Взаимодействия атомов

Пошаговое руководство по использованию виртуальной симуляции PhET “Atomic interactions”:

1. Выберите свою пару атомов: Симуляция позволяет вам исследовать взаимодействия между различными элементами. Начните с выбора пары атомов, например, Аргон-Аргон, из доступного списка.

2. Обратите внимание на график потенциальной энергии: Под графиком вы увидите два атома. Один из них неподвижен, а другой можно перемещать. На графике показана зависимость потенциальной энергии (ось y) от расстояния между атомами (ось x). Положение подвижного атома отражено на графике.

3. Исследуйте взаимосвязь расстояния и энергии. Обратите внимание на изменения потенциальной энергии на графике. Переместите незакрепленный атом ближе: по мере уменьшения расстояния (атомы сближаются) потенциальная энергия становится все более отрицательной (более глубокая ячейка на графике). Это указывает на силу притяжения, вероятно, обусловленную временными колебаниями в распределении электронов (ван-дер-ваальсовы силы).

4. Поднесите незакрепленный атом очень близко: потенциальная энергия резко возрастает (на графике показан крутой подъем), когда атомы оказываются слишком близко. Это представляет собой сильную силу отталкивания, которая препятствует полному перекрытию атомов. Это согласуется с принципом отталкивания Паули, согласно которому электроны, находящиеся на одной орбите, отталкиваются друг от друга. Если атом исчезает с экрана, используйте кнопку “Return atom”, чтобы вернуть его обратно.

5. Визуализируйте силы: Откройте панель “Forces”. Вы можете выбрать отображение “Total force” или отдельных векторов силы “Attractive” и “Repulsive”. Это поможет вам визуализировать силы, действующие на атомы при их перемещении.

6. Контролируйте скорость моделирования: Используйте элементы управления симуляцией, чтобы приостановить, сделать шаг вперед или замедлить движение незакрепленного атома. Это позволяет вам более внимательно наблюдать за изменениями.

7. Сравните связанные и несвязанные пары: Перезагрузите симуляцию и выберите другую пару атомов, например, Неон-Неон (несвязанный) или Кислород-Кислород (связанный). Сравните формы графиков потенциальной энергии для этих пар.

8. Проанализируйте график: Используйте инструмент масштабирования, чтобы четко увидеть весь график потенциальной энергии. Это может помочь вам понять значение значений потенциальной энергии ниже нуля (для некоторых это может оказаться сложной задачей).

9. Определите сигму и эпсилон: После того, как вы сравнили связанные и несвязанные взаимодействия, попробуйте определить значение сигмы (σ) и эпсилона (ε), основываясь на формах соответствующих графиков.Сигма (обозначаемая выпуклостью на стороне отталкивания) относится к расстоянию, на котором преобладает сила отталкивания. Эпсилон (глубина колодца притяжения) отражает силу притяжения. Эти параметры определяют потенциал Леннарда-Джонса – математическую модель, которая отражает как силы притяжения, так и силы отталкивания между атомами.

10. Изучите Custom attraction: Эта функция позволяет вам исследовать, как размер атома и сила взаимодействия влияют на потенциальную энергию. При необходимости увеличьте масштаб графика.

11. Измените диаметр атома: Измените диаметр атома, используя ползунок или перетаскивая стрелку на графике. Обратите внимание, как динамически обновляются как график, так и представления атомов.

12. Отрегулируйте силу взаимодействия: Используйте ползунок или стрелку графика, чтобы изменить силу взаимодействия. Посмотрите, как это динамически влияет на график потенциальной энергии.

13. Проанализируйте взаимосвязи: Сопоставьте изменения диаметра атома, силы взаимодействия и результирующую форму графика потенциальной энергии. Это может помочь вам понять, как эти факторы влияют на притяжение между атомами.

Заключение

Данная виртуальная симуляция PhET предоставляет интерактивный инструмент для визуализации взаимодействия между силами притяжения и отталкивания, действующими на атомы. Манипулируя моделированием, ученики наблюдали, как изменения расстояния, связи, диаметра атома и силы взаимодействия влияют на график потенциальной энергии.

 Словарь терминов

• potential energy – потенциальная энергия
• distance between atoms – расстояние между атомами
• neon – неон
• argon – аргон
• oxygen – кислород
• custom attraction – настраиваемый случай
• attractive (van der Waals) – сила притяжения (силы ван дер Ваальса)
• repulsive (electron overlap) – сила отталкивания (перекрытие электронных оболочек)