Диссертация (971979), страница 40

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

Текст из файла (страница 40)

Онназвал ее ядром, использовав по аналогии термин,принятый в биологии иобозначающий центральную часть живой клетки. Это и есть планетарная модельатома.Преподаватель. В вашем распоряжении две структурных модели атома:ТомсонаиРезерфорда.Попробуйтеобосноватьнеобходимостьотдатьпредпочтение модели Резерфорда, опираясь на результаты эксперимента.Студент. Главная цель опытов как раз и состояла в том, чтобы выяснить,распределено ли положительное электричество, как предполагали Кельвин и Дж.232Томсон, по всему объему атома или оно сосредоточено в некоторой области атома(в его ядре). В первом случае -частица при соударении с атомом не могла бырезко изменять направление своего движения, во втором случае ядерногостроения атома - простые расчеты предсказывали, что при соударении -частиц сатомом должны наблюдаться самые разные углы отброса -частицы (в том числеи назад).Преподаватель.

Попробуйте доказательно обосновать массивность ядраатома.Студент. Для того, чтобы сделать правильные заключения из опытовРезерфорда, надо было выяснить, является ли рассеяние на большие углырезультатом многократных столкновений -частиц с атомами или это результатоднократногостолкновения.наблюдаемыебольшиеТеоретическоеотклонениянеисследованиемогутпроисходитьпоказало,вчторезультатемногократных отклонений на небольшие углы. Анализируя эти результаты,Резерфорд пришел к заключению, что отклонение на большой угол происходит врезультате однократного взаимодействия -частицы с положительным зарядом,связанным с большой массой, и что очень существенно, заключенной в объеме,очень малом по сравнению с объемом атома.Преподаватель.

А можно ли было, исходя из экспериментальных данных,оценить размеры самого ядра?Студент. Да. Это можно оценить, используя следующий прием. Пусть присоударении -частицы с ядром какого-либо атома центр ядра расположен напрямой, по которой движется -частица. Если происходит соударение, токинетическая энергия -частицы к моменту ее остановки превращается впотенциальную энергию отталкивания от ядра и:mv2 2eZe.2rИз этих соображений и был впервые измерен радиус ядра Резерфордом.Оказалось, что по порядку величины он примерно в 10 4 раз меньше радиусаатома.233Преподаватель. Но при этом вы выходите из справедливости законаКулона при взаимодействии -частицы и ядра.

А вдруг это не так?Студент.Сравниваярезультатывычисленийиэкспериментальныхнаблюдений рассеяния -частиц, Резерфорд, Гейгер и Марсдем показали, чтозакон Кулона для взаимодействия между ядром и -частицей остается вернымпри их сближении до расстояний несколько меньших чем 10 -13м. Проделаннымиими опытами было установлено, что радиус атомных ядер серебра и золота непревышает 3,210-14м. Все это означает, что массивные положительно заряженныемассы в атоме занимают ничтожный объем.Преподаватель: Тогда вопрос снимается, т.е. вы это отвечали с сознаниемдела.А кто из вас может нам сообщить еще одно чрезвычайно важное открытие,кроме ядерного строения атома, которое следовало из опытов Резерфорда?Затрудняетесь... Тогда вновь даем возможность поработать экспертам.Эксперты.

Кроме открытия ядерного строения атомов опыты Резерфорда ифотографии в камере Вильсона привели к очень важному открытию: былоустановлено, что число электронов в атоме равно атомному номеру элемента Z впериодической системе Менделеева. Поскольку атом в целом нейтрален, тоочевидно, что положительный заряд ядра равен Zе, где Z - число электроновсвязанных с ядром и обращающихся вокруг ядра.Преподаватель.Хорошо.Теперьпопробуйтеподвестиитогипоисследованию структуры атома.Эксперты.

Было выяснено, что: 1) атомы имеют ядерное строение, причемв ядре сосредоточена почти вся масса атома; 2) ядра имеют размеры порядка 10 14м; 3) число электронов в атоме, обращающихся вокруг ядра и связанных с нимсилами кулоновского притяжения, равно атомному номеру Z элемента впериодической системе Менделеева, а заряд равен + Zе; 4) размеры атома иэлектронных орбит настолько велики в сравнении с размерами ядра, чтовнутренняя структура ядра почти не оказывает влияния на взаимодействиеэлектронов с ядром, поэтому силы, связывающие электроны с ядром, подчинены234закону Кулона.Преподаватель. Завершая первую часть этого диалога, я хотел бы особосказать о теореме Ирншоу, о которой мы говорили очень кратко, информационнопри рассмотрении модели атома Кельвина и Томсона. Мне хочется подчеркнутьэвристическую силу теоремы, которая может выступать в качестве приемапознавательной деятельности.Действительно, теорема утверждает: “система покоящихся точечныхзарядов, находящихся на конечном расстоянии друг от друга, не может бытьустойчивой”.

Она была сформулирована в 19 веке и вытекает из утверждения, чтопотенциальная энергия статистической системы зарядов не может иметьминимума. Наличие же минимума потенциальной энергии является необходимымусловием устойчивого развития системы.Из теоремы, как видно, следует, что атом не может быть построен изнеподвижных зарядов, связанных между собой электрическими силами, и долженпредставлять собой динамическую систему!Вы чувствуете, какой мощный познавательный аппарат уже был у ученых,когда они взялись за решение проблемы структуры атома?!Теперь, понимая, что модель атома нам нужна для того, чтобы, используяее, описатьосновные свойства атома, попробуйте записать уравнение,описывающее поведение электрона в атоме.Студент.

