人教版《物理》選擇性必修第三冊“第五章 原子核”編寫說明

摘 要：對人教版《物理》選擇性必修第三冊“第五章 原子核”的編寫意圖進(jìn)行梳理、說明.依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求概述全章內(nèi)容，展現(xiàn)教科書編寫的邏輯線索，對教科書中如何落實學(xué)科的核心素養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行了解讀.在具體說明中，圍繞本章的具體內(nèi)容逐節(jié)細(xì)致說明并給出教學(xué)建議.

關(guān)鍵詞：原子核;放射性;原子核衰變;物質(zhì)結(jié)構(gòu);物理核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）09-0021-04

作者簡介：彭征（1978-），男，河北人，博士，副編審，研究方向：物理課程與教材.

1 本章概述

本章是在原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)原子核的有關(guān)知識，落實了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中3.3.2-3.3.5條內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的要求.

3.3.2 了解原子核的組成和核力的性質(zhì).知道四種基本相互作用.能根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷守恒寫出核反應(yīng)方程.

3.3.3 了解放射性和原子核衰變.知道半衰期及其統(tǒng)計意義.了解放射性同位素的應(yīng)用，知道射線的危害與防護(hù).

3.3.4 認(rèn)識原子核的結(jié)合能，了解核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng).關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響.

3.3.5 了解人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索歷程.

本章的主要內(nèi)容涉及原子核的組成、核力與結(jié)合能、核反應(yīng)、衰變和半衰期、裂變、聚變和基本粒子.

第1節(jié)開宗明義地指出，關(guān)于原子核內(nèi)部的信息，最早來自天然放射現(xiàn)象，因此，首先介紹貝可勒爾和居里夫婦對天然放射現(xiàn)象的研究和“射線到底是什么”，然后介紹質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)和原子核的組成.第2節(jié)緊接第1節(jié)的思路，指出天然放射現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)制，即原子核的衰變以及用半衰期描述衰變遵從的規(guī)律，然后介紹了核反應(yīng)、放射性同位素及其應(yīng)用，最后特別強(qiáng)調(diào)了輻射與安全的相關(guān)問題.本章接下來的兩節(jié)關(guān)注的是通過裂變或聚變釋放核能，即通過裂變或聚變產(chǎn)生的質(zhì)量虧損以能量的方式釋放出來，這是當(dāng)前人類利用核能的主要方式.根據(jù)這個思路，第3節(jié)首先介紹了四種基本相互作用，然后介紹了結(jié)合能和比結(jié)合能的概念，并結(jié)合質(zhì)量虧損與原子核比結(jié)合能曲線認(rèn)識到中等質(zhì)量的核最穩(wěn)定.在此基礎(chǔ)上，第4節(jié)分別從重核裂變和輕核聚變兩個方面介紹當(dāng)前利用核能的兩條途徑，既較為詳細(xì)地介紹了利用裂變的反應(yīng)堆與核電站，又介紹了磁約束和慣性約束兩種可控核聚變的方案.本章的最后，在第5節(jié)介紹了粒子物理學(xué)中的一些基本知識，如粒子分為強(qiáng)子、輕子、規(guī)范玻色子、希格斯玻色子幾種類別，還有夸克與粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，旨在幫助學(xué)生對物理學(xué)的前沿發(fā)展有所了解，對物質(zhì)形成較為完整的認(rèn)識.

編者在編寫教材時，在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)方面有如下考慮.

1.1 物理觀念

本章主要涉及到原子核以及“基本粒子”所處的微觀世界，教科書中還安排了一些中學(xué)生能夠接受又符合《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求的新內(nèi)容、新知識，如基本粒子模型、夸克模型、磁約束和慣性約束、各種新粒子等.這些內(nèi)容反映了物理學(xué)的最新進(jìn)展，增強(qiáng)了教科書的時代性，能夠幫助學(xué)生建立起比較完整的物質(zhì)觀念.而對于這些粒子物理中的基礎(chǔ)知識和基本概念，教科書的闡述力求準(zhǔn)確清楚、層次分明、嚴(yán)謹(jǐn)扎實，充分體現(xiàn)了高中物理課程的基礎(chǔ)性.

