(57)【要約】【課題】原子又はイオンを構成する素粒子の様々な組合せを説明するのに適切な対話式原子モデルを提供する。【解決手段】壁と開けることが可能な蓋（１００）とによって囲まれた区画（２０１）と、区画（２０１）に格納された少なくとも２つの素粒子モデル（３０１、３０２、３０３）とを含む対話式原子モデル。蓋（１００）は、中心区域（１０３）といくつかの閉軌道（１０２）とを形成する原子モデル表面（１０１）を有し、それによって中心区域（１０３）は、素粒子モデル（３０１、３０２、３０３）のうちの少なくとも１つに対する空間に十分に定義された静止位置を定め、閉軌道（１０２）は、素粒子モデル（３０１、３０２、３０３）のうちの少なくとも１つに対するそれぞれの閉軌道に沿って十分に定義された静止位置を定める。対話式原子モデルは、それによって原子の構成に関する簡単かつ有効な理解を可能にする。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁と開けることができる蓋１００とによって閉じ込められた区画２０１、及び
前記区画２０１に収容された少なくとも２つの素粒子モデル３０１、３０２、３０３、
を含み、
それによって前記蓋１００は、中心区域１０３と該中心区域１０３を取り囲むいくつかの閉軌道１０２とを形成する第１の原子モデル表面１０１を有し、
それによって前記中心区域１０３は、前記素粒子モデル３０１、３０２、３０３のうちの少なくとも１つに対する空間に十分に定義された静止位置を定め、かつ前記閉軌道１０２は、該素粒子モデル３０１、３０２、３０３のうちの少なくとも１つに対する前記それぞれの閉軌道に沿って十分に定義された静止位置を定める、
ことを特徴とする対話式原子モデル。
【請求項２】
前記素粒子モデル３０１、３０２、３０３は、陽子３０２、電子３０１、及び中性子３０３に対応することを特徴とする請求項１に記載の対話式原子モデル。
【請求項３】
陽子３０２、電子３０１、及び中性子３０３に対応する前記素粒子モデルは、物理的感覚によって区別可能であることを特徴とする請求項２に記載の対話式原子モデル。
【請求項４】
陽子３０２、電子３０１、及び中性子３０３に対応する素粒子モデルが、視覚的に区別可能であることを特徴とする請求項３に記載の対話式原子モデル。
【請求項５】
前記中心区域１０３及び閉軌道１０２は、前記第１の原子モデル表面１０１における凸部及び凹部によって区切られていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の対話式原子モデル。
【請求項６】
前記第１の原子モデル表面１０１及び素粒子モデル３０１、３０２、３０３は、磁力が、前記中心区域１０３及び閉軌道１０２において該素粒子モデル３０１、３０２、３０３を該第１の原子モデル表面１０１に対して保持するように形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の対話式原子モデル。
【請求項７】
第２の中心区域と該第２の中心区域を取り囲む第２の組の閉軌道２０３とを形成する第２の原子モデル表面２０２を更に含み、
素粒子モデルが、前記第１の原子モデル表面１０１における静止位置と前記第２の原子モデル表面２０２上の対応する静止位置との間で移動可能である、
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の対話式原子モデル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子又はイオンを構成する素粒子の様々な組合せを説明するのに適切な対話式原子モデルに関連する。
【背景技術】
【０００２】
多くの人々にとって、原子が見える方法、それらの素粒子の数が変化する方法、及びそれらがイオンに変形する方法を実際に理解することが困難である可能性がある。原子及びイオンの構成は、２次元の図及び説明によって現在示されている。しかし、何らかの種類の機能障害を有する人、特に視力及び聴力の弱い人にとって、この種の教育から実際に恩典を受けることが不可能である可能性がある。原子の構成に関する適正な理解を最初に有しなければ、化学教育での全体像を理解することは困難である。従って、原子の構成に関する改良された教育手段に対する大きな必要性が存在する。
【０００３】
人々が原子の作動を実際に理解するための１つの方法は、様々な部分を手で作業することである。実験室の材料は、使用者が学習過程でより多くの感覚を使用することを可能にし、それによって原子及びイオンの構成の理解が平易化される。原子が球によって表され、それらが様々なカプリングを用いて組み立てられて分子の構成を示す、分子の生成及び構成の説明のための実験室材料が利用可能である。しかし、原子及びイオンの構成を説明するための対応する代替物はない。
