Тульский спецвыпуск №3
Л.И.Аристархова (учитель физики),
Р.И.Бывших (учитель химии),
п. Ревякино, Тульская обл.
Разгадка тайн природы, или
История развития атомной физики
Интегрированный урок-лекция. 2 ч. 8-й класс
В последнее время вошли в практику 7–9-х классов уроки в занимательной форме: аукционы, турниры, деловые игры и т.д. Они направлены на то, чтобы заинтересовать учащихся, основаны на учёте возрастных особенностей школьников. В старших классах всё большую силу набирает лекционно-практическая система обучения. На наш взгляд, перспективны нечастые лекции и в 8–9-х классах. Практика показала, что обобщающая лекция в 8-м классе разнообразит учебный процесс, развивает внимание, умение сосредотачиваться, критически мыслить, даёт возможность оценить пройденный материал с «высоты орлиного полёта».
О том, что состоится необычный урок-лекция сообщаем ученикам заранее, разъясняем, как надо слушать лекцию, как следить за логикой изложения материала. Говорим, что подобные уроки в старших классах станут обычными и предлагаем проверить, готовы ли они к такой форме занятий. Далее сообщаем, что уроки будут интегрированными: читать лекцию будут два учителя. Объявляем задачи лекции: интеграция знаний о природе, полученных при изучении физики и химии, выявление условностей, «перегородок» между физикой и химией.
Объявляем заранее тему лекции (см. выше). Такой интегрированный урок имеет мировоззренческий характер, позволяет показать роль мысли и идеи в познании окружающего мира, систематизирует, пополняет и углубляет знания учащихся. Тематика позволяет развеять мистические представления о мире, которые «расцвели» за последние годы; обратиться к истории науки, творчеству учёных, приобщить учащихся к мировой культуре (а это один из способов гуманизации образования); реализовать межпредметные связи, в частности, между физикой и химией. Если эти предметы будут изучаться в отрыве друг от друга, то в сознании не формируется целостное представление о явлениях природы, о действиях основных законов, т.е. единая естественнонаучная картина мира. На уроке можно рассмотреть либо опыт Томсона, либо опыт Перрена, в конце повторить основные этапы познания природы.
Оборудование: портреты М.В.Ломоносова, Д.И.Менделеева, Э.Резерфорда, Н.Бора; кинофрагменты «Броуновское движение», «Опыт Резерфорда»; кодоплёнки (строение электронных оболочек разных атомов, таблица, отражающая научные взгляды М.В.Ломоносова, и др.), таблица «Опыт Резерфорда».
Ход урока
Учитель химии. В 7-м классе на уроках физики вы ознакомились с внутренним строением вещества, в 8-м узнали, как устроен атом. На уроках химии вам стало известно строение электронных оболочек, принцип построения периодической системы Д.И.Менделеева. На сегодняшних уроках многочисленные сведения из физики и химии предстанут объединёнными общими принципами. Вы увидите, что все явления тесно переплетаются. В каждом можно найти и физическую, и химическую стороны. Одни и те же открытия помогали и физикам, и химикам одновременно. В процессе познания мира резких разграничений не было, ибо между явлениями природы существуют объективные связи.
При изучении строения вещества для вас остался неясен ход познания и методы, с помощью которых получено знание. Поэтому нам хотелось бы изложить материал в исторической последовательности, чтобы вы поэтапно проследили процесс становления физической истины, механизм научного поиска, борьбу идей и взглядов на долгом, зачастую противоречивом, историческом пути науки, оценили роль учёных. Кроме того, каждый должен хотя бы в общих чертах представлять, как устроен мир, в котором он живёт. Каждому важно знать, что мир познаваем, что по мере углубления знаний картина мира неизбежно усложняется. Вот почему темой нашего интегрированного урока является разгадка тайн природы, или история развития атомной физики, а эпиграфом – слова известного физика Луи де Бройля: «Каждый успех наших знаний ставит больше проблем, чем решает» (открывается доска, где красным мелом написаны тема и эпиграф).
