“原子和原子核”教学中的几个明确

拓世焱

【摘要】高中物理“原子和原子核”是相对独立的章节，是物理科学的前沿。由于教材没有深入讲解，以致学生产生很多疑惑，经常会提到教材中没有明确的问题，针对此现象，我认为在本章教学的过程应该做到几个明确。

【关键词】明确原子结构原子核结构

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）03-0144-01

一、“原子结构”教学中的几个明确

近代物理所讲述的原子结构主要汤姆生的枣糕式模型，卢瑟福的原子核式结构和玻尔原子结构模型，这三者都有其实际意义和局限性。暂且，我们不讨论哪种观点更完善，而讨论怎样理解其内容，学生对前二者是比较容易理解，但对玻尔模型理解有一定的困难，这里提出几点必须明确的问题。

1.原子的跃迁与电子的跃迁的关系

原子中电子处于不同的轨道时对应原子不同的状态，原子在不同的状态中对应不同的能量，电子从一个轨跃迁到另一个轨道时，原子从一种定态跃迁到另一种定态，原子从一个能级跃迁到另一能级。原子在能级间跃迁通过电子在轨道间跃迁实现；电子在轨道间的跃迁会引起原子在能级间跃迁，二者是不可分割。

2.一群原子和一个原子跃迁的不同

氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了。

3.跃迁与电离区别

根据玻尔理论，当原子从低能态向高能态跃迁时，必须吸收光子才能实现。相反，当原子从高能态向低能态跃迁时，必须辐射光子才能实现，不管是吸收还是辐射光子，其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差。欲想把处于某一定态的原子的电子电离出去，就需要给原子一定的能量。如使氢原子从n=1的基态上升到n=∞的状态，这个能量的大小至少为13.6eV。大于13.6eV也可以被氢原子吸收，使氢原子电离后电子具有一定初动能。

4.间接跃迁与直接跃迁不同

原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁。两种情况下辐射（或吸收）光子的频率可能不同。

5.入射光子与入射电子区别

若是在光子的激发下引起原子的跃迁，则要求光子的能量必须等于原子的某两个能级差；若是在电子的碰撞下引起原子的跃迁，则要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级差，两种情况有所不同，要引起注意。

二、“原子核”教学中的几个明确

1.“核衰变”和“核反应”的关系

在实际教学过程中，“核衰变”和“核反应”这两个概念使用是比较混乱的，甚至有的教师认为，在高中不刻意追求概念的严格性，两者不作区分是可以的。实际上这二者是有区别的，不能互换使用。从二者定义来区别：衰变是指某些元素的原子核很不稳定，自发地发出射线，变成另一种元素的原子核；而核反应是指原子核在其它粒子轰击下产生新原子核的过程。可见，“核衰变”和“核反应”这两个概念所反应的思维对象是“原子核的变化”，两者从原子核变化所需条件不同来区别二者的关系为：

原子核变化 核衰变（原子核的自发变化）核反应（原子核的受激变化）

2.原子核跃迁放出的光线和原子跃迁放出的光线有何区别

当原子核发生α或β衰变时，生成的子核往往处于激发态，原子核由高激发态向低激发态或基态跃迁时要发射光子。由于核能级间隔比原子能级间隔大得多，所以发出的光子能量很高，可达几十千电子伏甚至几十兆电子伏，称它们为γ光子或γ射线，这些光子能量远远大于可见光光子的能量，即γ射线是人眼看不到的。

当原子吸收一定能量后，会处于激发态，在由高激发态向低激发态或甚至基态跃迁时，要发射光子，这些光有的是可见光，有的不是可见光，但其光子的能量远小于核能级间隔。如氢原子从n=6或n=5能级向n=2能级跃迁时产生紫光，从n=6能级跃迁到n=1能级将产生紫外线，电离能只有13.6eV。

3.质能方程与核反应前后总质量、总能量守恒是否矛盾

质能方程△mc2=△E中，△m表示反应前后核子的静止质量之差（而不是运动质量之差），△E表示反应时吸收或放出的净能量。以下列反应为例：

■■Li+■■H=■■He+■■He。

用m1、m2表示 ■■Li和■■H静止质量，m3表示■■He的静止质量，E1表示入射核子■■H的动能，E2表示生成两个■■He的总动能，若 反应前是静止的，则

M1c2+m2c2+E1=2m3c2+E2,

转化成：（m1+m2-2m3）c2=E2-E1

根据爱因斯坦的狭义相对论，物体以速度v运动时质量m和它的静止质量m0关系为：m=■ ,由此可知，物质的质量和物体的运动有着密切的关系，在核反应中必须加以考虑。放热的核反应前后，静止质量减少（即发生质量亏损），总动能增加，增加的总动能即为△E，即静止质量△m所蕴含的能量为△E。因此，核反应前后静止质量不守恒，但运动质量总和保持不变，并且与质量相联系的总能量也不变。

4.核反应为什么不考虑核外电子的影响

当用一定能量的入射核子去轰击原子核时，由于两者之间的相互作用而引起原子核的变化，这个过程称为核反应。在学习核反应的没有提及核外电子的影响，而把原子核看作是自由的，这是因为原子的电子与原子核间结合能很小，惰性气体的电离能最大，但也不超过25eV，而入射粒子的能量高达百万电子伏。另外，电子质量非常小，入射粒子即使与电子碰撞，也像子弹碰到尘埃一样，不会产生什么影响。原子直径数量级10-10 m，而原子核直径数量级为10-15m。这说明原子内部是十分“空旷”的。因此，在发生核反应时，把原子核看作是自由的，不必考虑核外电子的影响。

5.α粒子的散射与用α粒子轰击氮核发生核反应有何区别

1909年-1911年，卢瑟福用放射源放射出的α粒子照射金箔，得到如下实验结果：（1）绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，说明原子中绝大部分是空的，（2）少数α粒子偏转角度超过90°，有的偏转角几乎达到180°。这说明α粒子受到一个质量较大、集中有正电荷的库仑力的作用。1906年冬，卢瑟福认识到α粒子在某一临界速度以上时才能打入原子内部。核子之间的相互作用力叫核力，核力的作用范围（力程）是非常小的，由其它的散射实验可得出两核子只在距离10-15m左右时才有核力的相互作用，距离再增大，核力立即消失。而上述α粒子散射实验，α粒子与靶核的距离大于10-14m，这时α粒子并未受到靶核的吸引，仍然是被库仑斥力散射开去。而用能量足够高的α粒子轰击氮核所发生的核反应，是入射核与靶核距离小到核力起作用的范围，这时的相互作用是核力，核力比电磁力要大100倍。

我们在教学中不断探索、研究、发现、创新，用我们的慧眼发现教学中存在的问题，用我们的思维击穿它，用我们双手描绘它，用我们的口舌传播它，让我们的学生掌握它。让我们勇敢面对困难，经受挑战，走向成功。

参考文献：

[1]《物理教师》2005年01期《原子核教学中的几个明确》作者闫奎福

[2]《物理教师》2005年03期《关于“核衰变”和“核反应”》

[3]《中学教学全解》总主编薛金星 高三物理《近代物理初步》