對于本章中天然放射現(xiàn)象、半衰期、結(jié)合能、裂變與聚變反應(yīng)、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、原子核的組成、核力的性質(zhì)、裂變反應(yīng)堆的工作原理以及夸克模型等知識，在可接受的原則下盡量闡明它們的物理本質(zhì)和建立這些概念、理論的思維過程.例如，第3節(jié)“核力與結(jié)合能”中的結(jié)合能是本章重要的基礎(chǔ)知識，教科書就進(jìn)行了比較充分的闡述：首先從學(xué)生熟悉的宏觀現(xiàn)象出發(fā)，回顧兩個物體為了結(jié)合而付出的代價——失去了一部分能量;然后又討論了類似的情形，即氫原子的電離也需要吸收能量;由此類推核子結(jié)合成原子核也要失去一部分能量，從而引出結(jié)合能的概念，又在此基礎(chǔ)上介紹了比結(jié)合能的概念;之后在介紹質(zhì)量虧損的內(nèi)容中特地安排了一個例題，讓學(xué)生從具體的事例中認(rèn)識到什么是質(zhì)量虧損，從而從質(zhì)量虧損推知原子核的結(jié)合能.這樣就對結(jié)合能形成了一個比較完整的認(rèn)識.

由于本章涉及的概念在學(xué)生以前的學(xué)習(xí)中了解不多，因此在教科書中還盡量注意和學(xué)生比較熟悉的電磁學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識相聯(lián)系.例如，在介紹“受控?zé)岷朔磻?yīng)”的磁約束時，就回顧了有關(guān)磁場的基礎(chǔ)知識：帶電粒子運動時在均勻磁場中會由于洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，這就是磁約束.

教科書還通過大量生動、形象的圖片來展示原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和核反應(yīng)的過程.其中既有生產(chǎn)和科研中使用的核反應(yīng)堆、鈾礦、威爾遜云室、放射治療、強(qiáng)子對撞機(jī)等裝置或?qū)嵨锏膱D片，又有抽象的原子核、同位素、α衰變、β衰變、氡的衰變、強(qiáng)相互作用、核裂變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、核聚變等抽象過程的示意圖.這種形象化的設(shè)計，有助于幫助學(xué)生對這些微觀世界的相關(guān)內(nèi)容形成較為直觀的認(rèn)識，從而完善對物質(zhì)的認(rèn)識.

1.2 科學(xué)思維

在展現(xiàn)原子核、核能的利用等物理知識的過程中，教科書始終貫穿了培養(yǎng)科學(xué)思維這條暗線，即不僅要讓學(xué)生知道科學(xué)家做了什么實驗，觀察到什么現(xiàn)象，進(jìn)行了什么樣的推理，而且要讓學(xué)生感悟到科學(xué)家為什么要這樣去做、為什么會這樣去做.

例如，在“原子核的組成”一節(jié)，教科書的闡述思路是：首先提出問題，指出原子核內(nèi)部的信息最早來自天然放射現(xiàn)象，人們是怎樣從天然放射現(xiàn)象一步步揭開了原子核秘密的.然后介紹貝克勒爾、居里夫婦等人對天然放射現(xiàn)象和射線性質(zhì)的研究.在此基礎(chǔ)上指出實驗發(fā)現(xiàn)，如果一種元素具有放射性，那么，無論它是以單質(zhì)存在，還是以化合物形式存在，都具有放射性.由于元素的化學(xué)性質(zhì)決定于核外的電子，這就說明射線與核外電子無關(guān)，也就是說，射線來自原子核.既然β射線（電子）、α射線（氦核）都來自原子核，就得到結(jié)論：原子核內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的.最后，介紹了盧瑟福、查德威克等人通過實驗證實了質(zhì)子和中子的存在，從而確定了原子核的組成.這樣，學(xué)生不僅逐步了解了原子核的結(jié)構(gòu)，而且經(jīng)歷了分析和解決問題的過程，感悟了探索微觀世界的方法——實驗事實加科學(xué)思維，即在觀察、實驗得到的確切的物理事實（信息）和已有知識基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)思維（猜想和推理）以得出科學(xué)結(jié)論.當(dāng)然這個結(jié)論還將經(jīng)受更多的實驗和觀察得到新的事實的檢驗.本節(jié)的最后，還專門通過“科學(xué)漫步 天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)”欄目，回顧了貝克勒爾、居里夫婦發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象的歷史，幫助學(xué)生感受科學(xué)研究的過程.

與“原子核的組成”類似，在之后的各節(jié)中，教科書也分別從理論和實踐的不同角度提出問題，包括：是否能讓一種元素變成另一種元素、什么力量使質(zhì)子束縛在一起、怎樣轉(zhuǎn)化和使用核能、新粒子有什么關(guān)系等，進(jìn)而引出教科書的相關(guān)內(nèi)容，從而引發(fā)學(xué)生的思考與學(xué)習(xí)興趣.