Для простоты предположим, что электрон движется вокруг ядрапо круговой орбите радиуса r. Кулоновская сила взаимодействия между ядром иэлектрономсообщаетэлектронуцентростремительноеускорение.Тогдаповедение электрона будет описываться вторым законом Ньютона:Fкул.= maц.с. или Zee / 40 r2 = mv2/ r (),где v- скорость электрона на орбите радиуса r,0 - электрическаяпостоянная.Преподаватель. Верно. Теперь проанализируйте полученное уравнение ипокажите, какой спектр излучает атом Резерфорда.Студент. Уравнение () содержит две неизвестные r и v.

Следовательно,235существует бесчисленное множество значений скорости, а значит, и энергии,удовлетворяющих этому уравнению. Поэтому величины r, v и  могут менятьсянепрерывно и при переходе с одной орбиты на другую, более близкую к ядру,может испускаться любая энергия, т.е. спектры атомов должны быть сплошными.Преподаватель. Это согласуется с экспериментальными данными?Студент. В действительности же опыт показывает, что атомы имеютлинейчатый спектр.Преподаватель.

Значит эта модель так же как и модель Томсона тоже несмогла объяснить линейчатый спектр атома.Таким образом, Вы обнаружили существенный недостаток в моделиРезерфорда - она не соответствует реальным фактам.Как будущий педагог, на какие недостатки этой модели вы хотели бы ещеобратить внимание учащихся?Студент. Я бы предложил, чтобы учащиеся оценили ускорение, с которымдвижется электрон. Тем самым мы не просто мимоходом скажем об ускоренномдвижении электрона, но и о конкретном ускорении.

Учащийся должен будет ещераз записать второй закон Ньютона Fкул.= maц.с. и, воспользовавшись закономдвижения электрона () показать, что aц.с= υ2/ r и получить численное выражениеaц.с= 1022 м/с2.Затем я бы обязательно обратил внимание на то, что электрон - этоэлектрически заряженная частица. Можно, например, обратиться к учащимся свопросом: каким специфическим свойством различаются нейтрон и электрон?После этого можно было спросить, чем отличаются в электродинамикедвижение электрически заряженных частиц в случае, если они движутсяравномерно и ускоренно.Преподаватель.

Очень хорошо. Какой же ответ при этом вы предполагаетеуслышать от учащихся?Студент. Согласно электродинамике, ускоренно движущиеся электроныдолжны излучать электромагнитные волны и в следствие этого непрерывнотерять энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце236концов упадут на него. Таким образом, атом Резерфорда оказываетсянеустойчивой системой, что опять-таки противоречит действительности.Преподаватель. Это верно, но вот Вам кто-то задает вопрос: а какпонимать, что атом является неустойчивым? Электроны проникли в ядро ивозникла просто другая, но устойчивая система.Попробуйте провести последовательно анализ всего этого процесса,который вытекает из модели Резерфорда.Студент. Я нигде не встречал такого анализа, хотя у меня всегда былокакое-то неудовлетворение в понимании вывода о неустойчивости атома.Преподаватель. Обратимся к нашим экспертам, которые тоже не могливстретить ответа в учебниках, но это наш “коллективный мозг” и пусть онипоразмышляют над этим вопросом.Эксперты после дискуссии друг с другом: В своих суждениях мы началис рассмотрения структуры атома Резерфорда, обратив внимание, что: 1) атом вцелом имеет размеры порядка 10 -10м; 2) ядро имеет размер порядка 10-15м; 3) атомимеет ажурное строение, где объем вещества чрезвычайно мал по сравнению с“пустым” пространством между электронами и ядром; 4) если атом ажурен, тоажурны и макроскопические тела, в которых больше пустоты, чем вещества; 5)макроскопические тела существуют благодаря химическим связям, за которыеответственны электроны, а значит эти связи проявляются далеко от атомных ядер;6) сильные (ядерные) связи себя практически никак не проявляют в химическоймакроструктуре; 7) плотность ядерного вещества, определяемая в основномядерным взаимодействием, огромна по сравнению со средней плотностью атома,так как основная масса сосредоточена в ядре атома и занимает по сравнению сатомом ничтожную долю.Все перечисленные характерные свойства атома и некоторые следствия изних привели нас к следующему выводу.Если бы действительно электроны оказались внутри ядра, то мы бы имеливсе-таки более устойчивую микроскопическую систему, но при этом потеряли быустойчивость макротел.

Действительно: 1) “атом” стал бы иметь размеры порядка23710-15 м; 2) ажурность была бы ликвидирована; 3) химические связи были быневозможны, а значит существование макротел в обычном понимании было быневозможным; 4) при определенных условиях, когда сильные взаимодействиямогли бы проявить себя как силы притяжения, могли существовать макротелатипа нейтронных звезд с чудовищной плотностью  =400106 т/см3.Преподаватель. Вот вам пример, что по настоящему мышление включаетсятогда, когда появляется проблема. Вы хорошо справились с этой задачей ипоказали,проводитьчтоумеетесравнения,переноситьзнания,использоватьанализировать,логическиесинтезировать,суждения,догадки,предположения, доказательства, делать обоснованные выводы.Однако несколько замечаний по задаче.

Характеристики

Список файлов диссертации