Учитель физики. Однажды американский физик, блестящий лектор Р.Фейнман задал студентам гениальный вопрос. Перефразировав, хочу задать его и вам. Представьте, что в результате какой-либо мировой катастрофы оказались бы уничтоженными все научные знания, накопленные человечеством. Вас попросили бы передать людям, которые появятся когда-нибудь, фразу, которая помогла бы сократить им долгий путь познания на тысячи лет и, значит, быстрее стать цивилизованным обществом. Что бы вы передали? Конечно, располагая небольшим запасом знаний, сразу ответить трудно. Как же ответил сам Фейнман? Он ответил так: «Все тела состоят из мельчайших частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют». Значит, знание о внутреннем строении вещества дорогого стоит. Я думаю, что мнение авторитетного учёного поможет вам заинтересоваться предложенной темой, проникнуться важностью предстоящего разговора.
Итак, история развития атомной физики. А началась она 2500 лет назад. Древнегреческий учёный Демокрит считал, что все тела состоят из атомов, разделённых промежутками. Он писал: «...атомы бесконечны в числе и бесконечно различны по форме». Взгляды Демокрита поддерживали и другие учёные. Но были и такие, которые придерживались иной точки зрения. Так, Аристотель утверждал, что «атомов нет, потому что мы их не видим...» Церковь поддерживала учение Аристотеля, атомистические взгляды древних были забыты.
Около тысячи лет научное естествознание не развивалось. Науку подменяло богословие. И только в эпоху Возрождения вновь возникли атомистические представления. В 1647 г. француз Пьер Гассенди вы-сказал предположение, что атомы объединяются в небольшие группы, для которых он даже придумал название молекулы, производное от латинского moles – масса. Слово «молекула» можно перевести, как «небольшая масса», «массочка». В 1661 г. англичанин Роберт Бойль написал о том, что атомы при химических превращениях не изменяются и что когда-нибудь будет найден «сильный и тонкий агент», с помощью которого удастся разбить атомы на составные части. Нам остаётся лишь поразиться могуществу человеческого разума и удивляться предсказаниям мыслителей прошлых веков. Наш соотечественник М.В.Ломоносов написал (слова проецируются с кодоплёнки): «С тех пор, как я прочитал Бойля, овладело страстное желание исследовать мельчайшие частицы. О них размышлял 18 лет... будучи уверен, что наука о мельчайших частицах... столь же необходима в физике, как самые эти частицы необходимы для создания тел...»
Эти 18 лет не прошли даром. М.В.Ломоносов провёл огромную работу, которая послужила основой для дальнейшего развития физики и химии. Одним из важнейших открытий учёного было открытие основного закона химии – закона сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе продуктов реакции. Этот закон является подтверждением атомистических представлений, т.к. свидетельствует о том, что в химических превращениях атомы сохраняются – не исчезают и не возникают из ничего. Интересно сопоставить представления М.В.Ломоносова об атомах и молекулах с современными определениями, известными вам из уроков физики и химии. Давайте рассмотрим таблицу, имея в виду, что М.В.Ломоносов называл атом элементом, а молекулу – корпускулой. (На экран проецируется таблица.)
Как видно из сопоставлений, основные положения учения Ломоносова об атомах и молекулах и в настоящее время не утратили своего значения. Идеи Ломоносова намного опередили научные представления его современников и только в наше время могут быть оценены по достоинству.
Учитель химии. Родина чтит своего великого гражданина. Имя Ломоносова присвоено в 1940 г. основанному при его большом участии Московскому университету. В 1947 г. в Петербурге учреждён Музей М.В.Ломоносова. Дом-музей учёного открыт и на его родине – в селе Ломоносово Архангельской области. Именем Ломоносова названы один из кратеров на обратной стороне Луны, и проспект в столице нашей Родины. Учёным за выдающиеся фундаментальные научные работы с 1951 г. присуждается золотая медаль имени М.В.Ломоносова.
Учитель физики (стоя около портрета Ломоносова зачитывает высказывание В.Г.Белинского). «Вся жизнь его была прекрасным подвигом, беспрерывною борьбою, беспрерывною победою. Голова ходит кругом от мысли, что было сделано в России до Ломоносова, и что он должен был сделать, и что сделал... Он всем занимался с жаром, любовию и успехом... Не прекрасна ли такая жизнь? Не интересен ли такой человек? Или, лучше сказать, не должны ли такие люди составлять предмет живейшего любопытства, глубокого благоговения для всех народов вообще и для своего в особенности? Не есть ли Ломоносов одна из самых ярких народных слав? Учёный, поэт и литератор, не по случаю, а по призванию, он преодолел тысячи препятствий, и во всю жизнь остался человеком, учёным, тружеником...»
