Текущая версия на 04:20, 9 июля 2012

Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Концепция атома как планетарной системы

                                                                1.4. Концепция атома как планетарной системы

Эта проблема возникла после открытия электрона. История поиска частицы «еще меньшей», чем атом, физические эксперименты Крукса и Томпсона интересно описаны в [5].  Параллельно с ними проводились  опыты по определению заряда ионов в химии. При электролизе воды в приборе Гофмана, в одной части сосуда, где помещен отрицательный электрод, выделяется водород,  в  другой -  кислород. Измерив  количество  прошедшего в  цепи  электричества  и  объем  полученного  водорода,  можно  рассчитать  заряд  одного иона водорода: q = 1,6.10^-19 Кл. Такое количество электрического заряда теряет атом водорода при ионизации.
   
Масса же при этом  остается почти неизменной, уменьшаясь примерно на  одну двухтысячную  от  величины  массы  атома  водорода.  Заряд  уносит очень маленькая по массе частица, которая и была названа  электроном. Заряды всех других ионов всегда кратны по абсолютной величине заряду иона водорода. Это  означает,  что  электроны  входят  в  состав  всех  атомов.  Более того, и  в химии, и  в физике  сформировалось устойчивое мнение о  том, что заряд  электрона  является  естественной  единицей  количества  электричества, меньше  которой  не  бывает. По меньшей мере,  два  вопроса  возникли  после подтверждения факта существования электрона:

1. Где находится электрон в составе нейтрального атома: снаружи или  внутри положительно заряженной массы?
2. Что собой представляет область положительного заряда?
 
В начале ХХ столетия были высказаны почти одновременно несколько гипотез  о  внутренней  структуре  атома.  При  этом  все  авторы  исходили  из принципа единства мира и подобия его частей.  Этот принцип имеет древнее происхождение. Считается,  что  его  высказал древнеегипетский мистик Гермес Тримегист фразой: «То, что находится наверху, подобно тому, что находится  внизу».  Поэтому  ожидалось,  что  объекты  микромира  могут  быть устроены наподобие объектов мегамира или макромира. Модели атома водорода, предложенные различными авторами, представлены на следующей схеме:


 
Какая из моделей верна? Ответ должен был дать эксперимент, таково общее правило в науке. Но какой эксперимент? Чем подействовать на атом?
 
Химические  методы  воздействий  приводили  к  ионизации  молекул  и атомов,  но  не  вскрывали  его «внутреннее  устройство». На  помощь  пришла физика, в арсенале которой к тому времени появились различные излучения с высокой проникающей способностью.  

Более ста лет назад (1896) А. Беккерель открыл явление радиоактивности.   Годом  раньше  В.  Рентген  обнаружил  таинственные  Х-лучи,  которые просвечивали, например, руку человека и оставляли на фотопластинке силуэты  фаланг  пальцев.  Для  современников  Рентгена  это  было  поразительно!

Позднее выяснилось, что Х-лучи, или рентгеновское излучение, представляет собой электромагнитные волны с энергией в десятки тысяч раз большей, чем у  фиолетового  светового  излучения.  Энергия  радиоактивного  гаммаизлучения, всегда сопровождающего альфа- или бета-распад, не менее чем в миллион  раз  выше  энергии  светового излучения. Все  электромагнитные излучения  электрически  нейтральны  и  не  могут  отклоняться  в  поле  отрицательных  или  положительных  зарядов. Для  целей  зондирования  распределения зарядов в атомах более подходящими являлись бета-частицы (электроны) и альфа- частицы (ядра атомов гелия).

В 1909  г.,  по  заданию  Э.  Резерфорда,  его  сотрудники  Г.  Гейгер  и Э. Мардсен  начали  исследования рассеяния альфа-частиц тонкими  (настолько, что они  становились  полупрозрачными  для  света)  пленками  золота. На  обычном  языке  это называлось бомбардировать  атом  альфа- частицами. Совершенно неожиданно  было  обнаружено,  что  малое  количество альфа-частиц (примерно  одна  частица  на 8000  падающих) отклоняется почти назад, под углом до 180°.

