从文化视角探讨复习原子物理

在物理教学中，从文化的视角切入是学生了解科学源流，品味科学成就，掌握科学方法，欣赏和体验科学理论的和谐对称美，有助于提高学习的质量和效率。下面我们以“原子和原子核”这部分内容的复习为基础，谈谈笔者的做法及思考。

1 原子物理部分的知识点及高考考纲要求

α粒子散射实验，原子的核式结构(Ⅰ)；氢原子的能级结构。光子的发射和吸收(Ⅱ)；氢原子的电子云(Ⅰ)；原子核的组成。天然放射现象。α射线、β射线、γ射线、衰变。半衰期(Ⅰ)；原子核的人工转变。核反应方程。放射性同位素及其应用(Ⅰ)；放射性污染和防护(Ⅰ)；核能、质量亏损、爱因斯坦的质能方程(Ⅱ)；重核的裂变、链式反应、核反应堆(Ⅰ)；轻核的聚变，可控热核反应(Ⅰ)；人类对物质结构的认识(Ⅰ)。

2 对教材的处理

笔者的做法是将“原子和原子核”放在20世纪初到21世纪初这一跨度为100年的背景上审视这部分内容，将其视为一个开放性的系统，在不变更其主体结构的前提下，渗透“科学、技术与社会”的思想，突显这部分内容在方法论上的价值，对“原子和原子核”的复习安排从三个维度展开。

2.1 知识维度 “原子和原子核”按从大到小，从外向内，采取“剥葱式”的方式展现知识网络，具体线索为：原子结构原子核结构基本粒子核技术和核能的应用。

原子结构的知识脉络：汤姆生枣糕式原子模型卢瑟福有核模型玻尔模型(经典理论基础加上量子化的模型)。这一层次以玻尔模型为重点，作为学生认识过程中的台阶，在研究和解释某些现象涉及到原子结构知识时，也以玻尔模型为依据。

贝克勒尔发现天然放射现象，揭示了原子核是可变的、可分的，使传统的自然观受到很大的冲击，这一部分让学生知道原子核的衰变、人工转变、核组成、质子和中子的发现、人工放射性同位素的发现及相关的应用。

原子核能――尤其是通过裂变和聚变这两条有效途径获得核能，是当前解决能源问题中大家关心并积极研究的大事情。我们有必要让学生了解这方面的基础知识和进展情况，何况高考也有这方面的要求。爱因斯坦质能方程的复习中，我们有责任让学生体会其中的科学美。你看E=mc2是如此简洁、完美、真是“秋水文章不染尘”，没有任何渣滓，直达深处，径直揭示出宇宙的奥秘。

2.2 方法维度 人们对原子和原子核的研究，为我们展示了一条非常清晰的科学研究的途径：实验(事实)――理论假设――实验(提供新的事实)――修正理论(甚至建立新的假设)，人们在不断修正错误中逼近事物的本质，获得真理性的认识。

1895年发现X射线，1896年发现天然放射性现象，1897年发现电子，连续出现的三大发现在科学界和哲学界产生的影响是十分巨大的，给整个物理学界带来了困惑和论争，法国著名物理学家彭加勒、路・乌尔维格、意大利的奥・利希、奥地利的马赫，甚至革命导师列宁也加入了这场讨论，马赫将这称作为“原理的普遍毁灭”(原子的不可分割、不变性被打破了，物质不灭和能量守恒的规律受到新的检验等等)。唯心论者认为“原子非物质化，物质消失了”。我们用今天眼光审视过去，不难发现，物理学在这些发现后达到了一个新的高度。

人们认识原子的历程中方法论的因素非常丰富，科学理论的发展并不是新理论毁灭了旧理论的成果，而是新理论既指出了旧理论的优点也指出它的局限性，从而使我们能把自己的理念提高到更高的理论水平。不仅原子和原子核理论如此，任何物理学的变化，无论看起来有怎样的革命性，都是如此。

2.3 情感态度与价值观的维度 100年来，人类认识物质结构的历史，可以说是波澜壮阔。我们不妨回忆一下这一串光辉的名字：贝克勒尔、卢瑟福、玻尔、玛丽・居里和皮埃尔・居里夫妇、约里奥・居里和伊利芙・居里夫妇、查德威克、钱三强和何泽慧夫妇、李政道和杨振宁、王淦昌等等。掸去灰尘，打开尘封的历史，我们会发现这闪光名字背后鲜活的科学事件。教学中渗透科学史的知识，有助于培养学生对科学的正确认识，有助于学生创新意识的培养，有助于学生理性怀疑意识的建立和批判精神的形成。

1909年卢瑟福在做α粒子散射实验时发现大约有八千分之一的α粒子发生超过90°的大角度散射。卢瑟福后来提起这件事时曾说：“这是我一生中最不可思议的事件。这就像您对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反弹回来的炮弹击中一样地不可思议。”这促使卢瑟福去思考他的老师J・J・汤姆生原子模型的正确与否这一问题。本来，汤姆生为β散射建立个一个多次碰撞的理论，可以解释大角度散射。但当用到α粒子散射时，由于α粒子比电子质量大得太多，故两者多次碰撞几率趋于零。而实验结果却是八千分之一，这是一个极大的矛盾。