此外，教科書還強(qiáng)調(diào)統(tǒng)計概率思想在微觀世界探索中的重要性.在講到半衰期時，教科書通過旁批強(qiáng)調(diào)：“衰變是微觀世界里原子核的行為，而微觀世界規(guī)律的特征之一在于‘單個的微觀事件是不可預(yù)測的.”然后在正文中指出“然而，量子理論可以對大量原子核的行為作出統(tǒng)計預(yù)測.……放射性元素的半衰期，描述的就是這樣的統(tǒng)計規(guī)律.”

1.3 科學(xué)探究

原子核的內(nèi)容涉及了大量的實驗.需要注意的是，猜想和假說本身就是在對大量實驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出的，而所提出的新的假說或根據(jù)假說提出的一些可檢驗的預(yù)見又必須經(jīng)受實驗的檢驗.例如，質(zhì)子、中子的發(fā)現(xiàn)，原子核結(jié)構(gòu)模型的提出都是如此.因此，教科書直接介紹或提及了盧瑟福的“α粒子散射實驗”，查德威克的“發(fā)現(xiàn)中子實驗”，天然放射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)歷程中的一系列實驗、哈恩的裂變實驗、費米建立第一個核反應(yīng)堆、錢三強(qiáng)和何澤慧夫婦發(fā)現(xiàn)鈾核三分裂和四分裂等大量探究微觀世界的實驗.

此外，由于本章的內(nèi)容不適合學(xué)生實際動手操作，因此教科書側(cè)重展示了科學(xué)探究過程中“猜想”的要素.對于微觀世界，人們看不見摸不著，如果缺乏豐富的想象力，不能從現(xiàn)有的經(jīng)驗、知識和觀察對實驗現(xiàn)象進(jìn)行大膽的、富于想象力的猜想，就不可能設(shè)計出新的有針對性的實驗和創(chuàng)新理論構(gòu)建，就沒有今天物理學(xué)的輝煌成就.在講述原子核的組成時，教科書就直接展示了科學(xué)家的研究過程：首先提出問題，討論原子是否只由質(zhì)子組成，如果是的話，所有原子的比荷都是相同的;然后指出這個推測與實際情況不符;因此盧瑟福提出猜想“原子核內(nèi)可能還存在著另一種粒子，它的質(zhì)量與質(zhì)子相同，但是不帶電”;這個猜想由查德威克通過實驗證實.為了幫助學(xué)生進(jìn)一步思考這個猜想的依據(jù)，在節(jié)后的“問題與練習(xí)”中還配置了一個簡答題，讓學(xué)生討論“有什么理由可以認(rèn)定原子核中一定還存在著另外不同種類的粒子？”.

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

核能最為重要的應(yīng)用，在于作為一種重要的新能源的廣泛應(yīng)用前景，教科書從章首語開始就指出了核能發(fā)電對于能源問題的重大作用.核能包括裂變能和聚變能.對于裂變，教科書在闡明原理的基礎(chǔ)上，還介紹了一些原子彈和反應(yīng)堆與核電站的技術(shù)細(xì)節(jié)，最后通過對核電站和火電站消耗能源具體數(shù)據(jù)的比較，展現(xiàn)了核電發(fā)電的巨大優(yōu)勢.而對于核聚變這一獲得核能的另一重要途徑，教科書介紹了核聚變的原理、特點以及目前的研究進(jìn)展.最后指出，人類對聚變的研究已取得了一定的成果，但目前聚變所獲得的核能還只能用于核武器中.和平利用聚變所產(chǎn)生的核能還在研究之中，雖然取得一些進(jìn)展，但技術(shù)還不成熟.從而讓學(xué)生對科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展變化有所感悟.

教科書同時對核能技術(shù)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題，也進(jìn)行了討論.主要集中在輻射的危害、核泄漏和核廢料處理等方面，并提出了要遵守放射性同位素操作流程、防止污染、豎立標(biāo)志、用特制容器深埋核廢料等措施.通過對這些問題的介紹和討論，教科書希望讓學(xué)生認(rèn)識到，科學(xué)技術(shù)對人類生活和社會發(fā)展的積極影響，但同時也會帶來一系列問題，人類必須尊重自然，遵循自然規(guī)律.

