從文化視角探討復習原子物理

在物理教學中，從文化的視角切入是學生了解科學源流，品味科學成就，掌握科學方法，欣賞和體驗科學理論的和諧對稱美，有助于提高學習的質量和效率。下面我們以“原子和原子核”這部分內容的復習為基礎，談談筆者的做法及思考。

1 原子物理部分的知識點及高考考綱要求

α粒子散射實驗，原子的核式結構(Ⅰ)；氫原子的能級結構。光子的發(fā)射和吸收(Ⅱ)；氫原子的電子云(Ⅰ)；原子核的組成。天然放射現(xiàn)象。α射線、β射線、γ射線、衰變。半衰期(Ⅰ)；原子核的人工轉變。核反應方程。放射性同位素及其應用(Ⅰ)；放射性污染和防護(Ⅰ)；核能、質量虧損、愛因斯坦的質能方程(Ⅱ)；重核的裂變、鏈式反應、核反應堆(Ⅰ)；輕核的聚變，可控熱核反應(Ⅰ)；人類對物質結構的認識(Ⅰ)。

2 對教材的處理

筆者的做法是將“原子和原子核”放在20世紀初到21世紀初這一跨度為100年的背景上審視這部分內容，將其視為一個開放性的系統(tǒng)，在不變更其主體結構的前提下，滲透“科學、技術與社會”的思想，突顯這部分內容在方法論上的價值，對“原子和原子核”的復習安排從三個維度展開。

2.1 知識維度 “原子和原子核”按從大到小，從外向內，采取“剝蔥式”的方式展現(xiàn)知識網絡，具體線索為：原子結構→原子核結構→基本粒子→核技術和核能的應用。

原子結構的知識脈絡：湯姆生棗糕式原子模型→盧瑟福有核模型→玻爾模型(經典理論基礎加上量子化的模型)。這一層次以玻爾模型為重點，作為學生認識過程中的臺階，在研究和解釋某些現(xiàn)象涉及到原子結構知識時，也以玻爾模型為依據(jù)。

貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象，揭示了原子核是可變的、可分的，使傳統(tǒng)的自然觀受到很大的沖擊，這一部分讓學生知道原子核的衰變、人工轉變、核組成、質子和中子的發(fā)現(xiàn)、人工放射性同位素的發(fā)現(xiàn)及相關的應用。

原子核能——尤其是通過裂變和聚變這兩條有效途徑獲得核能，是當前解決能源問題中大家關心并積極研究的大事情。我們有必要讓學生了解這方面的基礎知識和進展情況，何況高考也有這方面的要求。愛因斯坦質能方程的復習中，我們有責任讓學生體會其中的科學美。你看E=mc2是如此簡潔、完美、真是“秋水文章不染塵”，沒有任何渣滓，直達深處，徑直揭示出宇宙的奧秘。

2.2 方法維度 人們對原子和原子核的研究，為我們展示了一條非常清晰的科學研究的途徑：實驗(事實)——理論假設——實驗(提供新的事實)——修正理論(甚至建立新的假設)，人們在不斷修正錯誤中逼近事物的本質，獲得真理性的認識。

1895年發(fā)現(xiàn)X射線，1896年發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象，1897年發(fā)現(xiàn)電子，連續(xù)出現(xiàn)的三大發(fā)現(xiàn)在科學界和哲學界產生的影響是十分巨大的，給整個物理學界帶來了困惑和論爭，法國著名物理學家彭加勒、路·烏爾維格、意大利的奧·利希、奧地利的馬赫，甚至革命導師列寧也加入了這場討論，馬赫將這稱作為“原理的普遍毀滅”(原子的不可分割、不變性被打破了，物質不滅和能量守恒的規(guī)律受到新的檢驗等等)。唯心論者認為“原子非物質化，物質消失了”。我們用今天眼光審視過去，不難發(fā)現(xiàn)，物理學在這些發(fā)現(xiàn)后達到了一個新的高度。

