Версия 11:53, 26 марта 2012

Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Проблема адекватного описания микромира

1.5. Проблема адекватного описания микромира

Планетарная модель  атома  явилась  вершиной  классического  естествознания. Она же показала неприменимость его для адекватного описания микромира.
 
Классическая механика рассматривает электрон как материальную частицу, траектория которой при движении в атоме представляет собой замкнутую  кривую  второго  порядка,  например  окружность. Условием  нахождения электрона на  круговой  орбите  является  равенство  кулоновской  силы притяжения центростремительной  силе.
 
Классическая электродинамика утверждает, что при движении с ускорением (в том числе - центростремительным) любая заряженная частица является  источником  электромагнитных  волн.  Мощность  излучения  пропорциональна четвертой степени ускорения. При той величине ускорения, которое действует (по  классической механике) на  электрон   в  атоме, он должен излучить  всю  свою  энергию  за  время  порядка 10  нс. Опыт  показывает,  что излучение атома происходит не всегда. В нормальных условиях атомы не излучают.  

карт

Возникает  противоречие -  либо  модель,   либо  теория  неприменима  в области  атомных  размеров (~10-10 м). Попыткой “спасти  атом”  явились  постулаты  Нильса Бора.

Рассмотрим их смысл, не приводя тех определений, которые есть в любом учебнике физики.  

Постулаты Бора:
 
1. Утверждается существование стационарных состояний атома для которых  процесс излучения энергии запрещен.
 
2. Вводится  правило  для  нахождения  стационарных  состояний  атома.

Это правило состоит в приравнивании  значений механического момента импульса движения электрона по орбите целочисленному ряду значений:

карт

где n - целое число: 1,2,3,...   

3.  Разрешается  процесс  электромагнитного  излучения или поглощения при переходах между двумя стационарными состояниями.  

Используя  эти  постулаты,  Бор  рассчитал  возможные  размеры  электронных  орбит,  значения  энергии электронных состояний и спектр излучения атома водорода. Спектр очень хорошо согласовался с экспериментальными  данными. Тем  не менее  критики  теории Бора отмечали, что постулаты Бора введены эвристически: идея сформулирована в надежде, что потом удастся  понять, почему не любые по размерам и энергетическим состояниям орбиты реализуются в атомах.

В 1923 г. были выполнены опыты Дэвисона и Джермера по дифракции электронов. Уместно процитировать письмо Шредингера того времени: «Некоторые исследователи -  Девисон, Джермер и молодой Томпсон - приступили к выполнению опытов, за которые еще несколько лет назад их бы поместили  в психиатрическую больницу для наблюдения  за их душевным  состоянием. Но они добились успеха!»

карт

Эти опыты показали наличие волновых свойств у электронов. Каждый  отдельный   свободный  электрон  в определенных условиях проявляет свойства волны - дифракцию.  С учетом  волновых  свойств  Луи  Дебройль  сопоставил  движению  электрона  некоторый  волновой процесс. Любой волновой процесс характеризуется длиной волны ?. Согласно Дебройлю, для микрочастиц этот параметр определяется по формуле

карт

Она дает связь одного из параметров волнового процесса  с  обычными  характеристиками механического  движения  и позволяет понять смысл постулатов Бора, а именно, с волновой точки  зрения  стабильны  такие  орбиты,  на  которые  укладывается  целое  число волн Дебройля. Для них будет справедливым следующее выражение:

карт

В приведенных формулах обозначены: m - масса; V- скорость; n - целое
число;  r  -  радиус  орбиты  Бора;  ......... -  длина  волны Дебройля;  h -  постоянная Планка.

Считается,  что  на  орбите  установилась стоячая  электронная  волна,  аналогичная  звуковой стоячей волне на краю юбки колокола. Проблема  стабильности  кажется  разрешенной,  но  возникли  такие,  например,  классические вопросы: Как электрон движется между двумя орбитами? Волна Дебройля - это волна чего? Можно ли дать ответы на подобные механистические  вопросы,  оставаясь  в  привычных  рамках  понятий  классического  естествознания?

карт
 
Рис. 1.2. Схема бегущей волны  

Основная  трудность  здесь  в  том,  что  атом  и  движущийся  электрон  в нем непосредственно человеком не воспринимаются. Область микромира недоступна непосредственным  ощущениям человека. Необходимо было найти способы описания того, чего нельзя увидеть, потрогать, услышать....  

В  сознании  человека  отражается  окружающий  его  мир.  Сам  человек является частью мира, он включен в него. Можно условно вычленить, противопоставить его внешнему миру и пояснить ситуацию схемой рис. 1.3.

