挖掘同步輻射光源中的高中物理教學素材

張燕怡

(中國人民大學附屬中學 北京 100080)

1 背景介紹

高考物理北京卷的選擇壓軸題(2019年前為理綜卷第20題，2020年后為物理學業水平等級考試第14題)，往往以學科前沿、聯系生活生產實際的新材料為背景，全面考查學生從閱讀中獲取新知識新信息的探究精神，以及在對概念規律深入理解的基礎上綜合遷移、推理、運用的能力，情境新穎有趣、區分度大，歷來備受關注.壓軸題中所用到的背景素材，往往會成為各中學教師和教研團隊深入研究的對象，并在后續的教學與命題中，對其進行挖掘、改造、發展和升華.

2021年的高考物理北京卷，以在建的第四代同步輻射光源“北京光源”為情境，全面、綜合考查了學生對于電磁波產生、原子發光機理(玻爾模型)、物理光學相關基本概念的理解應用能力，滲透了定量思維，同時在考題中展現了我國前沿科技發展的最新成果，又具有一定的地方特色，讓“同步輻射光源”這一大規模科學重器第一次為基礎教育界廣大師生所知曉.

筆者曾有幸在國家第三代同步輻射光源“上海光源”進行參觀學習，后續又通過查閱資料，對同步輻射的產生機理、發展歷史、應用價值有了一些粗淺的認識，對如何將同步輻射素材與高中物理教學進行掛靠有了一些不成熟的思考.本文將從以上幾個方面進行回顧闡述，供各位教育界同仁參考.

2 同步輻射光源發展回顧

同步輻射(Synchrotron Radiation)，是指能量很高的相對論性帶電粒子，在磁場中沿弧形軌道運動時放出的電磁輻射.19世紀末至20世紀初，利納德、斯格特等科學家預言了這種輻射，并從理論上計算了該輻射的能量輻射率、頻率角分布等參數.但由于產生輻射所需的加速器能量很高，所以直到30多年后的1947年，美國GE公司的科學家，才首次在70 MeV的同步回旋加速器上觀測到這種電磁輻射，“同步輻射”也因此得名.

自然界也存在同步輻射.1054年，宋朝科學家觀察到金牛座M1星系超新星爆發的遺跡并做了記錄.1946—1947年，在英國留學的中國學者朱洪元先生研究了宇宙射線中的高能粒子在地磁場中的輻射，為同步輻射的初期研究做出了貢獻.

高能物理學家們曾為加速器中的能量損失和輻射倍感苦惱，同步輻射并不是他們希望出現的東西.但很快，其他領域的科學家們發現，同步輻射光源是一臺高品質的巨型X光機和超級顯微鏡，具有高亮度、高準直性、波長可調等不可替代的優點.

(1)亮度高：普通的X光機，是用幾千伏特的電壓將帶電粒子(如電子)加速到高能量，然后轟擊靶材(如金屬銅靶)，通過碰撞的方式，讓銅原子內層電子躍遷，產生X光.高速電子的能量，99%都轉化成了熱量，效率和亮度都有局限.而同步輻射光源產生的電磁輻射，亮度可達普通X光機的上億倍.

(2)波段寬：氣體放電管和X光管只能在一個很弱的連續本底區域產生若干條分立的特征X譜線.但在同步輻射中，可通過調節電子能量，產生從紅外到X波段的連續光譜，并且在整個區域保持高輻射強度.

(3)高準直性：同步輻射光源中電子以接近光速運行，輻射沿運動電荷的切向發出，并集中于以電子瞬間位置為頂點的、開口極小的錐體內(約為10-4rad),其準直程度類似激光.一個形象的比喻是，下雨天時高速旋轉雨傘把手，輻射光子就像水滴一樣沿著雨傘邊緣被甩出去.

(4)高偏振：同步輻射的振蕩電場主要在電子軌道平面內振動.

(5)以脈沖形式發射，周期短、重復性好.

(6)高純凈：在超高真空(10-4～10-7Pa)的環境中產生，雜質少，作為測試手段能獲取更精確的結果

……

20世紀70年代后，隨著人們對新型光源的需求與日俱增，同步輻射光源進入了大發展時代.具體來說，經歷了如下四代的演化.

第一代同步輻射光源，只是高能物理研究的副產物，在加速器上“寄生”運行.我國的代表機構為北京高能物理研究所的正負電子對撞機，于1988年按照“一機兩用”的方針建成，并于1991年對用戶開放.但其作為“兼職光源”，各性能參數遠不能滿足高端用戶的需求.

第二代專用同步輻射光源，以日本東京大學SOR、美國NSLS、中國合肥光源為代表，經過結構和參數優化，輻射亮度有了幾十到幾千倍的提高，并且用光時間充裕、效率高，極大促進了交叉學科的發展交流.

第三代同步輻射光源，電子能量更高、束流發射度更小、光源亮度比二代至少高出100倍，可以實現如X射線衍射/相干成像、全息成像、光子吸收治療、穆斯保爾譜學等一、二代光源無法實現的技術，進行更加細微的物質結構研究.以上海光源、英國DIAMOND、法國SOLEIL、西班牙ALBA、日本SPRING-8等為代表，目前全球正在運行和在建的三代光源已經超過70臺.

第四代發展中的同步輻射光源，基于自由電子激光技術，懷柔科學城正在建設中的“北京光源”，以“世界上最高的光譜亮度”為目標，建成后將為基礎科學和工程科學等領域的原創性、突破性創新研究提供重要支撐平臺.

圖1展示了同步輻射光源基本結構.

