創新實驗助力 打造證據課堂

郭子朋 張平 卞景垚 孫民華 姚秀偉

摘 要：證據意識是科學思維素養重要的核心要素，了解放射性衰變統計規律實驗，助力提升學生的證據意識，辯證理解原子核衰變規律的隨機性與統計性的關系，促進科學思維發展.

關鍵詞：放射性;衰變;創新實驗;證據課堂

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）09-0047-02

基金項目：黑龍江省2020年大學生創新創業計劃項目（項目編號：202010231069）;2021年度哈爾濱師范大學高等教育教學改革研究一般項目（項目編號：XJGYF2021048）;2020年黑龍江省高校基本科研項目（項目編號：2020-KYYWF-0366）.

作者簡介：郭子朋（2000-），男，黑龍江人，本科生，研究方向：物理學;

張平（2000-），女，黑龍江人，本科生，研究方向：物理學.

通訊作者：孫民華（1969-），男，山東人，博士，教授，研究方向：凝聚態物理;

姚秀偉（1977-），女，黑龍江人，碩士，副教授，研究方向：課程與教學論.

“放射性元素的衰變”是人教版教材（2017年版）選擇性必修第三冊第五章的一節內容.《高中物理課程標準（2017年版）》對本節內容的要求是：了解原子核衰變，知道半衰期及其統計意義.原子核衰變的統計意義理解起來具有一定的抽象性，本文創新設計近代物理“放射性統計規律的驗證”實驗，并將創新后的實驗用于中學物理教學，為抽象的結論性描述提供證據支持，助力打造證據課堂，促進學生對原子核衰變規律的辯證理解，并助力提升學生的證據意識，促進科學思維發展.

1 實驗的創新設計

用天然鈾礦石代替傳統實驗用的人工放射源.鈾礦石放射強度小，比人工放射源更安全.該鈾礦石含有鈾235和鈾238兩種同位素，其中鈾238的豐度約99%.鈾238的衰變是一個多過程衰變，在連續的衰變過程中，會放出α射線和β射線，還會伴隨γ射線輻射，便于通過檢測γ射線來測量原子核衰變數量.

用微機多道譜儀代替傳統實驗用的G-M計數管，作為檢測射線的儀器.G-M計數管測量的衰變是各個衰變過程的總和，而微機多道譜儀可以選擇特定的衰變過程進行有針對性的測量，使測量結果的物理意義更清晰.整個微機多道譜儀結構如圖1所示，包括脈沖多道分析器、閃爍探測器和計算機等.閃爍探測器是其核心部件，包括閃爍體、光電倍增管和相應的電子儀器.譜儀檢測射線的工作過程如下：閃爍體與射線相互作用并產生閃爍光（光子），包圍在閃爍體周圍的反射物質使光子射向光電倍增管，由于光電效應產生電子，引起電流或電壓脈沖，經電纜傳輸到電子儀器（脈沖多道分析器屬于電子儀器的一部分）中，脈沖分析器用于分析射線能譜，根據能譜的特征峰面積可以計算放射性衰變的數量（二者成正比）.

2 實驗結果和教學應用

關于原子核衰變的規律，教材中指出：放射性元素的半衰期描述的是統計規律，而對于一個特定的原子，我們只知道它發生衰變的概率，而不知道它將何時發生衰變，并通過旁批引導學生思考微觀世界規律的特征之一即“單個微觀事件不可以預測”，也就是說，隨機性與統計性同時存在于原子核衰變規律中.原子核衰變的統計規律實驗用于本節教學可以為學生理解教材內容提供數據證據，還可以引導學生深入探究原子核衰變規律、辯證理解隨機性與統計性的關系.

2.1 利用實驗數據證明放射性衰變的隨機性

將天然鈾礦石放于鉛盒內，置于閃爍探測器下方，使射線只通過鉛盒上表面的小孔進入探測器中.利用多道分析器選擇性分析由鉍214衰變為釙214時放出的γ射線的特征峰，然后通過求特征峰面積的方法，重復測量100組相同時間間隔內的衰變次數，每組數據測量時間為40秒，測量數據見表1.具體教學實施時，可根據教學時間靈活安排測量次數和每組測量時間，或者將部分測量安排在課外.

由表1數據可以看出，相同實驗條件下、相同時間間隔內原子衰變次數漲落很大，這正是放射性衰變隨機性的實驗表現，實驗數據直觀證明了原子核衰變的隨機性特點，即“某一時間內，有時衰變的核多些，有時少些”，所以數據出現波動，為教材所描述的“對于一個特定的原子，我們只知道它發生衰變的概率，而不知道它將何時發生衰變”提供數據證據.

2.2 通過深入探究理解放射性衰變的統計性

將表1中的數據繪制成衰變次數隨時間變化的圖像（如圖2），可以看出數據是圍繞某一數值上下漲落的，說明原子核衰變除了具有隨機性，還存在其它的規律.利用課外活動時間，在學生認識核輻射的防護知識基礎上，帶領并指導學生將測量數據增加到300組，并對300組數據進行處理，求出平均值，統計衰變在不同次數區間出現的概率，如圖3所示的矩形部分.圖像顯示：衰變次數區間與平均值（635次/40秒）所在區間偏差越小的，出現的概率越大，且整體呈現出正態分布規律.用正態分布函數進行數據擬合（圖3曲線部分），擬合度為0.96615，說明原子衰變概率的分布與正態分布曲線吻合度很高.

實驗探究可以幫助學生更好地理解放射性衰變的統計規律.同時借助不同測量時間（20秒和40秒）衰變概率曲線正態分布擬合度的不同（如圖4），可以讓學生認識到測量時間越長（衰變的原子核越多），放射性衰變越符合正態分布，從而辯證地認識科學規律.

3 結束語

證據意識是“科學思維”素養的核心要點之一，證據課堂是培養學生證據意識的主陣地.通過創新移植“放射性衰變的統計規律”實驗至中學物理課堂，為抽象的結論提供形象的證據，可以助力打造證據課堂，提高學生的證據意識，繼而提高學生的“科學思維”素養.

參考文獻：

[1]龐蓉，宋晶晶，梁婷.用閃爍探測器驗證放射性衰變的統計規律[J].大學物理實驗，2012，25（05）：20-21+23.

[2]魏懷鵬，張志東.近代物理實驗[M].天津：天津大學出版社，2010.

（收稿日期：2021-02-22）