証拠が予測に挑戦すると、原子モデルは変化します
導入済み| English | 意味 |
|---|---|
| alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ | アルファ粒子 |
| nuclear model/ˈnjuːklɪə ˈmɒdl/ | 核型モデル |
この観察を説明する要因は何か？
- ほとんどのアルファ粒子は薄い箔をそのまま通過したが、少数は方向を変え、極めて少数は後方へ戻ってきた。有用なモデルはこれら3つの観察結果すべてを説明できなければならない。
- まず予測を立てる。比較したい量や特徴を明記し、2つの説明を区別できる証拠は何かを決定せよ。
モデルを構築する
- 電子がDiscoveredされる以前、原子は微小で分割不可能な球体として描かれていました。電子の発見により、プラム・プディング模型（plum pudding model）が提唱されました：このモデルでは、拡散した正電荷の中に負の電子が埋め込まれています。アルファ粒子散乱実験はこの分布を质疑しました。ほとんどの粒子は通り抜け、これは原子がほとんど空洞であることを示唆しました。稀に大きな角度で曲がる粒子は、質量と正電荷が微小な中心核に集中していることを示しました。正電荷を持つアルファ粒子は、正電荷を持つ核によって反発されます。
- 核模型: 質量と正電荷が微小な中心核に集中している原子模型；アルファ粒子: 2個のプロトンと2個のニュートロンからなる正電荷を持つ粒子。
正のアルファ粒子の稀な大きな偏折を最もよく説明するのはどれか？
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
少数のアルファ粒子が跳ね返ることは、微小で高密度かつ正電荷を持つもの、すなわち原子核に衝突したことを意味する。電荷が原子全体に広がっていたら、十分に強く反発して進行方向逆转させることはできなかった。
各専門用語を正確な意味と対応させよ。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
関連する物理量やプロセスを区別するために定義を使用せよ。
これを検証できる証拠を選ぶ
- 核模型は、拡散した正電荷を高密度の核と、その外側の電子に置き換えました。ボーアは電子を特定の距離やエネルギー準位に配置し、彼の理論的予測は観測と一致しました。後の研究で正電荷を持つプロトンが特定されました。チャドウィックは、核のアイデアが受け入れられてから約20年後に、核内の電荷を持たないニュートロンの存在を証明しました。科学モデルは、それ以前のすべての観測が誤りになることなくさらに発展できます。
- 教室の放射性源ではなく、提供された散乱の観察結果またはコンピュータなしの図を使用してください。各観察結果を推論と対応させ、拡散電荷の予測と比較してください。観測された軌道と推論された構造を区別してください。マラールのアナログは反発を示しますが、静電気的電荷を確立したり、量子挙動を再現したりすることはできません。ボーアとチャドウィックの背後にある詳細な実験的研究は、本仕様の要件外です。
この場合、調査やモデルをより妥当にする2つの習慣は何か。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
条件や仮定を明記することで他者が正確に再現でき、根拠となる証拠を記録することで結論を検証できます。相反する結果を隠すと、誤った結論を疑う証拠を失いますし、単一の測定でより広い主張を成立させることはできません。
既知の量から始める
- 既知の値と単位を明記する。このケースに適応する仮定を持つ関係式を選び、代入前に変形する。
- 既知: 架空の20,000本のパラノグラフサンプルにおいて、19,800本がほぼまっすぐ進み、190本が偏折し、10本が後方へ戻りました。直進率 = 19,800/20,000×100 = 99%、後方返り率 = 10/20,000×100 = 0.05% です。稀な事象は決定的な証拠になり得ますが、これらの数値は説明用の例であり、歴史的測定や核のサイズの直接計算ではありません。
説明用のサンプルで、12本の24,000パラノグラフが後方へ戻ります。百分率を計算してください。既知量 → モデル → 関係式 → 代入 → 単位と解釈の同一の手順を用いてください。
例示サンプルにおいて、12個のα線が24,000個の逆方向に戻ってきた。その百分率を求めよ。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
結果は 0.05 % である。既知：12 個の 24,000 個の軌跡が後方へ戻った。パーセンテージ = 後方へreturn / 総数 × 100 を用いる。パーセンテージ = 12/24,000 × 100 = 0.05%。稀な事象は決定的な証拠となり得る - 今回は微小な原子核の存在に対する証拠である。
結論とその限界を確認する
- ほとんどの粒子が通り抜けたことは、原子に質量がないことを意味しません。後方散乱が稀なのは、高密度の核が占める空間が小さいためであり、ほとんどの核が負電荷を持っているためではありません。殻図はモデルであり、電子が可視化可能な微細な惑星的軌道を描いていることを示すものではありません。
- 元の観察に戻り、結果が何を裏付けているか、どのような条件を前提としているかを説明し、対立する説明を検証する方法を一つ示す。
科学モデルを検証する際は、最も一般的な観測結果のみが重要である。この主張は誤りである：モデルはすべての信頼できる観測結果を説明する場合にのみ存続する。希少に観察される後方散乱アルファ粒子こそが、プラム・プディングモデルを否定したものであり、稀な事例を無視していたら間違ったモデルが残っていたであろう。
証拠が予測に挑戦すると原子模型が変わる：核模型は、拡散した正電荷を高密度の核と、その外側の電子に置き換えました。ボーアは電子を特定の距離やエネルギー準位に配置し、彼の理論的予測は観測と一致しました。後の研究で正電荷を持つプロトンが特定されました。チャドウィックは、核のアイデアが受け入れられてから約20年後に、核内の電荷を持たないニュートロンの存在を証明しました。科学モデルは、それ以前のすべての観測が誤りになることなくさらに発展できます。
科学モデルを検証する際は、最も一般的な観察のみが重要である。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
モデルは信頼できる観測事項すべてを説明する場合に限り存続する。希少な後方散乱アルファ粒子は、プラム・プディングモデルを否定する正是の証拠であった。一般的なケースを無視すれば、間違ったモデルが残ってしまっただろう。
質量と正の電荷が微小な中心の核に集中している原子模型：技術用語を答えよ。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
nuclear modelとは、質量と正の電荷が微小な中心の核に集中している原子模型を意味する。