人們認識原子的歷程中方法論的因素非常豐富，科學理論的發(fā)展并不是新理論毀滅了舊理論的成果，而是新理論既指出了舊理論的優(yōu)點也指出它的局限性，從而使我們能把自己的理念提高到更高的理論水平。不僅原子和原子核理論如此，任何物理學的變化，無論看起來有怎樣的革命性，都是如此。

2.3 情感態(tài)度與價值觀的維度 100年來，人類認識物質結構的歷史，可以說是波瀾壯闊。我們不妨回憶一下這一串光輝的名字：貝克勒爾、盧瑟福、玻爾、瑪麗·居里和皮埃爾·居里夫婦、約里奧·居里和伊利芙·居里夫婦、查德威克、錢三強和何澤慧夫婦、李政道和楊振寧、王淦昌等等。撣去灰塵，打開塵封的歷史，我們會發(fā)現(xiàn)這閃光名字背后鮮活的科學事件。教學中滲透科學史的知識，有助于培養(yǎng)學生對科學的正確認識，有助于學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，有助于學生理性懷疑意識的建立和批判精神的形成。

1909年盧瑟福在做α粒子散射實驗時發(fā)現(xiàn)大約有八千分之一的α粒子發(fā)生超過90°的大角度散射。盧瑟福后來提起這件事時曾說：“這是我一生中最不可思議的事件。這就像您對著卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反彈回來的炮彈擊中一樣地不可思議。”這促使盧瑟福去思考他的老師J·J·湯姆生原子模型的正確與否這一問題。本來，湯姆生為β散射建立個一個多次碰撞的理論，可以解釋大角度散射。但當用到α粒子散射時，由于α粒子比電子質量大得太多，故兩者多次碰撞幾率趨于零。而實驗結果卻是八千分之一，這是一個極大的矛盾。

一邊是恩師的理論，一邊是千真萬確的實驗結果，盧瑟福陷入了極其矛盾的境地，經過長時間思考，1910年底，盧瑟福終于作出決斷，放棄湯姆生模型，承認原子有核，建立原子核式結構模型，為原子物理和核物理的發(fā)展奠定了最主要的基礎。

批判精神的核心是理性懷疑精神，表現(xiàn)為不迷信權威，不迷信書本，堅持真理。哈佛大學以“與柏拉圖相知，與亞里士多德相知，更重要的是與真理相知”作為自己的校訓，亞里士多德的名言“吾愛吾師，吾更愛真理”，更是批判精神的寫照。物理學的發(fā)展史就是一個反思、懷疑、批判、求真、求美，求新的一部發(fā)展史。從光的微粒說、波動說到波粒二象性和光子說，從古典力學，經典力學再到相對論力學，從熱質說，熱力學到能量說，愛因斯坦與玻爾之間就量子力學是否完備發(fā)生的長期爭論等，都是讓學生體悟批判精神的生動素材；對物理學史的閱讀、聽講、討論本身就是一種培養(yǎng)批判精神的過程。

在復習教學中使學生的知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀都得到提升，一定量的訓練是一個重要手段。

3 高考中的“原子和原子核”的問題聚焦

注重考查近代物理，是近幾年高考命題的一個顯著特點，命題者往往將這部分知識和現(xiàn)代科技進展聯(lián)系起來，考查應試者采集信息、處理信息、綜合應用知識解決問題的綜合素質，體現(xiàn)了高考物理與時俱進、學以致用的鮮明時代特色，“原子和原子核考點”因而成為近年高考的熱點。現(xiàn)選擇部分習題，以供參考。