【発明の開示】
【０００４】
本発明によれば、原子の構成を説明するための適切な教育材料の欠如は、学習過程の間に生徒に生徒自身の体を使用させる対話式原子モデルによって解決される。それによって原子及びイオンの構成に関する自然な感覚及び理解をもたらすことが可能である。
本発明によれば、対話式原子モデルは、壁によって囲まれ、かつ開けることが可能な蓋を有する区画と、区画に収納された少なくとも２つの素粒子モデルとを含む。蓋は、中心区域と中心区域を取り囲むいくつかの閉軌道とを形成する原子モデル表面を有する。中心区域は、素粒子モデルの少なくとも１つに対して空間的に十分に定義された静止位置を定め、閉軌道は、素粒子モデルの少なくとも１つに対してそれぞれの軌道に沿って十分に定義された静止位置を定める。
【０００５】
本発明は、従って、付属部分（すなわち、素粒子モデル）のための統合格納システム、及び原子の構成を自然かつ直観的に示すことができる空間（すなわち、原子モデル表面）の両方をもたらす対話式原子モデルを提供する。
一実施形態によれば、素粒子モデルは、様々な種類の素粒子に対応する。１つの特に好ましい実施形態によれば、素粒子モデルは、陽子、電子、及び中性子に対応し、それらは、全ての種類の原子及びそれらのそれぞれの状態の説明を可能にする。
【０００６】
一実施形態によれば、異なる種類の素粒子は、それらに物理的に触れることによって区別することができる。例えば、これは、それらに凹状又は凸状の文字を付けることによって容易にすることができる。陽子、電子、及び中性子の場合には、陽子は、例えば、凸状のプラス記号（＋）を備えることができ、電子は、凸状のマイナス記号（−）を備えることができ、中性子は、何も特定記号なしのままとすることができる。これは、視力の弱い人に対しても簡単な区別を可能にする。
【０００７】
一実施形態によれば、異なる種類の素粒子モデルは、例えば、それらに異なる色又は色表示を設けることによって視覚的に区別することができる。陽子は、例えば、青色で提供することができ、電子は、赤色で提供することができ、中性子は、白色で提供することができる。色表示は、勿論、上述の教示に従って物理的に区別可能なマーク付けと組み合わせて使用することができる。色表示により、異なる種類の素粒子は、更により一層区別可能にすることができる。
一実施形態によれば、中心区域及び閉軌道は、原子モデル表面上に、この原子モデル表面における凸部及び凹部によって形成される。中心区域及び閉軌道は、例えば、凸状フランジによって互いに分離することができ、それによって中心区域及び閉軌道はまた、凸状フランジと比較して原子モデル表面における凹部として見ることができる。
【０００８】
一実施形態によれば、原子モデル表面及び素粒子は、磁力が素粒子を原子モデル表面に向けて引き寄せる方法で磁石と磁性材料を用いて製造される。一実施形態によれば、中心区域及び閉軌道は、素粒子が原子モデル表面上の磁力によって閉軌道のうちの１つ又は中心区域のいずれかに対応する位置に引き寄せられるように磁力によって形成される。これは、例えば、特定の磁荷を有する磁性材料によって閉軌道を形成することにより、かつ反対の磁荷を有する磁性材料によって軌道を分離する区域を形成することによって達成することができる。素粒子モデルに反対の磁荷の磁石を設けることにより、それらは、閉軌道のいずれかに向って、かつ分離区域から離れる方向に引き寄せられることになる。
磁力はまた、他の分離手段と組み合わせて使用することができる。磁力は、次に、主として原子モデル表面上の素粒子モデルの位置を安定化するように機能することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の一実施形態が添付図面で概略的に示され、図１ａ及び図１ｂは、電子殻を表す凸部１０２上に素粒子３０１、３０２、３０３を位置決めすることができる方法を示し、図２は、使用中でなく、素粒子３０１、３０２、３０３が容器２００の区画２０１に格納されている時の対話式原子モデルを示している。図３は、容器２００の底面２０２上に設けられた電子殻の付加的な組を示している。
図１及び図２による本発明は、蓋１００を有する容器２００を提供し、蓋の上面１０１は、電子殻１０２を含み、かつ中央に凹状円形空間１０３を備えている。この凹状円形空間１０３は、原子核を表している。素粒子、すなわち、陽子３０２、電子３０１、及び中性子３０３は、容器２００に格納される。素粒子は、この凹状円形空間１０３内又は電子殻１０２上に置かれる。この容器２００の底面上には、図３により、イオンの生成を容易に説明するための更に別の１組の電子殻２０３が存在する。この２組の電子殻１０２、２０３は、２つの同時に作成された原子を有し、かつそれによってこの原子をイオンへ変形させる可能性を提供するものである。