Учитель химии. А вот что писал Н.Г.Чернышевский: «Ломоносов страстно любил науку, но думал и заботился исключительно о том, что нужно для блага его Родины. Он хотел служить не чистой науке, а только Отечеству».
Учитель физики. К сожалению, научные работы М.В.Ломоносова известны были мало. Для окончательного утверждения атомно-молекулярных представлений потребовалось много лет напряжённой работы физиков и химиков. Попытки отрицать реальность атомов и молекул делались даже в конце XIX в., а в начале XX в. физики обдумывали опыты, подтверждающие смелую, совершенно правильную мысль о существовании атомов. Надежду заглянуть в глубь вещества учёные связывали с изобретением оптического микроскопа, ведь телескоп позволил Галилею сделать целый ряд астрономических открытий. Микроскоп же открыл перед изумлёнными глазами исследователей природы мир крохотных живых существ – микробов, бактерий. Тем не менее первое физическое явление, которое позволило приоткрыть завесу над тайной строения вещества, было обнаружено с помощью микроскопа не физиком, а ботаником (в 1827 г.). К этому времени микроскоп был уже усовершенствован, и Роберт Броун решил рассмотреть крохотную каплю воды с размешанной в ней пыльцой растений. Взглянув в микроскоп, он был поражён: зёрна пыльцы двигались в каком-то фантастическом танце! Таинственные перемещения в капле жидкости получили название броуновское движение.
Учитель химии (на фоне немой демонстрации кадров из учебного кинофильма «Молекулы и молекулярное движение», ч. I «Броуновское движение», читает описание этого движения, данное немецким педагогом Робертом Полем). «Немногие физические явления способны так увлечь наблюдателя, как броуновское движение. Здесь наблюдателю позволяется заглянуть за кулисы совершающегося в природе. Перед ним открывается новый мир, безостановочная, ошеломляющая сутолока совершенно необозримого числа особей. Быстро, как стрела, пролетают в поле зрения мельчайшие частицы, дикими зигзагами бросаясь из стороны в сторону. Важно и медленно продвигаются более крупные частицы, но и они постоянно меняют направление. Большие частицы толкутся на одном месте. Нигде нет ни следа системы или порядка. Господство слепого случая – вот какое сильное подавляющее впечатление производит эта картина на всякого наблюдателя. Броуновское движение принадлежит к значительнейшим явлениям в области современного естествознания».
Учитель физики. Многие учёные повторяли опыт Броуна и наблюдали ту же самую картину. Броуновское движение не ослабевало со временем, но зависело от температуры и вязкости среды. Неведомые и непонятные силы заставляли частицы так странно вести себя. Попытки объяснить броуновское движение конвекцией, неравномерным освещением частиц, электрическими или химическими явлениями оказались несостоятельными. Всё чаще высказывалось обоснованное предположение: обнаруженное Броуном движение вызвано толчками невидимых под микроскопом молекул жидкости. Атакуемые молекулами со всех сторон, частички пыльцы передвигаются в ту сторону, с которой в это время меньше ударов. В 1905–1906 гг. теория броуновского движения была создана А.Эйнштейном и М.Смолуховским, а в 1908–1909 гг. – экспериментально проверена Жаном Перреном. Расчёты по формуле Эйнштейна удивительно точно совпали с результатами Перрена. Теперь учёные могли узнать число и массу атомов и молекул, ещё не видя их. К настоящему моменту известно более 20 способов, позволяющих определить число и массу атомов. И все они приводят к одному и тому же значению: 6,02 • 1023 атомов водорода в одном грамме при массе каждого атома водорода 1,7 • 10–24 г.