3.1 與原子結構模型相關問題

例1 ［2001年上海物理卷］盧瑟福原子核式結構理論的主要內容有（ ）答案：ACD

A．原子的中心有個核，叫原子核

B．原子的正電荷均勻分布在整個原子中

C．原子的全部正電荷和幾乎全部的質量都集中在原子核里

D．帶負電的電子在核圍繞著核旋轉

3.2 原子的能級躍遷問題

例2 ［2004年江蘇物理卷］若原子的某內層電子被電離形成空位，其他層的電子躍遷到該空位上時，會將多余的能量以電磁輻射的形式釋放出去，此電磁輻射就是原子的特征X射線。內層空位的產生有多種機制，其中的一種稱為內轉換，即原子中處于激發(fā)態(tài)的核躍遷回基態(tài)時，將躍遷時釋放的能量交給某一內層電子，使此內層電子電離而形成空位(被電離的電子稱為內轉換電子)。²¹⁴₈₄Po原子核從某一激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，可將能量交給內層電子(如K、L、M層電子，K、L、M標記原子中最靠近核的三個電子層)使其電離，實驗測得從

3.3 電磁場中的核衰變問題

例3 ［2003年全國理綜新課程卷］K－介子衰變的方程為：K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子帶負的基元電荷，π0介子不帶電。一個K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產生的π－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點相切，它們的半徑RK-與Rπ-之比為2︰1。π0介子的軌跡未畫出。由此可知π－的動量大小與π0的動量大小之比為（ ）答案：C

A.1︰1 B．1︰2

C．1︰3 D．1︰6

3.4 與守恒定律相關的的綜合問題

例4 ［2000年全國春季理綜卷］云室處在磁感應強度為B的勻強磁場中，一靜止的質量為M的原子核在云室中發(fā)生一次衰變，α粒子的質量為m，電量為q，其運動軌跡在于磁場垂直的平面內。現(xiàn)測得α粒子運動的軌道半徑為R，試求在衰變過程中質量虧損(注：涉及動量問題時，虧損的質量可忽略不計)

答案：Δm=M(qBR)22c2m(M-m)

3.5 愛因斯坦質能方程問題

例5 ［2006年廣東物理卷］據(jù)新華社報道，由我國自行設計、研制的世界第一套全超導核聚變實驗裝置（又稱“人造太陽”）已完成了首次工程調試。下列關于“人造太陽”的說法正確的是( )答案：AC

A．“人造太陽”的核反應方程是21H+31H→42He+10n

B．“人造太陽”的核反應方程是 23592U+10n→14156Ba+9236Kr+310n

C．“人造太陽”釋放的能量大小的計算公式是ΔE=Δmc2

D．“人造太陽”核能大小的計算公式是 E=12mc2

例6 ［2006年江蘇物理卷］天文學家測得銀河系中氦的含量約為25%。有關研究表明，宇宙中氦生成的途徑有兩條：一是在宇宙誕生3min左右生成的；二是在宇宙演化到恒星誕生后，由恒星內部的氫核聚變反應生成的。

（1）把氫核聚變就簡化4個氫核（11 H）聚變成氦核（42 He），同時放出2個正電子（01e）和2個中微子（ν_e），請寫出該氫核聚變反應的方程，并計算一次反應釋放的能量。

（2）研究表明，銀河系的年齡約為t=3.8×1017s，每s鐘銀河系產生的能量約為1×10³⁷J（P＝1×10³⁷J/s），現(xiàn)假定該能量全部來自上述氫核聚變反應，試估算銀河系中氦的含量（最后結果保留一位有效數(shù)字）

（3）根據(jù)你的估算結果，對銀河系中氦的主要生成途徑作出判斷。

（可能用到的數(shù)據(jù)：銀河系的質量約為M＝31×10⁴¹kg，原子質量單位1u＝1.66×10^-27kg，1u相當于1.5×10^-10J的能量，電子的質量m＝0.0005u，氦核的質量m_α＝4.002 6u，氫核的質量m_p＝1.008 7u，中微子ν_e質量為零。

答案：（1）411H42He+201e+2ν_e；

ΔE=Δmc²=4.14×10^-12J。

（2）氦的含量 k≈2%。

（3）由估算結果可知，k≈2%遠小于25%的實際值，所以銀河系中的氦主要是宇宙誕生后不久生成的。

除上面幾種類型的問題外，還有半衰期等問題，限于篇幅不再贅述。

(欄目編輯黃懋恩)

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