитноеизлучение с чрезвычайно малой длиной волны  10-10м и в следствие этого ярковыраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц - квантов.На главную часть вопроса я затрудняюсь ответить уверенно. Если бы вы незадали предварительно вопрос о структуре ядра, то я бы ответил, что a,ß ичастицы вылетают из ядра атома.

И в этом я был уверен, но после анализаструктуры ядра и природы a,ß,- частиц у меня появились сомнения. a- частицы,очевидно вылетают из ядра, так как они состоят из нуклонов, которые и являютсяструктурными элементами ядра.- частицы, насколько я понимаю, испускаютсявозбужденным ядром при переходе его в основное состояние.

А вот ß-- частицы,являющиеся электронами, скорее всего вылетают из электронной оболочки атома,так как в ядре их нет.Преподаватель. Недавно, рассматривая вопрос от чего зависит положениехимических элементов в таблице Менделеева, вы сказали, что от числа протонов.Как же теперь разрешить возникшую проблему? Ведь, с одной стороны, мы ужеобговорили, что если электрон покидает атом, то в результате получается ионтого же химического элемента, но с другой стороны, явление ß--распадаподчиняется правилу смещения:ZХ Z+1YA +-1e0,Aа следовательно, при ß-- распаде возникает новый химический элемент,который стоит в таблице Менделеева дальше исходного элемента.В результате мы с вами оказались в тупике. Электрон не вылетает из ядра ине вырывается из оболочки атома.

Откуда же тогда он берется? Обратимся к226экспертам.Эксперты. Поскольку электрон не может вылететь из ядра как структурнаяединица и не вырывается из оболочки атома, то было сделано предположение, чтоß-электрон рождается в результате процессов, происходящих внутри ядра. Таккак при ß--распаде число нуклонов в ядре не изменяется, а Z увеличивается наединицу, то единственной возможностью одновременного осуществления этихусловий является превращение одного из нейтронов ß-- активного ядра в протон содновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино по схеме:11000n  1p +-1e +0eЭтотпроцесссопровождаетсявыполнениемзаконовсохраненияэлектрических зарядов, импульса и массовых чисел.Преподаватель.Противоречиеснято.Всерассуждениякорректны.Единственное на что хочу обратить внимание: данное превращение энергетическивозможно, так масса покоя нейтрона превышает массу атома водорода, т.е.протона и электрона вместе взятых.

Данной разности в массах соответствуетэнергия, равная 0,782 Мэв. За счет этой энергии может происходитьсамопроизвольное превращение нейтрона в протон; энергия распределяетсямежду электроном и антинейтрино.Студент. Но если превращение нейтрона в протон энергетически выгодно ивообщевозможно,тоэто,вероятно,объясняетпочемунаблюдаетсярадиоактивный распад и свободных нейтронов?Преподаватель. Совершенно верно. Исторически обнаружение этогоявления и стало подтверждением изложенной нашими экспертами теории ß-распада. Этот радиоактивный распад свободных нейтронов был обнаружен в 1950году и оказалось, что верхняя граница max энергии электронов как раз и равнауказанной выше - 0,782 Мэв.Обратите внимание, что именно процесс разрешения противоречий привели к новому качеству нашего диалога.

Первый раз в ходе диалога появилисьвопросы со стороны студентов, т.е. возросла активность всех участников диалога.А теперь я хотел бы вернуться к вопросу: “Может ли из системы вылететь227то, чего в ней не было?”.Студент.Теперьясно,чтоможет,есливсистемепротекаютсоответствующие реакции.Преподаватель. Давайте методом анализа и синтеза оценим свой путь вэтой диалоговой задаче и вернемся к исходному вопросу, который звучал так:“Что же такое атом?”. Помните, свои первые ответы? - “Это мельчайшая частицавещества”. Однако дальнейшие наши рассуждения разрушили эти представления.Мы прошли следующий путь в попытке ответить на этот вопрос: структурнаячастица молекулы  сложное строение атома  различные модели атома иатомных ядер  осознание, что протоны, и электроны являются основными“кирпичиками”, из которых построено вещество.

Характеристики

Список файлов диссертации