Учитель химии. Теперь учёных стали волновать другие вопросы: чем атомы и молекулы одного химического элемента отличаются от другого и как, собственно, устроен атом каждого элемента? Незадолго до опытов Перрена русским химиком Д.И.Менделеевым была составлена периодическая таблица химических элементов. Физики чувствовали, что строгая последовательность в изменении свойств элементов, повторяемость основных характеристик веществ ровно через каждые 2, 8, 18, 32 элемента, таит ещё не познанную физическую причину. Ко времени опубликования научных работ Менделеева в 1869 г. в природе было обнаружено сравнительно мало химических элементов, и Менделеев оставил некоторые клетки своей таблицы пустыми. Он не просто сохранил места для будущих находок химиков, а подробно описал физические и химические параметры не открытых ещё элементов. Например, в 1871 г. Менделеев написал, что пустое место в вертикальном столбце периодической таблицы под кремнием должен занять элемент, условно названный им экакремнием, со следующими свойствами: цвет – серый, плавится с трудом, плотность 5,5 г/см3, атомная масса 72. В 1885 г. немецкий химик К.Винклер выделил из минерала артродита новый химический элемент, получивший в честь родины своего открывателя название германий. Его основные параметры: цвет – серый, трудно испаряется, плотность 5,4 г/см3, атомная масса 72,6. Оставленное для экакремния место под кремнием занял германий. Один из физиков шутил: Менделеев предвидел в этом элементе всё, кроме его названия. Пустые клеточки в периодической таблице постепенно заполнялись элементами, предсказанными Менделеевым, но понять закономерность, лежащую в их распределении, учёные пока не могли.
Учитель физики. В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон на основании результатов своих опытов сделал вывод о том, что из атома каждого химического элемента могут быть выделены электроны – элементарные частицы, несущие наименьший по модулю отрицательный заряд. Заслуживает внимания одна из первых моделей атома, предложенная Томсоном в 1903 г. Он предлагал считать атом положительно заряженным шариком-сферой, в которой «плавают» отрицательно заряженные электроны.
В 1911 г. физики всего мира смогли
оценить ещё одну, на сей раз убедительно
подтверждённую экспериментально, модель
строения атома, предложенную английским физиком
Э.Резерфордом. К своему открытию Резерфорд
пришёл не сразу. Он вместе с химиком Ф.Содди
изучил явление радиоактивного распада атомов
радия, открытое в последние годы XIX в. во Франции,
и пришёл к выводу, что альфа-частицы, вылетающие
из радия, представляют собой удобные тяжёлые
снаряды, которыми следует «обстреливать» атомы
других элементов, чтобы попытаться расщепить их
на части и узнать, как они устроены. Это
напоминает способ, каким дети узнают, из чего
сделаны игрушки. Опыт был очень простым в
исполнении (ученики Резерфорда отмечали, что их
учитель высоко ценил, когда установка была
построена своими руками и из подручных
материалов). 
-лучи от кусочка радия, отклонённые
магнитным полем, проходили через лепестки
тончайшей фольги и попадали на полупрозрачный
экран, покрытый слоем люминофора. В местах
попадания a-частиц экран светился точечными
вспышками. Резерфорд попросил своих учеников
особенно внимательно следить за удалёнными от
центра частями экрана, где, как сначала казалось,
вспышек не должно быть. К радости и гордости
Резерфорда эти вспышки удалось обнаружить! Кроме
того, одна из каждых 8000 испущенных -частиц
возвращалась обратно! Это был ошеломляющий
результат. Настоящий физик не может пропустить
факт отклонения одной частицы из 8000! Много лет
спустя Резерфорд вспоминал: «Это было, пожалуй,
самым невероятным событием, которое я когда-либо
переживал в моей жизни». Это означает только
одно: в центре любого атома находится маленькое
плотное положительно заряженное ядро,
отклоняющее близко пролетающую -частицу (тоже
положительно заряженную) на очень большие углы, а
иногда и вообще обратно к источнику частиц, –
только тогда возникают вспышки в дальних частях
экрана или на экране, поставленном перед фольгой.
На большом удалении от ядра, как планеты вокруг
Солнца, вращаются маленькие отрицательно
заряженные электроны. Заряд электронов
уравновешивает заряд ядра, и атомы всех веществ в
обычном состоянии нейтральны. Основная часть
потока -частиц
совершенно беспрепятственно проходит через
тонкий слой атомов фольги, и большинство вспышек,
естественно, наблюдается в центре экрана.