【００１０】
図１ａ、図１ｂ、図２、及び図３によれば、この原子モデルは、４つの電子殻を有するが、代替の設計においては、原子モデルは、様々な使用者の水準に適応させるために、より多数又はより少数の電子殻１０２、２０３を有することができる。
原子モデルは、いくつかの設計で提供することができる。大きさは、その目的のために変えることができる。学校の授業のためには、２０ｃｍの直径を有する円形モデルが生徒の机上で生徒によって使用され、保管室に収納するために適切であると考えられる。例えば、それらが携帯可能であるべき場合のような異なる状況では、より小型のモデルが有用であろう。
素粒子が原子の周囲を進行して移動可能であるようにするために、より大型のモデルを使用することができる。原子モデルは、ボーアの円形原子モデルに基づいているが、楕円、角形のような様々な種類又は異なる形状にも形成することができる。容器、蓋、又は素粒子の高さを変化させることもまた可能である。
【００１１】
蓋は、電子殻を備える。図面に示す実施形態によれば、この電子殻１０２、２０３は、素粒子がその上を滑り落ちることなく摺動することができるように形成された凸状スリットである。素粒子の底面は、適切な態様においては、電子殻のスリットに沿って載るようになった凹状スリットを備えている。電子殻の代替の設計は、それらが素粒子を保持するように、それらを磁石で製造するものである。更に別の１つの代替設計では、モデル上の素粒子の自由な移動を容易とするために電子殻が凸状ではない。代替的に、この電子殻は、凹状とすることができ、その設計においては、電子殻の凹部に嵌合する素粒子の底面上の凸状スロットを特徴的に備えることによって素粒子が電子殻に沿って移動することができる。
【００１２】
電子殻１０２、２０３は、様々な用途に適合させるために高さ及び幅を変えることができる。また、例えば、円形上縁、垂直側面、又は傾斜側面を有して電子殻を形成することにより、この電子殻の外観も変えることができる。この凹状円形空間は、代替設計においては、凸状にするか、表面構造によって被覆するか、磁性にするか、又は削除することができる。
容器２００の高さ、幅、及び大きさもまた変えることができる。図示の実施形態によれば、原子モデルは、ボーアの円形原子モデルに基づいている。しかし、それは、代替的に、異なる形式で製造することができる。代替的な実施形態では、この容器は、容器と蓋が互いに隣接して置かれた時に等しい高さが得られるように、この蓋と等しい高さにすることができる。この実施形態は、イオンの形成の説明を平易化するものである。
【００１３】
図３に示すように、容器２００は、その底面上に１組の電子殻を備えることができる。これらの電子殻は、素粒子が電子殻上を滑落することなく移動するために凸状である。代替的な実施形態では、電子殻は凸状ではない。更に別の一実施形態では、電子殻は凹状であり、素粒子の位置は、素粒子の底面上の凸状スロットによって導かれる。この電子殻を容器の底面上に置く代わりに、容器の内側の底面上に置くことも可能である。電子殻のこの付加的な組は、有利な態様においては、蓋の上面に置かれる電子殻と異なる着色を有することができる。それによって、例えば視力の弱い使用者に有用とすることができる色彩豊かなコントラストが形成される。
【００１４】
イオンの形成は、生徒にとって理解することが通常は全く困難である。容器の底面上に１組の電子殻を有する目的は、２つの別々の原子、すなわち、容器の電子殻の状態のもの及び蓋の電子殻の状態のものを形成して実際的にイオンの形成を説明することである。イオンの形成は、１つの原子から他の原子への１つ又は複数の価電子の移動によって容易に説明される。価電子の移動が使用者自身によって行われるので、イオンの電荷もまた使用者に対して明確に示される。
【００１５】
図１ａ、図１ｂ、及び図２によれば、この素粒子３０１、３０２、３０３は円形である。２つの種類は、それらの上面上に凸状記号を有する。陽子３０２には、凸状プラス記号が付けられ、電子３０１には、凸状マイナス記号が付けられ、中性子３０３は、対応する表示を全く有しない。代替的な実施形態によれば、素粒子には全て凸部がない。代替の設計においては、この素粒子は、高さ、幅、材料、及び形状を変えることができる。図２によれば、素粒子３０１、３０２、３０３の底面は、電子殻１０２、２０３上に適合するように寸法が適応され、それによってそれらは、脱落することなくいずれかの電子殻１０２、２０３を回って摺ることができる。上述の実施形態では、電子殻１０２、２０３は、代替的に凹状とすることができ、素粒子は、電子殻の凹部に嵌合するように凸状スリットを備えることができる。更に別の１つの代替法は、視力の弱い人による異なる種類の簡単な区別のために、この素粒子が、それらの上面上に異なる表面構造を備えることである。素粒子のこの凸部は、例えば、ゴムである様々な材料で形成することができる。磁気効果を得るために、素粒子は、底面上のスリット内に磁石を備えることができ、一方で電子殻は、磁性材料に形成される。代替的な実施形態での磁気効果は、素粒子が電子殻を脱落しないなどの利点を提供する。別の代替的な実施形態では、電子のみがそれらの底面上のスリットを含み、それは、電子のみがこの電子殻で実際に使用されるからである。電子殻が凸状ではなく、電子がモデル全体にわたって自由に移動することができるこの代替的な実施形態では、全ての素粒子は、それらの底面上のスリットなしに製造することができる。