карт

Рис. 1.3. Схема условного выделения субъекта

Как  говорят  философы,  мир  дан  человеку  в  его  ощущениях.  Количественные
оценки различных ощущений были проведены в 50-е гг. нашего столетия, когда был разработан метод «Прямого субъективного шкалирования». Суть его достаточно проста: человеку в произвольном порядке предъявляют стимулы  различной  величины (например,
звук различной  громкости),  которые он произвольно  или  в  пределах  какой-то  шкалы оценивает. Несмотря на индивидуальные  вариации, зависимость хорошо описывается психофизическим законом С. Стивенса   

карт

Сила ощущения пропорциональна величине стимула в степени b,  где b = const. Для звука, света, вкуса  и т.д. определены численные значения константы b.
 
Введены  единицы  ощущения,  названия  которых  звучат  необычно: брил – для яркости света, хрон – для времени, густ – для вкуса, вег – для тяжести и так далее.
 
Субъективное  шкалирование  восприятия  окружающего мира - это, в сущности, использование человека  в  качестве  универсального  измерительного  прибора.  Даже  для  таких  признаков,  которые  другими приборными  средствами  не  поддаются  измерениям, например, вкусовые ощущения или запахи.  

карт

Обычный  путь  формирования  понятий  в  сознании человека таков: от ощущений к суждениям.

В  процессе  преобразования  информация  сжимается,  концентрируется, или обрезается, за счет отбора главного,  из-за недостаточного числа каналов восприятия  или их малой чувствительности.  Это значит, что отражение реальности  всегда  неполно,  искажено,  ограничено.  Любой  способ  отражения действительности (канал  приема - преобразования  информации)  обладает своими недостатками.  Очевидно, что для более полного и точного представления об окружающем мире одного способа локации, ориентации и т.д.  недостаточно.  Возможно  поэтому  природа «подстраховалась»  и  в  процессе
эволюции снабдила человека мозгом с двумя полушариями.  

Два полушария ответственны за разные принципы обработки информации.

карт
 
Наличие  двух  полушарий  с  различной  специализацией  позволяет  человеку производить параллельную обработку информации. Как правило, все же наблюдается асимметрия мозга: у женщин преобладает правый “сопроцессор”, у мужчин - левый.
 
Интуитивное,  ассоциативно-образное,  эмоциональное  мышление обычно  нечетко  выражено,  расплывчато, «субъективно».  Примерами  могут быть понятия: Счастье, Красота, Любовь. «Что такое осень? Это небо, плачущее  небо  под  ногами...» –  вот  пример  ассоциативно-образного мышления  правого полушария.
 
Рациональное  мышление  левого  полушария  ответственно  за  область интеллекта, функции  которого  четко  различать,  разделять и  сравнивать, измерять и распределять по категориям (раскладывать все по «полочкам). Оно использует метод абстрагирования, отвлечения от конкретных, но не важных деталей. Пример наибольшего абстрагирования дает математика – абстрагирование до символов в алгебре, в теории групп, в геометрии Лобачевского и Римана.  Точность  и  логичность  рациональных  определений  достигается  за счет обрезания «лишних» деталей.

Конечно, планетарная модель атома проста, но простота еще не гарантирует учета  всех  свойств  электрона и  ядра. Модель  верна  в  той части, что размеры  ядра -  малы.  Движение  же  электрона  как  движение  материальной точки по  траектории  это  слишком  упрощенные представления. Учет  волновых свойств дает в этом случае уже другой образ - образ движения волн, для которых понятие траектории не нужно. Модель стоячей волны как образ тоже легко запоминается и дает некоторую иллюзию понимания. Но, оказывается,  это  тоже упрощение, так как волна Дебройля не является той привычной волной, которая бежит от брошенного в воду камня. Несколько  забегая
вперед, можно  сказать, что волна Дебройля представляет  собой  волну динамического  поля  состояний микрочастиц,  о  чем мы  будем  говорить  в последующих разделах курса. Еще не учтено свойство спина электрона...  Вообще, электрон  оказывается  странным  объектом   со  свойствами  волны -  частицы, скалярными и векторными свойствами.

К описанию микромира  нельзя подходить с человеческими мерками. В микромире человеку все непривычно, а поэтому странно. Электрон оказывается необычным объектом, у него свойства и частиц и волн. Для рационального мышления это представляется невозможным. Срабатывает бинарная логика Аристотеля: Третьего не дано! Подобного «не может быть!»
 
Поэтому  при  изучении  микромира  необходима  смена  стереотипов мышления. Здесь часто приходится использовать обе половины человеческого  мозга,  подключая  ассоциативно-образное  и  интуитивное  мышление  для выработки  нового  понятийного  аппарата,  адекватного  квантовой  объективной реальности.  

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.