(Демонстрируется кинофрагмент «Опыт
Резерфорда».) Японский учёный Нагаока так сказал
о Резерфорде: «Мне представляется гением тот, кто
может работать со столь примитивным
оборудованием и собирать при этом богатую жатву,
далеко превосходящую всё, что бывало добыто с
помощью самых тонких и сложных устройств». Итак,
1911 г. можно считать годом рождения атомной
физики, а XX век – атомным.
Резерфорд был неутомим. Он предпринял
новое исследование – стал определять количество
-частиц,
отклонённых фольгой на различные углы в
зависимости от электрического заряда ядер
атомов вещества фольги. Исследования были
утомительными и трудоёмкими, требовали терпения
и... хорошего зрения. Терпение исследователей
было вознаграждено. Анализируя результаты этих
опытов, Резерфорд вывел формулу, связывающую
число -частиц,
отклонённых на определённый угол, с зарядом ядер
вещества фольги-мишени. Теперь можно было из
опытов по рассеянию -частиц определять природу
материала. В руках исследователей появился
первый ядерный метод химического анализа! Учёные
установили, что, чем больше заряд ядра, тем
сильнее отклонение -частиц. И здесь впервые
физические эксперименты приоткрыли завесу тайны
над периодическим законом элементов.
Учитель химии. Вначале Дмитрий Иванович Менделеев расположил все элементы в порядке возрастания их атомных масс. Но затем, заполнив свою периодическую таблицу, вынужден был сделать три отступления от правила: поменять местами аргон с калием, кобальт с никелем и теллур с йодом. Из опытов Резерфорда следовало, что если бы Менделеев расположил элементы в ряд по мере увеличения заряда их ядер, то никаких перестановок делать не потребовалось бы! Физики внесли уточнение в формулировку периодического закона: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости не от атомной массы элементов, а от электрического заряда их ядер. Менделеев пришёл к такому выводу, опираясь на свою научную интуицию и на свои энциклопедические знания химических свойств элементов. В свою очередь, установленный Д.И.Менделеевым периодический закон сыграл исключительно важную роль в развитии атомной физики. Его роль в познании мира возросла. В этом необычная судьба этого закона, о котором прекрасно сказал А.Е.Ферсман: «Будут появляться и умирать новые теории, блестящие обобщения будут сменять наши устаревшие понятия, величайшие открытия будут сводить на нет прошлые и открывать невиданные по новизне и широте горизонты – всё это будет приходить и уходить, но периодический закон Менделеева будет всегда жить, развиваться и совершенствоваться».
Учитель физики. Резерфорд отчетливо понимал, что планетарная модель атома была неудовлетворительной, т.к. такой атом был бы неустойчивым. Из-за излучения энергия электрона должна непрерывно уменьшаться, в результате чего электрон должен по спирали приближаться к ядру и в конце концов упасть на него. Здесь атом можно сравнить с Землёй, вокруг которой в пределах атмосферы вращаются искусственные спутники. Из-за сопротивления воздуха спутники постепенно снижают свою скорость и, приближаясь к Земле, сгорают в плотных слоях атмосферы. По планетарной модели получается, что атомы должны быть неустойчивы. А это противоречит тому, что мы наблюдаем вокруг. Ещё одно важное возражение против планетарной модели заключается в том, что она допускает излучение атомами света любой длины волны, в то время как из опыта следует, что конкретные атомы испускают излучение только строго определённых длин волн.
Положение казалось совершенно безвыходным даже для самого Резерфорда. Выход был найден в 1913 г. смелым и неизвестным тогда молодым датским физиком Нильсом Бором, который изменил планетарную модель так, чтобы она согласовалась с опытами. Для этого пришлось допустить то, что казалось совершенно недопустимым, а именно, существование в атоме стационарных электронных орбит определённых радиусов. По мысли Бора, электрон, находясь на стационарной орбите, не испускает и не поглощает свет. Испускание света происходит только при переходе с одной стационарной орбиты на другую, причём определёнными порциями – квантами. Энергия кванта равна разности энергий электронов на начальной и конечной орбитах. Предположения Бора, которые называют постулатами, несовместимы с классическими законами физики. Такого быть не может! Однако Бор оказался настолько смел и прозорлив, что не побоялся выдвинуть столь «сумасшедшую» теорию. Вот как высказывались физики о теории атома Бора в разные годы.
