Номер 3, страница 161 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 6. Электрические явления. Параграф 39. Делимость электрического заряда. Задание 37 - номер 3, страница 161.

Условие.

3. Как вы думаете, почему мы считаем, что электрон — это частица вещества? Может быть, это какое-либо эфемерное существо с голубым бантиком или фантастический пришелец из космоса (надеемся, что воображение подскажет вам более интересные варианты)? Вы двигайте гипотезы и пытайтесь их подтвердить или опровергнуть.

Решение.

Вопрос о природе электрона — это фундаментальный вопрос физики. Идея о том, что электрон является частицей вещества, основана не на произвольном предположении, а на огромном количестве экспериментальных данных и теоретических разработках, которые вместе формируют одну из самых успешных теорий в истории науки — Стандартную модель физики элементарных частиц.

Почему мы считаем, что электрон — это частица вещества?

Модель электрона как частицы вещества является научной, потому что она делает предсказания, которые можно проверить экспериментально, и успешно объясняет наблюдаемые явления. Вот ключевые аргументы:

1. Наличие измеримых физических свойств. У электрона есть конкретные, неизменные и измеримые характеристики, присущие материи:

   • Масса покоя: Электрон обладает массой, равной примерно $m_e \approx 9.11 \times 10^{-31}$ кг. Масса — это мера инертности тела и его способности создавать гравитационное поле. Наличие массы является определяющим свойством вещества.

   • Электрический заряд: Электрон несёт строго определённый отрицательный заряд, равный элементарному заряду $q_e \approx -1.602 \times 10^{-19}$ Кл. Этот заряд позволяет ему взаимодействовать с электромагнитными полями, что лежит в основе электричества, магнетизма и химии.

   • Спин: Электрон обладает собственным моментом импульса, называемым спином, равным $1/2$. Это чисто квантовое свойство, которое определяет его поведение и позволяет ему быть фермионом, подчиняющимся принципу Паули (два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии). Этот принцип, в свою очередь, объясняет структуру электронных оболочек атомов и, следовательно, всё разнообразие химических элементов.

2. Экспериментальные доказательства. Существование электрона и его свойства были подтверждены множеством экспериментов:

   • В 1897 году Дж. Дж. Томсон, изучая катодные лучи, доказал, что они состоят из отрицательно заряженных частиц, и измерил отношение их заряда к массе. Это было открытие первой субатомной частицы.

   • В 1909 году Роберт Милликен в своём знаменитом опыте с каплями масла точно измерил величину элементарного заряда, подтвердив, что заряд квантуется.

   • В камере Вильсона можно наблюдать треки (следы) отдельных электронов, что демонстрирует их корпускулярное (частицеподобное) поведение — они движутся по определённым траекториям.

3. Роль в строении вещества. Электроны, наряду с протонами и нейтронами, являются "строительными кирпичиками" атомов. Атомы, в свою очередь, образуют молекулы, из которых состоит всё известное нам вещество. Без электронов не было бы ни атомов, ни химических связей, ни, следовательно, материи в её привычном виде.

4. Корпускулярно-волновой дуализм. Хотя в некоторых экспериментах (например, дифракция на кристаллах) электрон ведёт себя как волна, это не опровергает его частицеподобную природу, а указывает на сложность квантового мира. Корпускулярно-волновой дуализм — это фундаментальное свойство всех квантовых объектов, а не только электронов. Он описывается точными математическими уравнениями (например, уравнением Шрёдингера или Дирака).

Ответ: Мы считаем электрон частицей вещества, потому что он обладает фундаментальными физическими свойствами (массой, зарядом, спином), его существование и характеристики подтверждены многочисленными экспериментами, и он является неотъемлемым строительным блоком всех атомов, формирующих материю. Эта модель позволяет с высочайшей точностью описывать и предсказывать широкий спектр явлений от электрического тока до химических реакций.

Рассмотрим альтернативные гипотезы.

Гипотеза 1: Электрон — это эфемерное существо с голубым бантиком.

Опровержение: Эта гипотеза не является научной по нескольким причинам.

1. Нефальсифицируемость. Научная гипотеза должна быть в принципе опровергаемой (фальсифицируемой). Невозможно придумать эксперимент, который мог бы доказать или опровергнуть наличие "голубого бантика" или "эфемерной природы" в метафизическом смысле. Эти понятия не имеют физического определения.

2. Отсутствие предсказательной силы. Гипотеза "существа с бантиком" ничего не объясняет и не позволяет предсказать результаты каких-либо экспериментов. Как "эфемерность" объяснит закон Ома? Как "голубой бантик" влияет на спектр излучения атома водорода? Модель частицы с массой и зарядом отвечает на эти вопросы.

3. Противоречие принципу тождественности. Все электроны во Вселенной абсолютно идентичны. Нельзя отличить один электрон от другого. Это фундаментальный принцип квантовой механики. Живые существа, даже самые простые, всегда обладают индивидуальными различиями. Идентичность электронов позволяет существовать таким явлениям, как принцип запрета Паули, который формирует периодическую систему элементов.

Ответ: Гипотеза об "эфемерном существе" не является научной, так как она непроверяема, не обладает предсказательной силой и противоречит фундаментальному свойству тождественности всех электронов, которое подтверждено экспериментально.

Гипотеза 2: Электрон — это фантастический пришелец из космоса.

Опровержение: Эта гипотеза также сталкивается с непреодолимыми научными возражениями.

1. Повсеместность. Электроны — это не редкие "гости", а фундаментальная и неотъемлемая часть всей барионной материи во Вселенной. Они содержатся в каждом атоме водорода, который составляет около 75% массы видимой Вселенной. Они рождаются и уничтожаются в ходе естественных процессов, таких как бета-распад или аннигиляция с позитронами. Их происхождение связано с самыми ранними моментами жизни Вселенной (Большим Взрывом), а не с прибытием из какого-то другого "места".

2. Простота и предсказуемость. Поведение электрона описывается простыми (в концептуальном смысле) и строгими законами квантовой электродинамики. Это одна из самых точных теорий в физике. Если бы электроны были сложными "пришельцами", их поведение, вероятно, было бы гораздо более сложным и менее предсказуемым, возможно, демонстрирующим некую "свободу воли", чего никогда не наблюдалось.

3. Тождественность. Как и в предыдущем случае, абсолютная идентичность всех электронов противоречит идее о них как о сложных сущностях или "пришельцах", для которых была бы характерна индивидуальность.

Ответ: Гипотеза о "пришельцах" опровергается повсеместным распространением электронов как фундаментальных составляющих материи во всей Вселенной, их простым и предсказуемым поведением, описываемым законами физики, и их абсолютной тождественностью друг другу. Научная модель частицы гораздо проще и эффективнее объясняет все наблюдения.

Общий вывод

Хотя воображение может предлагать бесконечное количество альтернативных объяснений, научный метод требует, чтобы гипотезы были проверяемыми, имели предсказательную силу и соответствовали принципу простоты (бритва Оккама): не следует вводить лишние сущности без необходимости. Модель электрона как фундаментальной частицы вещества с определённым набором свойств (масса, заряд, спин) является на сегодняшний день единственной, которая удовлетворяет всем этим критериям и блестяще подтверждается всеми известными экспериментами.