“原子和原子核”教學中的幾個明確

拓世焱

【摘要】高中物理“原子和原子核”是相對獨立的章節(jié)，是物理科學的前沿。由于教材沒有深入講解，以致學生產(chǎn)生很多疑惑，經(jīng)常會提到教材中沒有明確的問題，針對此現(xiàn)象，我認為在本章教學的過程應該做到幾個明確。

【關鍵詞】明確原子結構原子核結構

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）03-0144-01

一、“原子結構”教學中的幾個明確

近代物理所講述的原子結構主要湯姆生的棗糕式模型，盧瑟福的原子核式結構和玻爾原子結構模型，這三者都有其實際意義和局限性。暫且，我們不討論哪種觀點更完善，而討論怎樣理解其內(nèi)容，學生對前二者是比較容易理解，但對玻爾模型理解有一定的困難，這里提出幾點必須明確的問題。

1.原子的躍遷與電子的躍遷的關系

原子中電子處于不同的軌道時對應原子不同的狀態(tài)，原子在不同的狀態(tài)中對應不同的能量，電子從一個軌躍遷到另一個軌道時，原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)，原子從一個能級躍遷到另一能級。原子在能級間躍遷通過電子在軌道間躍遷實現(xiàn)；電子在軌道間的躍遷會引起原子在能級間躍遷，二者是不可分割。

2.一群原子和一個原子躍遷的不同

氫原子核外只有一個電子，這個電子在某個時刻只能處在某一個可能的軌道上，在某段時間內(nèi)，由某一軌道躍遷到另一個軌道時，可能的情況只有一種，但是如果容器盛有大量的氫原子，這些原子的核外電子躍遷時就會有各種情況出現(xiàn)了。

3.躍遷與電離區(qū)別

根據(jù)玻爾理論，當原子從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷時，必須吸收光子才能實現(xiàn)。相反，當原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時，必須輻射光子才能實現(xiàn)，不管是吸收還是輻射光子，其光子的能量都必須等于這兩個能級的能量差。欲想把處于某一定態(tài)的原子的電子電離出去，就需要給原子一定的能量。如使氫原子從n=1的基態(tài)上升到n=∞的狀態(tài)，這個能量的大小至少為13.6eV。大于13.6eV也可以被氫原子吸收，使氫原子電離后電子具有一定初動能。

4.間接躍遷與直接躍遷不同

原子從一種能量狀態(tài)躍遷到另一種能量狀態(tài)時，有時可能是直接躍遷，有時可能是間接躍遷。兩種情況下輻射（或吸收）光子的頻率可能不同。

5.入射光子與入射電子區(qū)別

若是在光子的激發(fā)下引起原子的躍遷，則要求光子的能量必須等于原子的某兩個能級差；若是在電子的碰撞下引起原子的躍遷，則要求電子的能量必須大于或等于原子的某兩個能級差，兩種情況有所不同，要引起注意。

二、“原子核”教學中的幾個明確

1.“核衰變”和“核反應”的關系

在實際教學過程中，“核衰變”和“核反應”這兩個概念使用是比較混亂的，甚至有的教師認為，在高中不刻意追求概念的嚴格性，兩者不作區(qū)分是可以的。實際上這二者是有區(qū)別的，不能互換使用。從二者定義來區(qū)別：衰變是指某些元素的原子核很不穩(wěn)定，自發(fā)地發(fā)出射線，變成另一種元素的原子核；而核反應是指原子核在其它粒子轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程。可見，“核衰變”和“核反應”這兩個概念所反應的思維對象是“原子核的變化”，兩者從原子核變化所需條件不同來區(qū)別二者的關系為：

原子核變化 核衰變（原子核的自發(fā)變化）核反應（原子核的受激變化）

2.原子核躍遷放出的光線和原子躍遷放出的光線有何區(qū)別

當原子核發(fā)生α或β衰變時，生成的子核往往處于激發(fā)態(tài)，原子核由高激發(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷時要發(fā)射光子。由于核能級間隔比原子能級間隔大得多，所以發(fā)出的光子能量很高，可達幾十千電子伏甚至幾十兆電子伏，稱它們?yōu)棣霉庾踊颚蒙渚€，這些光子能量遠遠大于可見光光子的能量，即γ射線是人眼看不到的。

