Урок 16. Единство многообразия. Микромир
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 16. Единство многообразия. Микромир

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Каковы особенности микромира;

Какова структура атомов и молекул и природа связи атомов в молекуле;

Какова структура атомного ядра и природа связи нуклонов в ядре;

Какие частицы в настоящее время считают фундаментальными составляющими материи.

Глоссарий по теме:

Микромир – пространственная протяжённость порядка 10-6 см и менее; основные объекты (структурные уровни материи) – молекулы, атомы и составляющие их элементарные частиц; основные типы взаимодействия – электромагнитное, сильное и слабое.

Молекула - мельчайшая частица вещества (например, химического соединения), определяющая химические свойства этого вещества, способная существовать самостоятельно; состоит из атомов, расположенных в пространстве в определённом порядке и соединённых химическими связями.

Атом - (от греч. atomos неделимый) мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. В структуре атомы выделяют положительно заряженное ядро и электронное облако – отрицательно заряженное.

Ядро атома – основная и определяющая часть атома, несущая положительный заряд. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов нуклонов, связанных сильным взаимодействием. На ядро приходится 99,9 % массы.

Энергия связи ядра – энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны; увеличивается с ростом числа нуклонов в ядре. Отношение числа нуклонов ядра к энергии связи выражается удельной энергией связи.

Термоядерный синтез – реакции слияния лёгких ядер в более тяжёлые; происходят при высоких температурах и сопровождаются выделением энергии.

Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц способность к взаимным превращениям.

Адроны – элементарные частица участвующие в сильном взаимодействии (протоны, нейтроны и др.)

Лептоны – элементарные частицы, не принимающие участие в сильном взаимодействии (электроны, позитроны и др.)

Кварки – фундаментальные частицы; составные части адронов.

Переносчики фундаментальных взаимодействий – кванты, осуществляющие перенос фундаментальных взаимодействий.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 75-77.

Электронные ресурсы:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Особенности объектов микромира

Говоря о микромире, невозможно точно определить, с каких размеров он начинается. Многие биологические объекты, например частицы пыли, являются очень мелкими. Тем не менее, эти объекты ещё можно наблюдать в микроскоп. Но уже такие важные объекты живой природы, как молекулы белков и ДНК, в обычный микроскоп наблюдать невозможно, для их наблюдения используют электронный микроскоп. Для ещё более мелких объектов не подходит даже электронный микроскоп.

Таким образом, прямые данные о движении объектов микромира подобно тем, которые возможно получить для макроскопических объектов, получить невозможно. Косвенные данные о движении объектов микромира дают наблюдения спектров объектов и треков частиц.

Ещё одной особенностью, связанной с наблюдением в микромире, является тождественность одинаковых частиц. Например, все молекулы воды абсолютно идентичны. В макромире невозможно изготовить два абсолютно одинаковых шара, например для бильярда. В микромире, наоборот, например, все молекулы воды абсолютно идентичны. Если в макромире, можно достаточно точно определить, например, какой из сталкивающихся шаров попал в лузу, то в микромире при столкновении одинаковых атомов или молекул невозможно выяснить, какой из сталкивающихся атомов куда полетел.

Другим важной особенностью является, что все объекты микромира присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. Т.е. в различных опытах с микрообъектами, в зависимости от условий резче проявляются те или иные свойства.

Характерные особенности атомно-молекулярного уровня

Свободные атомы представляют собой сферические симметричные структуры размером порядка 10-8 см. Структура атома представлена ядром, где сконцентрирована 99,9 % всей массы атома и электронные оболочки. Размеры атома незначительно увеличиваются при увеличении его номера в таблице Менделеева. Разнообразие атомов связано с разным количеством протонов в ядре атомов.

При сближении атомы взаимодействуют друг с другом образуя молекулы, кристаллы. Данное взаимодействие называют химической связью. Т.е. в результате электромагнитного взаимодействия. Расстояния между атомами в молекулах (длина химической связи) сравнимы с размерами атомов. Взаимодействие между электронами молекулы приводит к тому, что малые молекулы представляют собой довольно жёсткие образования. Конфигурация молекул, содержащих большое число ядер, менее жёсткая. При этом, свойства свободных атомов, из которых образована молекула, практически не проявляется у молекулы. Мир молекул более разнообразен связи с возможностью образования полимерных молекул, содержащих сотни тысяч атомов.

Ядра атомов

На уровне ядер атомов господствуют сильные взаимодействия, которые удерживают вместе одноименно заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга огромными электростатическими силами.

Энергия связи ядра называется энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны. При увеличении числа нуклонов в ядре, эта энергия возрастает и делает ядра более стабильными. Дальнейшее увеличение протонов и нейтронов приводит к увеличению размеров ядра, а, следовательно, ослаблению сильного взаимодействия и атомы становятся нестабильными. Это приводит к тому, что ядрам с малым числом нуклонов энергетически более выгодно объединиться, а ядрам с большим количеством нейтронов – распасться. Реакции слияния лёгких ядер, происходящее с выделением энергии, называются реакциями термоядерного синтеза. Именно такие реакции происходят внутри звёзд. Реакции распада тяжёлых атомов дают энергию на атомных электростанциях.

