Самый сложный вид деятельности курсанта и преподавателя в военном ВУЗе, связанный со спецификой учебного заведения, — это внеаудиторная работа, предполагающая участие обучаемых в предметных олимпиадах, работе в рамках военно-научного общества. Здесь сильнее всего проявляются личностные качества обучаемых, такие как мотивация, целенаправленность, самоорганизованность, направленные на возможность проявить интеллектуальную самостоятельность.
Если хорошо поставлен процесс обучения по предмету, то появляются курсанты, которые стремятся к расширению и углублению своих знаний, к техническому творчеству, к проведению экспериментов во внеаудиторное время в рамках военно-научной работы. Однако ввиду ограниченности времени и специфики обучения в военном ВУЗе невозможно предложить курсантам для выполнения сложных проблемных заданий. В тоже время, учитывая индивидуальные особенности курсантов, преподавателю следует продумать дифференцированную работу с каждым из них так, чтобы результат совместной деятельности преподавателя и обучаемого стал положительным. Вследствие этого выбор темы внеаудиторной работы курсанта — это сложный процесс, так как выполнение задания является первым шагом к самостоятельному поиску знаний. В ходе совместных обсуждений темой нашей творческой работы стала «Модельные представления при изучении атомного ядра».
Цель работы — изучение объектов физики атомного ядра с помощью моделирования.
Согласно работе [1, с. 9], модель — это мысленно представленная или реально существующая любая система, которая находится в определенных отношениях к другой системе, называемой объектом или оригиналом. Объектом может быть физический процесс, явление, физическое тело и прочее.
Достаточными и необходимыми условиями, из которых нельзя исключить ни одного компонента, не нарушая целостного представления об физическом объекте, создания физической модели являются:
1) отражение и аналогия, позволяющие установить сходство модели и оригинала по ряду признаков;
2) подобие, разрешающее заменять реальный объект физической моделью;
3) экстраполяция, допускающая перенос полученной информации при изучении модели на реальный физический объект;
4) установление границ применения.
Наибольшую сложность представляет изучение атомной физики и физики атомного ядра. Это связано с тем, что современные модели не полностью описывают объекты микромира, а характеризуют их отдельные свойства.
Современные модели атомного ядра противоречат друг другу. К тому же их индивидуальное использование позволяет удовлетворительным образом охватить лишь часть экспериментальных данных. Одни их них оказываются полезными для объяснения свойств только легких ядер, другие — только тяжелых
Рассмотрим некоторые из них.
Оболочечная модель ядра Дмитрия Иваненко представляет ядро как систему нуклонов, движущихся в усредненном потенциальном поле других нуклонов. С ее помощью можно установить ряд закономерностей в ядре (например, оценить среднее время жизни -радиоактивных ядер, распределение ядер изомеров), но невозможно теоретически объяснить порядок заполнения оболочек атома, деформирование ядер и прочее.
Гидродинамическая (капельная) модель Нильса Бора представляет атомное ядро в виде сферической равномерно заряженной жидкой ядерной материи, которая подобно жидкости обладает несжимаемостью, насыщением, может испаряться, имеет поверхностное натяжение. С ее помощью можно объяснить, например, деление и синтез ядер, рассчитать удельную энергию связи. Однако модель допускает деления ядер на осколки равных масс, что экспериментально не наблюдается, не может объяснить наличие магических ядер.
Обобщенная (квазимолекулярная) модель Оге Бора и Бенджамина Моттельсона соединяет оболочечную и гидродинамическую модели ядер. В ней движение нуклонов вне заполненных оболочек, подчиняющихся законам гидродинамики, деформирует оболочечную структуру ядра. Она хорошо объясняет наличие первых возбужденных состояний устойчивых к делению четно-четных (оба числа Z и N четные) атомных ядер со средним и большим массовыми числами. Но не объясняет зависимость ядер от некоторых четных ядерных характеристик.
В оптической модели ядро — это сплошная среда, способная поглощать и преломлять дебройлевские волны падающих на нее адронов (нуклонов, пионов и прочее), легких ядер (альфа-частиц, дейтронов и т. п.), тяжелых ионов. Эта модель заменяет рассмотрение взаимодействия нейтрона с ядром его поглощением и упругим рассеянием микрочастицы одним силовым центром. Она хорошо описывает механизм протекания прямых ядерных реакций.