課時安排建議：

第1節(jié) 原子核的組成1課時

第2節(jié) 放射性元素的衰變1課時

第3節(jié) 核力與結(jié)合能1課時

第4節(jié) 核裂變與核聚變1課時

第5節(jié) “基本”粒子1課時

2 具體說明

2.1 第1節(jié) 原子核的組成

本節(jié)內(nèi)容包括天然放射現(xiàn)象、射線的本質(zhì)和原子核的組成三部分內(nèi)容.教科書首先介紹了科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象在自然界是大量存在的，具有天然放射性的元素種類很多.然后從強(qiáng)磁場中放射性物質(zhì)放出的射線分成三束的實驗事實出發(fā)，介紹α射線、β射線和γ射線，并通過對這三種射線的研究，確認(rèn)射線來自原子核，進(jìn)而介紹原子核的組成.原子核的組成是比較抽象的，因此教科書注意引導(dǎo)學(xué)生把微觀機(jī)制和相關(guān)的實驗緊密地聯(lián)系在一起，通過展示科學(xué)家實驗、猜測、再實驗的探索過程，建立原子核的模型.

本節(jié)還通過“拓展學(xué)習(xí)”欄目介紹了粒子實驗中使用的威耳遜云室，威耳遜云室是核物理研究中最基本、最常用的實驗儀器.通過對實驗的觀察和對儀器原理的介紹，可以讓學(xué)生知道，研究原子核變化中的微觀現(xiàn)象，可以根據(jù)各種粒子產(chǎn)生的宏觀效應(yīng)來觀察，并在觀察的基礎(chǔ)上分析推理，進(jìn)而作出預(yù)測和判斷.

此外，本節(jié)中的“科學(xué)足跡”欄目中介紹了“天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)”，從物理學(xué)史的角度系統(tǒng)地展現(xiàn)了科學(xué)家探索微觀世界的方法：觀察宏觀現(xiàn)象（貝可勒爾發(fā)現(xiàn)一種能夠使照相底片感光的神秘射線）—猜想（這種射線不是X射線，它來自原子核內(nèi)部）—反復(fù)實驗，對猜想進(jìn)行驗證（居里夫婦用不同元素進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)釷、釙、鐳等都具有放射性）—得出科學(xué)的結(jié)論（放射現(xiàn)象與元素種類有關(guān)，發(fā)生在原子核內(nèi)部）.

2.2 第2節(jié) 放射性元素的衰變

本節(jié)介紹了原子核的衰變、半衰期、核反應(yīng)、放射性同位素及其應(yīng)用等知識.從內(nèi)容上來講這些知識非常抽象，從掌握知識的角度來講理解、記憶的成分較多.因此本節(jié)教科書注意與前面學(xué)過的相關(guān)知識（特別還包括化學(xué)知識）進(jìn)行聯(lián)系，并用類比的方法，注重知識的遷移.例如，引入的問題從“點石成金”出發(fā)，討論一種元素是否會變成另一種元素;結(jié)合化學(xué)知識，運用質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律分析α衰變和β衰變的衰變方程式;用數(shù)學(xué)的統(tǒng)計規(guī)律理解和計算半衰期等.

在“原子核的衰變”最后一部分，教科書還強(qiáng)調(diào)原子核的能量變化和原子的能量變化一樣都是不連續(xù)的，具有量子化特征，與上一章呼應(yīng)，體現(xiàn)了物理知識的系統(tǒng)性.

在“放射性同位素及其應(yīng)用”部分，教科書介紹了通過原子核的人工轉(zhuǎn)變研究原子核結(jié)構(gòu)（核反應(yīng)）、發(fā)現(xiàn)和制造新元素的研究方法，比較了人工放射性同位素和天然放射性物質(zhì)的區(qū)別，并列舉了大量實例，包括直接利用射線測厚、治療、培優(yōu)等，以及作為示蹤原子進(jìn)行生物和醫(yī)學(xué)研究.在“科學(xué)漫步”欄目中介紹了“碳14測年技術(shù)”——碳14測年技術(shù)的原理和在測古木、基本建設(shè)等方面的應(yīng)用.

2.3 第3節(jié) 核力與結(jié)合能

本節(jié)教材是在學(xué)生已經(jīng)掌握了原子核是由質(zhì)子和中子組成的基礎(chǔ)上，探究是什么作用使得質(zhì)子和中子可以有機(jī)地組成一個穩(wěn)定的整體.為此，教材首先安排了“核力與四種基本相互作用”，在回顧引力與電磁相互作用后，指出帶正電的質(zhì)子之間存在排斥力，由此發(fā)現(xiàn)是強(qiáng)相互作用將原子核中的核子結(jié)合在一起的，最后指出物理學(xué)家從放射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，在核內(nèi)還存在弱相互作用.

從力的角度認(rèn)識了原子核后，教科書又通過“結(jié)合能”的教學(xué)從能量的角度再次認(rèn)識原子核，即要拆散原子核必須賦予原子核能量，這個能量就是原子核的結(jié)合能.教科書通過“思考與討論”欄目進(jìn)一步分析結(jié)合能的意義.對于比結(jié)合能的概念，使學(xué)生知道比結(jié)合能越大，意味著把同樣數(shù)量的核子分開所需要的能量越大，說明核子的結(jié)合越牢固，原子核越穩(wěn)定.