1913 г., А.Эйнштейн: «Если это правильно, то это означает конец физики как науки».
В.Гейзенберг: «Пусть это и безумие, но в нём есть метод».
1923 г., Х.Лоренц: «Всё это красиво и крайне важно, но, к сожалению, не очень понятно».
1949 г., А.Эйнштейн: «Это мне кажется чудом и теперь. Это наивысшая музыкальность в области мысли».
Э.Резерфорд: «...труды Бора – величайший триумф человеческой мысли».
Итак, планетарная модель атома была усовершенствована, постулаты Бора сняли противоречие, свойственное ядерной модели атома. Но одними постулатами дело не ограничилось. В 1924 г. сформулирован принцип Паули, запрещающий двум электронам, входящим в состав одной системы, находиться в одинаковых квантовых состояниях. Физики «раскрыли» химикам глаза на строение электронных оболочек элементов, стала, наконец, понятна глубокая физическая основа периодического закона Менделеева.
Учитель химии. Итак, на одной орбите не могут существовать даже два электрона в одинаковых квантовых состояниях. На первый взгляд, может показаться, что принцип Паули важен только для тех, кто изучает распределение электронов на орбитах в боровских моделях атомов. Но этот принцип проникает и в нашу повседневную жизнь! Нельзя удержаться от того, чтобы не пояснить сказанное простым примером. Возьмём в руки кусок металла или камня. Стоит только задуматься, как удивишься тому, что это количество материи занимает не такой уж малый объём. Ведь молекулы-то должны быть упакованы совсем плотно, а атомы в молекулах – тоже. Хорошо, но почему же атомы такие большие? Природа, как оказалось, удивительно разнообразно расселила вращающиеся электроны на оболочках-этажах каждого атома. На первой орбите может быть максимум два электрона с противоположно направленными спинами. Свойства химического элемента прежде всего зависят от заряда ядра атома и количества электронов на самых верхних орбитах. Вступая в химические реакции или объединяясь в молекулы, атомы отдают или присоединяют электроны верхних орбит, стремясь иметь до конца заполненную внешнюю электронную оболочку. Например, водороду в самой активной химической реакции позволяется отдать или принять только один электрон, а углероду – четыре. И соответственно схемы строения электронных оболочек атомов водорода и углерода разные (показывает кодослайд). Поэтому Менделеев справедливо поместил водород в группу I, а углерод – в группу IV.
Учитель физики. Теперь учёных
неудержимо влекла тайна строения ядра. В 1919 г.
48-летний Э.Резерфорд сумел разрушить ядро. Это
произошло во время обычных опытов. Как всегда,
исследуемые атомы подвергались бомбардировке -частицами.
По отклонению путей -частиц можно было судить о
размерах ядер. Но неожиданно Резерфорд
обнаружил, что часть атомов азота исчезла,
превратилась в атомы кислорода, да ещё появились
ядра водорода. Это было поразительное открытие!
Наконец-то нашёлся тот «сильный и тонкий агент»,
обладающий силой расщепить атом, о котором столь
пророчески писал Р.Бойль в 1661 г. Одна из 50 000
частиц попадала в ядро атома азота. При ударе
рождались две частицы – тяжёлое ядро кислорода и
лёгкое ядро водорода, которое получило название
протон. Символическая ядерная реакция
записывается следующим образом:
Ядро атома обозначается его химическим символом, заряд ядра пишется в нижнем индексе, атомная масса – в верхнем индексе.
Следующее великое открытие произошло
в 1932 г. И вообще тот год оказался на удивление
богатым историческими событиями в
«ядерном мире». Один из учеников
Резерфорда, Дж. Чедвик, направил поток -частиц на
пластинку бериллия, за которой была установлена
камера Вильсона – прибор, регистрирующий
невидимое излучение. Из бериллия в результате
бомбардировки вылетали какие-то новые тяжёлые
частицы. Их столкновение с ядрами азота в камере
Вильсона привело к превращениям, приоткрывшим
наконец завесу над тайной строения самих ядер.