圖1 同步輻射光源基本結構(圖片來自“上海光源”)

3 同步輻射光源應用舉例

同步輻射光源的研究領域非常廣泛，涵蓋了物理、化學化工、材料科學、能源、環境、考古、納米、生命科學、醫學等，并且還在持續擴展中.

下面討論一些可以和中學物理知識掛靠的同步輻射應用案例.

案例1：成像

X射線成像(以我們熟知的醫用透視和安檢機為例)的基本原理，是不同材料對X光的穿透性和吸收能力有差異.如果待測樣品對X光的穿透/吸收能力差異不大，則普通X光成像技術的分辨率就會受到限制.同步輻射具有高亮度、高準直、高偏振的特點，因此特定頻率的同步輻射可以作為“準激光”使用.利用電磁波入射到物體不同部位上引起的相位差異(而不是強度差異)，可以實現成像的高分辨、高襯度.如圖2顯示了一只小昆蟲的內部器官結構.

圖2 利用同步輻射對昆蟲內部器官結構成像(圖片來自“上海光源”)

案例2：光譜分析

通過玻爾模型可以知道，每種元素都有和原子結構相對應的特征譜線，光譜分析可用于鑒別未知物質的化學組成.而同步輻射光源因其波段寬、亮度高，可以精確檢測出含量極其微量的化學成分，最低可達10-15g.

案例3：物質結構分析

測量物質晶格常數的常見方法是X射線衍射(XRD)，從中學生可以理解的角度出發，可以將XRD中典型的θ～2θ掃描基本原理簡化如下(圖3)：X光斜入射到晶體上，在兩層晶面間反射，兩束反射光存在光程差(相位差)，若光程差恰好為波長的整數倍，則干涉加強，在反射光角度上會測到一個光強的峰值.干涉加強的條件為2dsinθ=kλ.其中，d為晶面間距，k為整數.

圖3 XRD技術測量晶體結構原理示意圖

實際情況，光強峰值其實是入射X光經晶體中各分立的原子分子散射后再疊加的結果，但可以證明，以上公式在計算晶格常數時仍然成立，被稱作布拉格條件.

顯然，衍射峰的信號強度和入射光強度呈正相關.若所探測的物質含量很少，就需要更強的入射光，才能探測到代表性的信號.例如在結構生物學領域，大分子蛋白具有晶體脆弱、分子量大、晶體衍射各向異性差別大等特點，為得到高質量的數據，對衍射光源的準直性、光斑尺寸、穩定性等有很高要求.傳統的XRD技術，有入射光頻率固定、亮度有限的局限性，而同步輻射光源的出現，完美解決了這一難題.

4 思考與展望

基礎物理教育以牛頓力學和經典電磁學為主體進行深入應用和擴展，對熱學、光學、原子物理相關知識以了解理解為主，模型理想化，具有普適性，符合學生日常生活經驗；而前沿科技主要基于近代物理中的量子力學和相對論得以發展，內容艱深、往往與常識相悖，一旦涉及技術領域，又細節繁多.兩者看似天差地別，但很多時候也會共享一些基本原理.通過提煉本質、有所取舍，把前沿科技素材納入中學物理教學，符合新課改、新高考的方向.

通過前面兩部分的介紹，可以梳理出高中物理與同步輻射情境進行掛靠的相關知識點(圖4)，分成如下3大類.

圖4 高中物理知識點與同步輻射情境的掛靠

以上素材，可以適當進行模型簡化，讓學生在實際情景下對概念規律進行深入的理解、應用和遷移，另一方面，也可以以科技文閱讀的形式，培養學生從材料中提取信息、并利用所學知識進行分析推理的能力.2021年的高考物理北京卷，就是一個有益的嘗試.

另一方面，同步輻射光源也蘊含著豐富的科學-技術-社會-環境素材：

(1)同步輻射的發現歷史，遵循“理論預言—實驗驗證—失敗—實驗改進—再驗證—成功”的科學探究規律，有助于培養學生的探究精神、證據意識，學習科學先驅不屈不饒的精神品格.

(2)同步輻射從高能物理加速器能量損失的“罪魁禍首”，變成各領域科學家心之所向的“夢幻之光”，這一史實可引導學生進行辯證思考，科學發現如何能夠興利除弊，變“廢”為寶.

(3)以“上海光源”從提議到運行近20年的歷史、從動工到竣工經歷6年的建造過程為素材，學生可以了解大型科學工程從立項、論證、奠基、建設、驗收……整個流程會遇到的方方面面的問題與困難，明白“國之重器”背后是千萬人的努力，非一日之功.

(4)“上海光源”建成后，《自然》雜志以“中國加入世界級同步輻射俱樂部”為題進行了宣傳和報道，各領域科學家匯集與此，各學科前沿成果不斷涌現……這一事實充分說明了大型科研儀器不僅有力推動了科技發展，也在提高綜合國力方面發揮了巨大作用.

(5)“上海光源”的外觀被設計為優美的“鸚鵡螺”造型(出自凡爾納科幻小說中的“鸚鵡螺號”潛艇)，為此不惜將項目預算增加了幾千萬.但此后，“上海光源”因其科學性與視覺藝術的完美融合，成為了上海市的地標性建筑，也間接拉動了當地旅游行業的發展.這一案例可以很好地體現科學與文化的相輔相成，引導學生在物理—地理—人文學科的交叉領域進行思考.

以上素材，有助于學生全方位了解人類科技進步的曲折性、辯證看待科學與技術的相互作用，培養“科學態度與責任”的核心素養，滲透學科德育，激發學生的愛國情懷和民族自豪感.