Из приведенных примеров следует, что ядра представляют собой очень сложные квантовые системы, которые не описаны пока ни одной теоретической физической моделью. Им трудно найти аналогии среди систем макромира. В тоже время при обучении физике наглядность должна способствовать пониманию сложного теоретического материала, поэтому следует применить моделирование.
Мы предлагаем изучение энергии связи сопровождать демонстрацией механической модели. Ее компоненты: 1) прозрачная пластиковая трубка; 2) две пружины. Коэффициент жесткости пружин приблизительно равен 100 Н/м. На конце каждой пружины закреплен картонный кружок, диаметр которого меньше аналогичного параметра трубки; 3) П-образный зажим из медной проволоки диаметром от 2 до 3 мм с двумя плоскими пластинками на концах.
Трубка закрепляется на штативе горизонтально на высоте 80 см над столом. В нее, сжимая, вставляют пружины. Отверстия трубки закрывают П-образным зажимом. При демонстрации резко удаляют фиксацию пружин. Сила упругости возвращает пружины в первоначальное состояние. Они разлетаются в противоположные стороны. При движении пружины приобретают кинетическую энергию, равную потенциальной энергии их взаимодействия, согласно закону сохранения энергии. Полная масса системы до и после взаимодействия остается постоянной. Масса покоя взаимодействующих другу с другом пружин превышает массы покоя недеформированных тел.
Чтобы определить изменение масс, соответствующее потенциальной энергии сжатых пружин, необходимо решить задачу о движении тела в гравитационном поле Земли без учета сил сопротивления воздуха. Анализ результатов решения наглядно показывает, что расчет по формуле Эйнштейна-Пуанкаре 
значений изменения массы макроскопических тел дает такие малые величины, что ими можно пренебречь по сравнению с массой покоящегося недеформированного тела.
Аналогия между поведением макроскопических тел на примере пружин и осколков деления позволяют визуально представить процесс расщепления атомных ядер.
В качестве еще одного примера изучения деления атомных ядер можно провести простую демонстрацию: полиэтиленовый пакет наполнить водноспиртовой смесью, добавив через капилляр или пипетку масло. Внутри емкости масло должно принять сферическую форму диаметром около 4 см. При деформации пакета сначала возникают пульсации капли масла, а потом ее деления на части. При обсуждении опыта концентрируют внимание аудитории на сходстве и различии демонстрационной модели и реального объекта с учетом выполнения достаточных и необходимых условий.
Сравнительный анализ предоставленной модели и реального объекта (процесса деления тяжелых атомных ядер) представлен в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительный анализ модели иобъекта изучения
|
Сравнение |
Жидкость |
Реакция деления ядра тяжелого изотопа |
|
Сходство |
Между молекулами действуют короткодействующие молекулярные силы. |
Между нуклонами действуют короткодействующие ядерные силы. |
|
Существуют молекулярные силы поверхностного натяжения, под действием которых капля принимает форму сферы. |
Электростатические силы отталкивания между протонами и ядерные силы придают ядру сферическую форму, которая устойчива к деформации. |
|
|
Передача достаточной энергии приводит к возбуждению капли масла и ее разрушению. |
Передача критической энергии ядру приводит к его возбуждению и делению на осколки. |
|
|
Различие |
Молекулы масла электрически нейтральны. |
В ядре содержатся положительно заряженные и нейтральные нуклоны. |
|
Между распавшимися масляными каплями не действуют кулоновские силы отталкивания. |
Между осколками деления действуют кулоновские силы отталкивания. |
|
|
Нет выделения кинетической энергии, т. к. распавшиеся части капли масла не разлетаются друг от друга. |
Есть выделение энергии, т. к. осколки распавшегося атомного ядра разлетаются друг от друга. |
|
|
Кроме капель масла в водноспиртовой смеси нет ничего. |
При расщеплении атомного ядра кроме осколков появляются вторичные нейтроны. |
Итак, выполненное нами творческое задание изучения объектов ядерной физики с помощью его моделирования повысило уровень знаний в этой области, позволило продемонстрировать свою самостоятельность принятия решений. В целом дало удовлетворение от процесса самосовершенствования.
Литература:
- Штофф В. А. Моделирование и философия. М.: Изд-во Наука, 1966. 304 с.