Элементарные частицы. Кварки

Понятие элементарная частица изменило понятие атома как неделимого элемента материи. Первоначально к элементарным частицам стали относить те частицы, из которых состоит атом – электрон, протон, нейтрон. Дальнейшие исследования структуры атома позволили обнаружить многие новые короткоживущие элементарные частицы. Некоторые из них были сначала предсказаны теоретически, а затем открыты экспериментально. Так в 1928 году было пересказано существование, помимо электрона, частицы с той же массой и похожими свойствами, но с положительным зарядом. Такую частицу экспериментально обнаружили в 1932 году и назвали позитроном. Позитрон является античастицей по отношению к электрону. В теории элементарных частиц предполагается, что каждая частица обладает античастицей. Основное свойство, присущее такой паре – возможность аннигиляции. Под этим понимают взаимное «уничтожение» частицы и анти частицы при столкновении. При аннигиляции вещество практически исчезает, и превращаются в основном в кванты электромагнитного поля. Это свидетельствует о сложности элементарных частиц.

Развитие экспериментальных методов исследования элементарных частиц привело к открытию большого числа таких частиц. Их число оказалось более 200.

Анализ поведения адронов в экспериментах навело на мысль, что не все они элементарны и, вероятно, состоят из ещё более мелких структур. Гелл-Ман называет их кварками.

Впоследствии эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение. Так кварки были обнаружены в нуклонах, что сняло статус элементарных частиц с группы адронов (частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, таких как протоны и нейтроны). При этом выделить кварки в отдельном виде до сих пор не удаётся и теоретики склоняются к выводу, что это принципиально невозможно.

Другой группой элементарных частиц, названной лептонами, объединили частицы, над которыми сильное взаимодействие не действует. К ним относится, например, электрон. Лептоны остались элементарными частицами.

Таким образом, фундаментальными «кирпичиками» вещества в настоящее время считают кварки и лептоны.

Наряду с этим, корпускулярные свойства фундаментальных полей позволяют выделить элементарные частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий. Так, было установлено, что переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Аналогичные частицы открыты для сильных взаимодействий (их назвали глюонами) и для слабых взаимодействий (промежуточные бозоны). Имеются гипотезы, что гравитационному взаимодействию можно также сопоставить частицу гравитон. Наши представления о фундаментальной структуре материи ещё далеко не являются полными, и здесь ещё предстоит сделать много открытий.

На каждом этапе своего развития естествознание изучает простейшие по своей структуре виды материи и присущие им характеристики (формы и виды движения). Практически все природные явления могут быть объяснены в конечном итоге движением и взаимодействием элементарных частиц и полей. Поэтому ключевым предметом изучения естественных наук (в первую очередь физики) на современном этапе являются элементарные частицы и поля.

В природе имеется множество материальных объектов, каждый из которых не является чем-то абсолютно простым и бесструктурным и обладает многообразными свойствами. Новые исследования открывают нам новые объекты и новые свойства. Это означает, что познание человеком природы неисчерпаемо.

То обстоятельство, что любые объекты содержат в своей структуре элементарные частицы и те частицы, которые мы обнаруживаем в земных условиях, приходят к нам и из космических глубин, убедительно показывает, что при всем многообразии «миров» природа в целом обладает единством

Резюме теоретической части:

Любой материальный объект является сложным, структурным. Структурными элементами материальных объектов являются элементарные частицы, взаимодействия между которыми обеспечивает целостность тех или иных объектов. Все элементарные частицы обладают рядом общих свойств, которые характеризуются такими величинами, как энергия, масса, импульс, заряд и т.д., и различаются по значениям этих величин. Среди всего многообразия элементарных частиц, на сегодняшний день, выделяют частицы переносчики фундаментальных взаимодействий, лептоны (электрон, позитрон, нейтрино) и кварки.

Важным свойством элементарных частиц является их взаимопревращаемость. Но превращение частиц не является процессом их механического деления, а представляет собой процесс исчезновения одних и рождения других частиц

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Какие элементарные частицы выделяют на сегодняшний день? (ненужное вычеркните)

Адроны;
Лептоны;
Нуклоны;
Кварки;
Переносчики взаимодействия;

Ответ:

Адроны;
Лептоны;
Нуклоны;
Кварки;
Переносчики взаимодействия.

Пояснение: Нуклоны входят в группу адронов, структуру которых образуют кварки.

Задание 2. Ребус-соответствие: Соотнесите по парам тип взаимодействия и частицу-переносчика соответствующего взаимодействия.

Ответ:

Гравитационное взаимодействие – Гравитоны

Электромагнитное взаимодействие – Фотоны

Сильное взаимодействие – Глюоны

Слабое взаимодействие – Промежуточные бозоны

Пояснение: несмотря на то, что частиц переносчиков гравитационного взаимодействия экспериментально не удалось обнаружить, но ему придумали созвучное название – гравитон.