當原子吸收一定能量后，會處于激發(fā)態(tài)，在由高激發(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)或甚至基態(tài)躍遷時，要發(fā)射光子，這些光有的是可見光，有的不是可見光，但其光子的能量遠小于核能級間隔。如氫原子從n=6或n=5能級向n=2能級躍遷時產(chǎn)生紫光，從n=6能級躍遷到n=1能級將產(chǎn)生紫外線，電離能只有13.6eV。

3.質(zhì)能方程與核反應前后總質(zhì)量、總能量守恒是否矛盾

質(zhì)能方程△mc2=△E中，△m表示反應前后核子的靜止質(zhì)量之差（而不是運動質(zhì)量之差），△E表示反應時吸收或放出的凈能量。以下列反應為例：

■■Li+■■H=■■He+■■He。

用m1、m2表示 ■■Li和■■H靜止質(zhì)量，m3表示■■He的靜止質(zhì)量，E1表示入射核子■■H的動能，E2表示生成兩個■■He的總動能，若 反應前是靜止的，則

M1c2+m2c2+E1=2m3c2+E2,

轉(zhuǎn)化成：（m1+m2-2m3）c2=E2-E1

根據(jù)愛因斯坦的狹義相對論，物體以速度v運動時質(zhì)量m和它的靜止質(zhì)量m0關系為：m=■ ,由此可知，物質(zhì)的質(zhì)量和物體的運動有著密切的關系，在核反應中必須加以考慮。放熱的核反應前后，靜止質(zhì)量減少（即發(fā)生質(zhì)量虧損），總動能增加，增加的總動能即為△E，即靜止質(zhì)量△m所蘊含的能量為△E。因此，核反應前后靜止質(zhì)量不守恒，但運動質(zhì)量總和保持不變，并且與質(zhì)量相聯(lián)系的總能量也不變。

4.核反應為什么不考慮核外電子的影響

當用一定能量的入射核子去轟擊原子核時，由于兩者之間的相互作用而引起原子核的變化，這個過程稱為核反應。在學習核反應的沒有提及核外電子的影響，而把原子核看作是自由的，這是因為原子的電子與原子核間結合能很小，惰性氣體的電離能最大，但也不超過25eV，而入射粒子的能量高達百萬電子伏。另外，電子質(zhì)量非常小，入射粒子即使與電子碰撞，也像子彈碰到塵埃一樣，不會產(chǎn)生什么影響。原子直徑數(shù)量級10-10 m，而原子核直徑數(shù)量級為10-15m。這說明原子內(nèi)部是十分“空曠”的。因此，在發(fā)生核反應時，把原子核看作是自由的，不必考慮核外電子的影響。

5.α粒子的散射與用α粒子轟擊氮核發(fā)生核反應有何區(qū)別

1909年-1911年，盧瑟福用放射源放射出的α粒子照射金箔，得到如下實驗結果：（1）絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進，說明原子中絕大部分是空的，（2）少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過90°，有的偏轉(zhuǎn)角幾乎達到180°。這說明α粒子受到一個質(zhì)量較大、集中有正電荷的庫侖力的作用。1906年冬，盧瑟福認識到α粒子在某一臨界速度以上時才能打入原子內(nèi)部。核子之間的相互作用力叫核力，核力的作用范圍（力程）是非常小的，由其它的散射實驗可得出兩核子只在距離10-15m左右時才有核力的相互作用，距離再增大，核力立即消失。而上述α粒子散射實驗，α粒子與靶核的距離大于10-14m，這時α粒子并未受到靶核的吸引，仍然是被庫侖斥力散射開去。而用能量足夠高的α粒子轟擊氮核所發(fā)生的核反應，是入射核與靶核距離小到核力起作用的范圍，這時的相互作用是核力，核力比電磁力要大100倍。

我們在教學中不斷探索、研究、發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新，用我們的慧眼發(fā)現(xiàn)教學中存在的問題，用我們的思維擊穿它，用我們雙手描繪它，用我們的口舌傳播它，讓我們的學生掌握它。讓我們勇敢面對困難，經(jīng)受挑戰(zhàn)，走向成功。

參考文獻：

[1]《物理教師》2005年01期《原子核教學中的幾個明確》作者閆奎福

[2]《物理教師》2005年03期《關于“核衰變”和“核反應”》

[3]《中學教學全解》總主編薛金星 高三物理《近代物理初步》