要理解質(zhì)量虧損，需要注意一定的質(zhì)量和一定的能量是相對應(yīng)的，原子核在變化時其變化前后的總質(zhì)量是不同的，這種質(zhì)量的差異對應(yīng)的就是核反應(yīng)中所吸收或釋放的能量.通過例題計算氘核的結(jié)合能，不僅能夠幫助學(xué)生理解結(jié)合能的概念與計算，也為后面不同原子比結(jié)合能的大小留下直觀的印象.通過不同原子核的比結(jié)合能的圖像可以清楚地看到：中等質(zhì)量的核比結(jié)合能最大，一方面說明中等質(zhì)量的核最牢固;另一方面說明由輕核結(jié)合為中等質(zhì)量的核，或由重核分裂為中等質(zhì)量的核都會出現(xiàn)新的質(zhì)量虧損.這個結(jié)論也為下一節(jié)做好了鋪墊.

2.4 第4節(jié) 核裂變與核聚變

本節(jié)在上一節(jié)的基礎(chǔ)上，介紹了核能利用的兩種方式——核裂變和核聚變.當(dāng)發(fā)生核反應(yīng)，從一種核變成另一種核時，結(jié)合能會發(fā)生變化.比如，由結(jié)合能小的核變成結(jié)合能大的核，就可能有能量釋放出來.這種在核反應(yīng)中釋放出來的能量就是核能，而改變原子核就是人們獲取核能的基本途徑.

對于裂變的產(chǎn)生及其利用，教科書沿核裂變的發(fā)現(xiàn)—鏈?zhǔn)椒磻?yīng)—核反應(yīng)堆（可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）—核電站這條主線展開.其中核裂變的發(fā)現(xiàn)，包括裂變過程中能放出巨大的能量、裂變的同時能放出2-3個（或更多）中子、裂變的產(chǎn)物不唯一等特點.而要維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就要減少裂變物質(zhì)中的雜質(zhì)（要濃縮鈾），還要增大裂變物質(zhì)的體積，這就引入了臨界體積的概念.關(guān)于核反應(yīng)堆，則較為詳細(xì)地介紹了它的組成與結(jié)構(gòu)、用途與防護(hù).此外，教科書還特別提到了我國科學(xué)家錢三強(qiáng)、何澤慧夫婦對鈾核裂變的實驗研究和成果得到了廣泛的認(rèn)可和贊賞.

而對于核聚變這一獲得核能的另一重要途徑，教科書介紹了核聚變的原理、特點以及目前的研究進(jìn)展.人類對聚變的研究已取得了一定的成果，但目前聚變所獲得的核能還只能用于核武器中.和平利用聚變所產(chǎn)生的核能還在研究之中，雖然取得一些進(jìn)展，但技術(shù)還不成熟.其中還特別突出反映了我國在磁約束和慣性約束核聚變領(lǐng)域的成就——環(huán)流器裝置EAST和“神光Ⅲ”激光約束核聚變研究裝置.

2.5 第5節(jié) “基本”粒子

本節(jié)介紹了粒子物理學(xué)中的一些基本知識，學(xué)生有常識性的了解就可以了.粒子物理學(xué)是當(dāng)代物理發(fā)展的前沿領(lǐng)域，因此本節(jié)教科書涉及了一些科學(xué)技術(shù)的最新發(fā)展成果.例如，通過圖表的形式，展現(xiàn)了粒子物理從20世紀(jì)30年代到21世紀(jì)的重大發(fā)現(xiàn);圖文介紹了2008年才開始運行的大型強(qiáng)子對撞機(jī);粒子的分類改為強(qiáng)子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子;介紹夸克和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，等等.

此外，本節(jié)教科書還進(jìn)一步完善了“科學(xué)漫步”欄目，介紹了華人科學(xué)家在粒子物理學(xué)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，較為詳細(xì)地展示了趙忠堯、謝玉銘、王淦昌、楊振寧、李政道、吳健雄、丁肇中等華人科學(xué)家的科學(xué)貢獻(xiàn).這些內(nèi)容不僅突出我國科學(xué)家的貢獻(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感，也會激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠體會到科學(xué)探索是永遠(yuǎn)沒有盡頭的，人類對真理的追求也是永無止境的.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，粒子物理學(xué)必然會踏上更高的臺階，不斷加深人們對自然界物質(zhì)的本質(zhì)的認(rèn)識.

（收稿日期：2021-02-20）