正确理解原子物理学教学中的几个重要概念

发布时间:2021-11-30 17:38:39

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 正确理解原子物理学教学中的几个重要概念 作者:*ɑ 来源:《中学理科园地》2015 年第 01 期 摘 要:中学物理教材中对原子物理学的内容编写得过于简单,但这部份内容却是大学物 理重要的基础知识,与当今发展的前沿物理有着密切的关系。为了使中学生更好地掌握相关知 识,作为中学物理教师应正确理解:核子和核力、放射性现象、原子核反应、结合能等重要概 念。 关键词:原子核;核力;射线;核反应;结合能 在原子物理学的教学过程中,我们经常会遇到这样的一些问题:由于中学部分教材编写得 过于简单,使得部分学生对某些物理概念的掌握存在着一些*佣沟醚谘*原子物 理学初步知识的过程中产生了一种对物理学*的倦怠心理,影响了学生对物理的兴趣。尽管原 子物理学部分在高考中所占的份量很小,但这部份内容却是大学物理重要的基础知识,与当今 发展的前沿物理有着密切的关系,也是很多将来有志于从事物理研究的中学生迫不及待要了解 的知识。因而本人认为对这部分知识的教学如果仅限于课本中的表述(包括课后的“阅读材 料”)是完全不够的,作为一名称职的物理教师,必须在教到有关章节时做一些必要的微观探 究和补充。为此,本人建议做以下几点补充说明,以解学生的困惑。 1 核子和核力 原子核是怎样构成的呢?在中子发现以前,由于天然放射性元素能放出 β 粒子(即电 子),以及在人为核反应中能获得质子,人们曾假定原子核是由质子和电子组成的。但是这个 假定却和一系列的实验事实发生了矛盾。例如,由于电子具有波动性,由量子力学计算得知, 如果要把电子限制在原子核这样大小的范围内,电子的能量必须大于 26.2 兆电子伏特(Mev) 才行,事实上放射性衰变中放出的 β 粒子从来没有这样大的能量。 自从中子被发现以后,人们逐渐得知,这些不符之处,说明原子核不是由质子和电子组 成,而是由质子和中子组成。质子和中子统称为核子。那么核内没有电子,怎样说明 β 衰变现 象呢?这是因为,中子可以放出电子而转变为质子,质子在适当条件下也可以放出正电子而转 变为中子,在转变过程中还放出一个不带电的而质量几乎为零的基本粒子——中微子(用 ν 来 表示)。 当原子核内有中子转变为质子时,有负电子放出,这就是 β-衰变;当原子核中有质子转变 为中子时,有正电子放出,这就是 β+衰变。由此我们应当明确: (1)核反应中,由原子核放射出电子或正电子,并不意味着它们是核的组成部分。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn (2)不能认为中子是由质子和电子组成的;也不能认为质子是中子和正电子组成的,只 能说在中子和质子的相互转变中,有电子或正电子产生。 原子核既由中子和质子所组成,而质子间存在着库仑斥力,那究竟是什么力使这些核子能 够组成稳定的原子核呢?当然,核子之间有万有引力,但根据计算,这种引力太小,不足以说 明问题。因此核子之间一定存在着一种特有的相互吸引力,我们把这种引力称为核力。核力是 核子之间的作用力,它与核子是否带有电荷无关。关于核力的详细性质,目前还不太清楚,正 在研究中。但有几点认识是趋于一致的: (1)核力是一种交换力。我们知道电磁力是通过电磁场而作用的,电磁场具有粒子性 (即光子),因此电磁力是通过光子的交换来实现的一种交换力。与此类似,核力是通过一种 特殊粒子(称为介子,记为 π)的交换而实现的。人们在宇宙线中发现了介子,在实验室中又 用人工方法获得了介子。目前认为,中子和质子之间的核力就是通过交换带正、负电或中性的 介子(π+、π-或 π0)而产生的。 (2)核力是一种短程力。实验证明,在核子之间的距离大约 0.5×10-15m 时主要为引力, 能够克服质子间的库仑力而使各核子结合成原子核。但核力随着核力之间距离的增大而很快减 小,当距离大于 2×10-15m 左右时,就不发生作用了。 2 放射性现象 在介绍 α 射线、β 射线和 γ 射线的性质时,应指出 α 粒子、β 粒子和 γ 粒子(或称 γ 光子) 都是从放射性元素的原子核中放射出来的。但是在教学中必须防止这样一个错误观念:放射性 元素的原子核是由 α 粒子、β 粒子和 γ 粒子组成的。因为不论何种原子核都是由核子(质子和 中子)组成的。 α 射线的产生是由于不稳定的原子核转变成为较为稳定的原子核的结果,在转变中质子和 中子数目都减小,以 α 粒子的形式从核中放射出来,一次只能放出一个 α 粒子。不同的放射性 元素,所放射出来的 α 粒子速度互不相同,同一种物质放射出来的却几乎相等。各种物质放射 出来的 α 粒子的初速度大约都在 107m/s 左右。α 粒子的穿透本领小,在各种物质中的射程很 短。如在空气,铀放射的 α 粒子的射程仅为 2.7cm,镭的 α 粒子的射程为 3.4cm,在液体和固 体中的射程就更短了。α 粒子具有一定的能量,本身又带有两个单位正电荷,碰到空气分子, 能使它电离。根据实验测定,当 α 粒子的速度为 1.5×107m/s 时,所具有的能量约为 10-12J, 碰到空气分子形成离子对数为 2×105 对,可见 α 射线的电离本领强。 β 射线的产生是由于不稳定原子核中的一个质子转变成为一个中子,或一个中子转变成为 一个质子。在前一种情况下产生的是正电子,在后一种情况下产生的是负电子(上面已提到 过)。每一次只能放出一个 β 粒子。β 射线是一种高速的电子流,速度在 0.3c~0.998c(c 代表 光速)。β 粒子的穿透本领比 α 粒子要大得多,但电离作用比 α 粒子要小得多。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn γ 射线的发射是由于原子核从不稳定状态转变到较稳定的状态,差不多每一个放射性原子 核都能放射 γ 射线,它的实质是一种高能量的电磁波,波长很短,在电场或磁场中不发生偏 转。常见的 γ 射线能量在几十万到几百万电子伏特之间,它的穿透本领最强,比 β 粒子还大 10 倍

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