По  воспоминаниям Э. Резерфорда,  у него  было  ощущение,  что  пушечный  снаряд  отразился  от  листа  бумаги! Однако через день Резерфорд догадался, какой внутренней  структуре  атома  соответствуют результаты измерений.

Рассмотрим  силы  отталкивания,  которые  возникают  при  пролете  альфа-частицы сквозь атом. Чтобы остановить альфа-частицы, а затем разогнать их в обратном направлении, потенциальная энергия  электростатического  отталкивания  одноименно  заряженных  частиц   должна быть равна или больше кинетической энергии бомбардирующих частиц:


                                         
Как  следует  из  формулы (1.1),  огромное  значение  потенциальной  энергии взаимодействующих  зарядов  возможно  только  при  r -  чрезвычайно  малом. По модели Резерфорда  весь положительный  заряд  занимает  крошечную область, радиус которой меньше десяти в степени минус пятнадцатой метра. То есть примерно во столько раз меньше радиуса атома, во сколько раз радиус Солнца меньше радиуса самой удаленной от него планеты.

Мельчайшая  часть  вещества –  атом –  казалась  устроенной  наподобие Солнечной системы. От модели Резерфорда было впечатление, что принцип Гермеса Тримегиста получил физическое подтверждение. Невольно возникали ассоциации с куклой - матрешкой, где в одной оболочке оказывается помещенной другая, подобная по форме, но меньшего размера, в ней  следующая и так далее. Может быть, в природе нет конца этой лестнице ни вверх, ни вниз?   

На  основе  этого  предположения  появились  гипотезы  инфра-мира,  то есть мира меньшего масштабного уровня, и супра-мира - внешнего, большего по масштабу, чем обычный мир человека.
 
Суть  первой  гипотезы  прекрасно  показана  в  стихотворении  русского поэта Валерия Яковлевича Брюсова «Мир электрона»: 
 
Быть может, эти электроны -
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!

  Еще, быть может, каждый атом -
  Вселенная, где сто планет;
  Там все, что здесь, в объеме сжатом,
  Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же
их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.

  Их мудрецы, свой мир бескрайний
  Поставив центром бытия,
  Спешат проникнуть в искры тайны
  И умствуют, как нынче я.

Гипотетические мудрецы  на  электроне-планете  действительно  измеряли  бы время  в  единицах периода обращения  электрона  вокруг  ядра. И их  год был бы весьма скоротечен по сравнению с нашим астрономическим годом.

Альтернативная  гипотеза  супрамира  исходит  из  сходства  солнечной системы  с  атомами  фтора (F). Действительно,  в  солнечной  системе (до  открытия планеты Харона)  было известно 9 планет. А у  атома фтора имеется 9 электронов. Формально очень схожи по «устройству» эти две системы. Так, может быть, Солнечная система  и другие звезды - это некие мега-атомы, из которых  составляются  гигантские  по  размерам  мега-молекулы?  А  из  мегамолекул  построен  мега-организм - Вселенная?  Фантазируя  дальше, можно считать  этот  мега-организм  носителем  космического  разума.  Отголоском этой идеи является разумный Океан (Солярис) у писателя - фантаста С. Лема.

Можно также упомянуть мистические идеи Е. Блаватской о космическом Разуме и живой Вселенной.  

Мы рассматриваем эти гипотезы в разделе об истоках современного естествознания потому, что они иллюстрируют влияние  научных открытий на гуманитарный  компонент  культуры.  Элементы  новой  парадигмы  естествознания изменяют масштабы и  образ мысли  всего  человечества. Кроме  того, они привлекательны своей смелостью и выходом за привычные рамки мышления. Тем не менее, в них остается стереотип ожидания все меньших структурных частей по мере продвижения на более глубокие масштабные уровни:  
внутри матрешки может быть только меньшая.

По  современным  данным  принцип  матрешки  несостоятельный. В  последующем мы рассмотрим причины, по которым малые по массе микрочастицы содержат в себе не меньшие, а, наоборот, большие по массе и энергии  составляющие. Что касается звездных систем, то процессы их образования не копируют закономерности образования молекулярных систем и тем более закономерности развития живых организмов.

Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.