Energia spoczynkowa

Poprawna odpowiedź

1. A., 2. B.

Wymaganie ogólne

3 Wskazywanie w otaczającej rzeczywistości przykładów zjawisk opisywanych za pomocą poznanych praw i zależności fizycznych.

Wymaganie szczegółowe

2.2 Fizyka atomowa. Uczeń interpretuje linie widmowe jako przejścia między poziomami energetycznymi atomów
2.3 Fizyka atomowa. Uczeń opisuje budowę atomu wodoru, stan podstawowy i stany wzbudzone

Komentarz

Zadanie sprawdza rozumienie mechanizmu przemian promieniotwórczych i zostało wykorzystane w badaniu, w którym wzięli udział uczniowie klas pierwszych liceum ogólnokształcącego. Aby je rozwiązać, uczeń powinien zastanowić się nad warunkami, w jakich zachodzi opisana reakcja. Z tekstu dowiadujemy się, iż zachodzi ona samorzutnie, a ze schematu reakcji wynika, iż jest to reakcja rozpadu, co oznacza, że mogą ulegać jej jądra znajdujące się w spoczynku. Zatem jądro węgla  nie musi mieć energii kinetycznej, aby zaszła ta reakcja. Jego energia spoczynkowa (iloczyn masy i kwadratu prędkości światła) zostaje zamieniona na energię spoczynkową oraz kinetyczną przynajmniej niektórych produktów reakcji.

 Wprawdzie uczeń nie ma obowiązku wiedzieć, że powstające antyneutrino elektronowe unosi ze sobą energię kinetyczną, jednak ze schematu reakcji wynika, że powstaje również promieniowanie β^– (elektron). Znaczna przenikliwość tego promieniowania wynika z faktu, iż elektrony powstałe na skutek przemian jądrowych poruszają się z ogromnymi prędkościami. Zatem przynajmniej ta cząstka oprócz energii spoczynkowej posiada również energię kinetyczną. Wobec tego suma energii spoczynkowych powstających cząstek jest mniejsza od energii spoczynkowej jądra węgla, z czego wynika, iż suma mas produktów reakcji jest mniejsza od masy jądra ulegającego samorzutnemu rozpadowi.

 Zgodnie z powyższym rozumowaniem, prawidłową odpowiedzią jest kombinacja 1–A, 2–B. Wyniki uzyskane w badaniu wskazują, iż licealiści mieli ogromny problem z przeprowadzeniem tego rozumowania – zadanie zostało rozwiązane przez zaledwie 1% uczniów. Większość uczestników badania nie potrafiła ustalić, jaki rodzaj energii jądra może ulegać zamianie w inne rodzaje energii. Prawidłowej odpowiedzi udzieliło w drugiej części zadania 15,3%  uczniów.

 Najczęściej wybieraną odpowiedzią nieprawidłową była odpowiedź C „energia wiązania” (45,8%). Prawdopodobnie uczniowie przeoczyli fakt, iż energia wiązania jest (zgodnie z jej definicją) równa ilości energii potrzebnej do rozbicia jądra na pojedyncze nukleony. Tymczasem uważniejsze przyjrzenie się schematowi reakcji prowadzi do wniosku, iż żaden nukleon nie został odłączony od jądra w trakcie opisywanej przemiany. Jedynym skutkiem jej zajścia jest przemiana jednego neutronu w proton.

 Relatywnie często wybierana była również odpowiedź A  „energia kinetyczna” (36%), choć z treści zadania w żaden sposób nie wynikało, aby w dowolnie wybranym układzie odniesienia następowały jakiekolwiek zmiany prędkości jądra węgla, powodujące przekształcenie części jego  energii kinetycznej w inne rodzaje energii. Bazując na podstawowej wiedzy dotyczącej rozpadu beta, uczniowie mogli bez trudu wykluczyć tę odpowiedź jako nieprawidłową. Wydaje się jednak, iż uczniowie bardzo słabo rozumieją zapis symboliczny stosowany w fizyce jądrowej, o czym świadczą wyniki uzyskane dla innych zadań, w których zapis ten był użyty. Najprawdopodobniej uczestnicy badania nie powiązali równania reakcji z konkretnym procesem fizycznym. 

Nie mniej kłopotliwa okazała się  pierwsza część zadania. Tylko 20,2% uczniów wskazało prawidłową odpowiedź. Najczęściej wybieraną odpowiedzią nieprawidłową była odpowiedź B „suma mas produktów reakcji jest równa masie jądra węgla "  (57,6%). Kolejne 20% uczniów uznało, że  „suma mas produktów reakcji jest większa od masy jądra węgla ” (odpowiedź C). Sposób, w jaki odpowiadały w tej części zadania osoby biorące udział w badaniu świadczy niezrozumieniu szeroko pojmowanej zasady zachowania energii, stosowanej do wszystkich jej rodzajów, w tym również takich, których nie rozważamy w świecie makroskopowym w bilansie energetycznym danego procesu. 

Słowa kluczowe