一边是恩师的理论，一边是千真万确的实验结果，卢瑟福陷入了极其矛盾的境地，经过长时间思考，1910年底，卢瑟福终于作出决断，放弃汤姆生模型，承认原子有核，建立原子核式结构模型，为原子物理和核物理的发展奠定了最主要的基础。

批判精神的核心是理性怀疑精神，表现为不迷信权威，不迷信书本，坚持真理。哈佛大学以“与柏拉图相知，与亚里士多德相知，更重要的是与真理相知”作为自己的校训，亚里士多德的名言“吾爱吾师，吾更爱真理”，更是批判精神的写照。物理学的发展史就是一个反思、怀疑、批判、求真、求美，求新的一部发展史。从光的微粒说、波动说到波粒二象性和光子说，从古典力学，经典力学再到相对论力学，从热质说，热力学到能量说，爱因斯坦与玻尔之间就量子力学是否完备发生的长期争论等，都是让学生体悟批判精神的生动素材；对物理学史的阅读、听讲、讨论本身就是一种培养批判精神的过程。

在复习教学中使学生的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观都得到提升，一定量的训练是一个重要手段。

3 高考中的“原子和原子核”的问题聚焦

注重考查近代物理，是近几年高考命题的一个显著特点，命题者往往将这部分知识和现代科技进展联系起来，考查应试者采集信息、处理信息、综合应用知识解决问题的综合素质，体现了高考物理与时俱进、学以致用的鲜明时代特色，“原子和原子核考点”因而成为近年高考的热点。现选择部分习题，以供参考。

3.1 与原子结构模型相关问题

例1 ［2001年上海物理卷］卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有（ ）答案：ACD

A．原子的中心有个核，叫原子核

B．原子的正电荷均匀分布在整个原子中

C．原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里

D．带负电的电子在核围绕着核旋转

3.2 原子的能级跃迁问题

例2 ［2004年江苏物理卷］若原子的某内层电子被电离形成空位，其他层的电子跃迁到该空位上时，会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出去，此电磁辐射就是原子的特征X射线。内层空位的产生有多种机制，其中的一种称为内转换，即原子中处于激发态的核跃迁回基态时，将跃迁时释放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位(被电离的电子称为内转换电子)。21484Po原子核从某一激发态回到基态时，可将能量交给内层电子(如K、L、M层电子，K、L、M标记原子中最靠近核的三个电子层)使其电离，实验测得从

3.3 电磁场中的核衰变问题

例3 ［2003年全国理综新课程卷］K－介子衰变的方程为：K－π－＋π0，其中K－介子和π－介子带负的基元电荷，π0介子不带电。一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK-与Rπ-之比为21。π0介子的轨迹未画出。由此可知π－的动量大小与π0的动量大小之比为（ ）答案：C

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A.11 B．12

C．13 D．16

3.4 与守恒定律相关的的综合问题

例4 ［2000年全国春季理综卷］云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中，一静止的质量为M的原子核在云室中发生一次衰变，α粒子的质量为m，电量为q，其运动轨迹在于磁场垂直的平面内。现测得α粒子运动的轨道半径为R，试求在衰变过程中质量亏损(注：涉及动量问题时，亏损的质量可忽略不计)

答案：Δm=M(qBR)22c2m(M-m)

3.5 爱因斯坦质能方程问题

例5 ［2006年广东物理卷］据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称“人造太阳”）已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是( )答案：AC

A．“人造太阳”的核反应方程是21H+31H42He+10n

B．“人造太阳”的核反应方程是 23592U+10n14156Ba+9236Kr+310n

C．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2

D．“人造太阳”核能大小的计算公式是 E=12mc2

例6 ［2006年江苏物理卷］天文学家测得银河系中氦的含量约为25%。有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生3min左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的。

（1）把氢核聚变就简化4个氢核（11 H）聚变成氦核（42 He），同时放出2个正电子（01e）和2个中微子（νe），请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量。

（2）研究表明，银河系的年龄约为t=3.8×1017s，每s钟银河系产生的能量约为1×1037J（P＝1×1037J/s），现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量（最后结果保留一位有效数字）

（3）根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断。

（可能用到的数据：银河系的质量约为M＝31×1041kg，原子质量单位1u＝1.66×10-27kg，1u相当于1.5×10-10J的能量，电子的质量m＝0.0005u，氦核的质量mα＝4.002 6u，氢核的质量mp＝1.008 7u，中微子νe质量为零。

答案：（1）411H42He+201e+2νe；

ΔE=Δmc2=4.14×10-12J。

（2）氦的含量 k≈2%。

（3）由估算结果可知，k≈2%远小于25%的实际值，所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的。

除上面几种类型的问题外，还有半衰期等问题，限于篇幅不再赘述。

“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”。

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