【００１６】
代替的な実施形態では、原子モデルは、付属物を備えている。電子殻に沿った素粒子の移動を停止させるために原子モデルの蓋又は底面上に置かれるように設計された棒は、付属物の一例である。棒は、電子殻上の電子の数を数えるのを助けるために使用することができるので、この付属物は、盲人又は視力の弱い人によって有利に使用することができる。棒は、例えば、それが原子核の縁部から蓋の縁部まで延びるようにして原子モデル上に置くことができる。一実施形態によれば、棒は、それが外れるのを防ぐためにクリップ止めすることができる。電子殻が凸状である時、棒は、その底面上に原子モデルの形状に対応するスリットを有することができる。使用者は、全ての電子を１つの同じ場所に集めるための電子軌道内の停止部としてこの棒を使用することができる。それによって視力の弱い使用者は、この電子殻上に置かれた全ての電子を使用者の指によって容易に集めるために棒を使用することができる。この解決法は、異なる電子殻上に存在する電子の計数を簡易化する。一実施形態では、この棒は、それぞれの電子殻の名前（Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ．．．）を印刷文字又は点字を用いてマーク付けするためにも使用することができる。
【００１７】
更に別の１つの代替の付属物は、原子の代替的な高さを提供するために原子を置くためのブラケットである。
更に別の１つの代替の付属物は、１つよりも多い電子殻を収容するブラケットである。ブラケットの高さは、容器の底面上の電子殻が使用される時はこの容器の高さに適応し、かつ蓋の上面の電子殻が使用される時は蓋の高さに適応するように調節することができる。付加的な電子殻を備えるブラケットは、その付加的な電子殻が容器又は蓋の既存の電子殻の外側に位置するように置くことができる。これは、より大きい原子番号を有する原子の更に複雑な学習のためにも同じく原子モデルを有用にするものである。
【００１８】
代替的な実施形態では、付加的な電子殻を有するこのブラケットが通常の電子殻の外側に置かれる時に、原子モデルは、異なる目的、すなわち、太陽系の構成を説明するために使用することができる。この代替的な実施形態では、１組の「惑星」は、付属品として取得することができる。この「惑星」は、その場合には太陽を周回する惑星軌道を表す電子殻上に配置することができる。太陽は、原子核によって表することができ、又は代替的に太陽の記号がこの原子核に置かれる。
【００１９】
代替的な実施形態では、原子モデルは、コンピュータによっても使用することができる。１つの代替法は、使用者に原子及びイオンを構築させる対話式コンピュータプグラムである。教師が使用者のために原子及びイオンの構成を説明するコンピュータ上の教材を提供することも可能である。この教材は、グループに対して示すことができ、すなわち、コンピュータプログラムの「ＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔ（登録商標）」によって示され、その場合、原子又はイオンを１つ１つ形成することができる。それによって教師は、原子モデルを使用する方法を示すことができ、又は原子モデルの実際の機能を用いずに原子又はイオンの構成を説明することができる。
【００２０】
原子モデルは、例えば、プラスチック材料で製造することができる。代替の材料としては、この電子殻又は素粒子を製造する可能性があるという条件で金属、磁性材料、ゴム、木材、又は紙が挙げられる。異なるプラスチック（例えば、ＡＢＳプラスチック、ＰＶＣプラスチック）を使用することにより、プラスチックの特性を変化させることが可能である。
この電子殻又はこの素粒子における磁性効果を有して原子モデルを形成することは、素粒子が容易に電子殻を脱落しないなどの利点をもたらす。原子モデルをゴムで製造すれば、モデルがより耐久性になり、かつその形状に僅かな柔軟性が生じる利点がもたらされ、また素粒子が電子殻上を滑ることを停止させる滑り止め効果をゴムが提供する利点ももたらされ、それは、ある一定の実施形態では有利とすることができる。紙又は木材でこのモデルを形成することは、環境にやさしい代替法である。紙のモデルは、組み立てずに販売することができ、それによって上述の他の代替品よりも短い耐用期間を有する廉価な代替品が提供され、宣伝用題材での使用に好適である。