Новые частицы не только обладали большой массой,
они были совершенно нейтральны и отличались
большой проникающей способностью. Новую частицу
назвали нейтроном. Её масса оказалась почти
такой же, как у протона, – 1836,6 электронной массы.
Открытый нейтрон тут же был использован в
лабораториях всего мира в качестве ядерного
снаряда. Нейтронами немедленно начали облучать
ядра азота, которые в ответ неожиданно
распадались на ядра бора и гелия. Нильс Бор
прислал поздравительное письмо английским
коллегам, а Резерфорд ответил: «Мне было приятно
услышать, что Вы отнеслись к Нейтрону так
благожелательно». Слово «нейтрон» Резерфорд
написал с большой буквы. Советский физик
Д.Д.Иваненко и немецкий учёный В.Гейзенберг
выдвинули нейтронно-протонную теорию строения
ядра. Протоны и нейтроны удерживаются в ядре в
результате сильного взаимодействия друг с
другом. Теория вскоре стала общепринятой, её
подтверждали многие достаточно точные измерения
и эксперименты. Теория Иваненко–Гейзенберга
позволила ответить на вопрос, который давно
волновал как физиков, так и химиков: почему в
природе часто встречаются химические элементы с
одним и тем же зарядом ядра, но с разной атомной
массой, которые занимают одну клетку в таблице
Менделеева?
Учитель химии. Изотопы – это разновидность атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разную относительную атомную массу. Разная атомная масса объясняется тем, что в ядре при неизменном и одинаковом числе протонов находится разное число нейтронов. Блестящая гармония протонно-электронной модели, базирующаяся на кратности атомных масс, не нарушалась даже тем, что относительные атомные массы некоторых элементов сильно отличались от целых чисел. Это была лишь кажущаяся трудность. Ведь такие отклонения наблюдаются только для элементов, имеющих несколько изотопов. Например, кислород имеет три изотопа атомной массой 16, 17, 18, углерод – три изотопа массой 12, 13 и 14. Атомные массы природных элементов оказывались некратными массе протона только потому, что в природных элементах сочетание изотопов случайно. Особенно разителен пример с хлором. Как известно, его атомная масса равна 35,5. Нецелое число получается потому, что природный хлор на одну четверть состоит из изотопа хлор-35 и на три четверти – из изотопа хлор-37. Д.И.Менделеев сначала расположил элементы в ряд, как мы уже говорили, руководствуясь одним правилом – возрастанием атомной массы, – и неизвестные в его времена нейтроны внесли некоторую путаницу в знаменитую периодическую таблицу. Вскоре, как мы узнали, во главу угла совершенно справедливо был положен фиксированный заряд атомного ядра данного элемента. И всё стало на свои места.
Учитель физики. Открытия строения атома и атомного ядра – крупнейшие достижения физики. Подумать только: всё, что нас окружает, построено из элементарных частиц всего-навсего трёх сортов – электронов, протонов, нейтронов. Таким образом, ядерная физика существенно упростила картину устройства мира, и в течение некоторого времени казалось, что в физике царит полное благополучие.
Однако благополучие очень скоро нарушилось. Более глубокое изучение свойств атомных ядер, протонов, нейтронов, электронов привело к открытию позитрона, нейтрино, мюонов, тауонов и других частиц. Число элементарных частиц, из которых состоит мир, опять начинает возрастать и в настоящее время достигает нескольких сотен [если называть элементарными адроны (протоны, нейтроны, мезоны и т.п.). Фундаментальных же частиц, т.е. тех, которые неделимы по современным понятиям, – всего пара десятков. – Ред.] Изучением элементарных частиц занимается специальная наука – физика элементарных частиц.
