對原子物理中幾個關鍵問題的釋疑

〔關鍵詞〕 物理教學;原子物理;問題;釋疑

〔中圖分類號〕 G633.7〔文獻標識碼〕 C

〔文章編號〕 1004—0463(2010)01(B)—0063—02

在中學階段中，我們對“原子物理”部分的教學要求較低，多數內容只是要求學生了解而已.但是，學生在學習時由于強烈的求知欲與好奇心，總會進一步提出一些“為什么”.下面，筆者就對這部分的一些關鍵問題作一歸納總結.

1.原子的能量為什么是負的

在學習完氫原子的能級圖以后，許多學生對能級圖上標明的各能級能量均為負值無法理解.究其原因，在于這些學生對氫原子的能量應包括電子的動能及原子的勢能兩部分并不十分清楚。

我們知道，雖然電子動能是正的，但由于氫原子核帶正電，核電荷所產生的電場中各點電勢為正，電子帶負電，根據電勢能ε=eu可知，核與電子共有的勢能是負的.又根據玻爾氫原子模型理論，電子繞核做勻速圓周運動的庫侖力是向心力，即k■=■.

∴Ekn=■mv2=■■①

而氫原子核又可以看成是一個靜止的點電荷，且對該點電荷電勢零點的選取是人為的，一般將距其無窮遠處定為零，從而在距它rn處的電勢可寫成u=k■，則電子在半徑為rn的可能軌道上運動的電勢能為:

Epn=-eUn=-■ ②

綜合①②式得En=Epn+Ekn=-■，因此原子的能量應該是負的.

2.原子從高能級躍遷到低能級可能輻射的最多光譜線條數的確定

對于原子躍遷可能輻射的最多光譜線條數的問題，最容易出錯的就是把一個原子的躍遷與一群原子的躍遷混為一談.如一個氫原子從n=3能級躍遷到n=1能級時最多能產生兩種頻率的光子.因為只有這個氫原子一級一級地躍遷，產生的不同光子頻率才是最多的，而且是先后產生的.(如圖1)

但若是一群原子從n=3能級躍到n=1能級時，能產生的最多光譜線條數是3條.因為有的原子是一級一級地躍遷，而另一些原子則可一次從n=3能級躍遷到n=1能級.(如圖2)

3. β衰變中的電子是怎樣產生的

發生β衰變時，從原子核內射出電子，有的學生會錯誤地認為原子核本來就存在電子.但實際上原子核內只有質子和中子，沒有電子，β衰變中放射出來的電子是在衰變過程中產生的.

在發生β-衰變時，原子核內一個中子變為質子，放出一個電子及中微子(v)，即有■■n→■■H+■■e+■，電子逸出原子核后組成了β射線，質子留在核內，仍與核內的其他核子結合在一起.而由于新生成的質子使核電荷數增加1，原子核就轉變成另一種新核.新核在元素周期表中位置要向后移一位.

還有一種釋放正電子的β+衰變，這種現象只在人造放射性物質中出現.例如，■■N放出一個正電子和一個中微子后生成■■C，反應式為:■■N →■■C+ ■■e+■.由于新生成的質子數減少1，新核在元素周期表中位置要向前移一位.

由此可見，β-衰變或β+衰變放射出來的負電子或正電子，并不是原子核內所固有的，而是核子(中子、質子)轉變時的產物.

4.為什么每一種放射性元素都有一定的半衰期

雖然不同的放射性元素半衰期不同，但每一種放射性元素都有一定的半衰期.也就是說，對某一確定的放射性元素而言，其衰變速率是一定的.這是因為放射性元素的衰變在本質上與核內部激烈的運動及組成有關，而與所處的一般條件無關. 我們知道，核子間相互作用的核力十分強大，雖然核子之間存在萬有引力，質子之間存在庫侖斥力，但是萬有引力和庫侖斥力相對于核力幾乎小到可以忽略不計.一般外界條件如外加強電場、對放射性元素施加的壓力、升溫等所產生的影響，與核力相比也是微不足道的.因此，放射性元素的衰變速率只由核內部的自身因素決定，不論溫度高低，物態變化如何，也不論原子處于何種物理狀態或化學狀態，更不管它是成單質存在或成化合物存在，都有一定的衰變速率.

但需注意的是，半衰期只是對大量原子核衰變而言的.因為天然放射性現象是自發進行的，一整塊放射性物質雖然有著大量的原子，但它們并不同時發生衰變，對其中任意一個原子核來講，它何時發生衰變是無法確定的，是帶有偶然性的.我們只知道它遲早要衰變，卻不能確切地預言它究竟什么時候發生衰變，所以我們只能給出某一瞬時發生核衰變的可能性多大，而不能從半衰期求出每個原子核衰變所需要的時間.但對由大量原子組成的整體來講，衰變是符合一定的統計規律的.半衰期是表示放射性物質的大量原子核中半數發生衰變所需要的時間，因而表示大量原子核衰變的快慢.當原子核的數目減少到統計規律不再起作用的時候，衰變半數原子核所經歷的時間上的周期性已不存在，也就不能肯定在某一時間里這些原子核會有多少發生衰變了.

5.核反應過程與核衰變過程均要吸收或放出能量，因而反應前后質量也要增加或減少，那為何又說反應中質量數守恒呢

由于原子核的質量很小，如果用千克作單位很不方便.因此物理學中采用另一種質量單位，即原子質量單位.一個原子質量單位規定為C原子質量的■，簡寫作u.實驗測得1u=1.660566×10-27千克.在這種單位制下，質子、中子、電子的質量分別為mp =1. 007276u、mn =1.008665u、me =0.000549u.可以看出，質子、中子的質量接近1u，電子的質量遠小于1u，因此，我們通常取質子、中子、電子的質量數分別為1、1、0.這樣一來，原子的質量用原子質量單位表示時，其數值也接近一個整數。以質量較大的鈾238為例，其質量約為3.952954×10-25千克=238.0486u≈238u.

這個整數，就是習慣上所稱的原子核的質量數.可以看出，質量數實際上等于核內的核子數.雖然核反應中要發生質量虧損，但由于其量極小，不影響核反應中的質量數(即核反應前后，組成原子核的核子總個數不變)，所以我們仍然說核反應中的質量數守恒.

實際上所謂質量虧損，并不是質量消失，而是核反應過程中釋放出大量的光子及中微子所致，若能將這些放出的光子及中微子收集回來，其總質量仍是不變的.

6.如何用量子力學解釋玻爾模型

玻爾的理論將電子出現的幾率絕對化，即電子只能處在n=1，2，3……的軌道上，在這些軌道之外，電子出現的幾率為零(圖3).而量子力學的計算結果卻表明，在玻爾計算的軌道上電子出現的幾率較大，而在這些軌道之外，仍有電子出現，只是幾率小一些而已(圖4).