【００２１】
更に別の１つの代替法は、原子モデルの様々な部分を異なる材料で形成することである。この容器及び蓋は、剛性を提供するために、例えばプラスチックで形成することができ、蓋上及び容器の底面上のこの電子殻は、金属で形成することができ、この素粒子は、電子殻との柔軟な適合を提供するためにゴムで形成することができる。この原子モデルは、いくつかの異なる色に設計することができる。原子モデルのそれぞれの部分の全ては、均一な色のものとすることができ、又は代替的に、それぞれの部分は、明確に異なる色に各々着色することができる。
【００２２】
一実施形態によれば、素粒子は、異なる色に着色される。この素粒子の凸部もまた、素粒子の残りの部分と比べて別の色に着色される。この素粒子は、異なる色の状態に形成することができ、それらの凸部も異なる色に着色することができる。図示の実施形態によれば、中性子は、２色に着色されている。代替的な実施形態では、中性子は、均一に着色することができ、又は材料上に印刷されるか又はレリーフとしてのいずれかで異なる記号をその上面上に備えることができる。他の代替的な実施形態としては、例えば、この電子殻が、異なる色に着色された蓋と対照的な色に均一に着色されることが挙げられる。それぞれの電子殻もまた異なる色に着色することができる。この電子殻の間に現れる蓋の部分もまた異なる色に着色することができる。この凹状円形空間もまた、図２に示すように、蓋の残りの部分と異なる色に着色することができる。代替的な実施形態では、この円形空間は、蓋の残りの部分と同じ色に着色することができ、又は複数の色に着色することができる。代替的な実施形態では、その底面上に１組の電子殻を備えた容器もまた様々な色に着色することができる。図１及び図２によれば、電子殻は、この均一に着色された容器とは強く対照的な色の状態に形成されるが、それは、様々な視覚効果を得るために様々な色に代替的に着色することができる。対話式原子モデルは、誰にでも使用することができる。最大の目標グループは、主として９年制学校の上級レベル又はハイスクールの生徒であり、自然科学の中で使用される。対話式原子モデルは、より多くの感覚を用いるので、この対話式原子モデルは、より多数の生徒に原子とイオンの構成を理解する可能性を提供する。対話式原子モデルは、筆記のようなレベルの高いいかなる熟練した動きを必要とせず、かつ視覚情報を残すためのいかなる視覚機能も必要としないので、対話式原子モデルは、身体障害者にも使用されるように設計されている。
【００２３】
この原子モデルはまた、校外でも使用することができる。代替的な実施形態では、対話式原子モデルは、手動式又は電子式のゲームとして、体験型材料として実験室で、又は対話式コンピュータゲームとして使用することができる。これらの実施形態は、年配者及び若者の使用者の両方に適することができる。これら代替法の目的は、簡単で魅力的な形式の下で教育することである。
この対話式原子モデルは、「ＢＲＩＧＨＴボックス」と呼ばれる場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】容器が電子殻を表す凸状等間隔の同心スリットを有する蓋を備え、また、原子モデル上の素粒子の位置も示し、プロトン（文字「＋」が付けられた）及び中性子（二色に着色された）が蓋の中央の凹状円形空間に置かれ、電子（文字「−」が付けられた）が異なる電子殻上に置かれた、使用中の原子モデルを示す図である。
【図２】素粒子が容器に格納されており、また、異なる電子殻に沿って電子の摺動を可能にする電子におけるスリットも示す、使用されていない時の原子モデルを示す図である。
【図３】容器の底面上に配列され、かつ更に別の１つの原子又はイオンの形成のために素粒子をその上に位置決めすることができる同心等間隔凸部の付加的な組を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０１  原子モデル表面
１０２  閉軌道
１０３  中心区域
３０１、３０２、３０３  素粒子モデル
【図１ａ】
2008529055.tif 000003
【図１ｂ】
2008529055.tif 000004
【図２】
2008529055.tif 000005
【図３】
2008529055.tif 000006
【国際調査報告】
2008529055.tif 000007
2008529055.tif 000008
2008529055.tif 000009
2008529055.tif 000010