В 1963 г. американские физики-теоретики М.Гелл-Манн и Г.Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой протоны и нейтроны, имеющие общее название нуклоны, состоят из трёх фундаментальных (т.е. бесструктурных), электрически заряженных частиц, названных кварками. Отличительной особенностью кварков является их дробный электрический заряд (+2/3 и –1/3 в единицах элементарного заряда). В настоящее время к фундаментальным частицам относят кварки (шесть типов), лептоны (шесть типов) и промежуточные бозоны. Лептоны и кварки образуют начальный структурный уровень организации материи. Существуют четыре вида взаимодействия между фундаментальными кварками и лептонами: гравитационное, сильное, электромагнитное и слабое. Все эти взаимодействия имеют своих переносчиков. Так, переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны, сильного взаимодействия – глюоны, и т.д. Современная физика частиц достигла необычайного прогресса в объяснении наблюдаемых явлений. Сейчас нет ни одного экспериментального факта в мире элементарных частиц, который не имел бы своего теоретического объяснения. Физика элементарных частиц развивается сейчас только вглубь, в область неизведанного.
Учитель химии. Таким образом, для познания окружающего мира человечеству пришлось пройти увлекательный, но мучительно длинный и трудный путь познания природы. К началу ХХ в. на протяжении жизни примерно сотни поколений человечество создало каркас физической науки. Рядом с физикой в огромную науку о структуре и свойствах молекул развилась химия. Физику, созданную в это время, называют теперь классической физикой. Благодаря созданию квантовой механики стало возможным полностью объяснить структуру атомов и их свойства. Тем не менее, приближенная и непоследовательная планетарная модеь Бора служит полезной путеводной нитью при описании основных свойств атомов.
Учитель физики. На базе классической физики родилась новая физика. Это не значит, что всё ранее сделанное учёными отвергалось и заменялось иными взглядами, иными толкованиями. Было бы большой ошибкой так думать. Классическая физика, открывшая людям глаза на многие явления природы, ответившая на массу вопросов, стала в тупик перед миром больших скоростей и миром ничтожно малых частичек материи. Возникли теория относительности, с которой вы ознакомитесь в старших классах, и квантовая механика, которая изучается в высшей школе.
Вспомним эпиграф к сегодняшним урокам. Учёный Луи де Бройль, один из создателей квантовой физики, говорил: «Каждый успех наших знаний ставит больше проблем, чем решает». И решать эти проблемы будет человек, опираясь на силу своего разума. Мысль – единственное оружие и защита перед явно превосходящими силами неживой природы. Физика – наука о природе – показывает нам, как велик мир, в котором мы живём, но этот мир познаваем, а значит, физика дарит человеку необыкновенную силу. Судите сами: из мысли о мельчайших частицах в конце концов появились все блага, которыми мы сегодня располагаем: новые материалы, телевизоры, лазеры, компьютеры, электрические приборы, лекарства. А главное – идея о мельчайших частицах помогла понять мир с единой точки зрения.
Учитель химии. А закончить хочется словами Д.И.Менделеева: «Границ научному познанию и предсказанию предвидеть невозможно».
Благодарим за внимание, урок окончен!
Литература
Л.И.Пономарёв. Под знаком кванта. – М.: Наука, 1989.
М.Колтун. Мир физики. – М.: Детская литература, 1984.
Людмила Ивановна Аристархова – окончиила МГПИ им. В.И.Ленина, заслуженный учитель РФ, учитель физики высшей квалификационной категории, руководитель РМО учителей физики. Свою работу в школе начала с обустройства кабинета. Несмотря на более чем 15-летний перерыв в обеспечении приборами, на их отсутствие не жалуется – всё есть, всё работает. Любит после уроков работать в кабине, осваивать новые интересные опыты, в чём помогает и наша газета. Как-то получила поздравительную открытку от одноклассников (школу заканчивала в Забайкалье, – была офицерской дочкой) со словами: «Поздравляем с окончанием первой четверти среди бесчисленного числа будущих». И вот 40 лет в одной школе, теперь учит внуков своих первых учеников. Вспоминаются слова И.В.Курчатова: «Хороша наука физика, да жизнь коротка...» Сын – офицер, дочь тоже учитель физики. С внуком и внучками общается тесно только на каникулах, т.к. живут они в других областях.
Раиса Ивановна Бывших окончила Калужский ПИ им.К.Э.Циолковского, учитель химии I квалификационной категории. Имеет двух дочерей. Увлекается вязанием, разведением цветов.