关于原子核教学中的几个问题

关于“原子核”教学中的几个问题

高中物理新课程选修3-5中的第十九章《原子核》的前二节内容是“原子核的组成”、“放射性元素的衰变”，学生在学习这两节内容时就提出了这样的问题：对于天然放射现象中的β衰变，放出β射线，有学生就提出β粒子有没有可能是从原子核外的电子来的呢？如果是从原子核中来的，那么原子核中有没有可能有带负电的粒子呢？原子核的结构有没有像原子结构那样在物理学史上提出很多种模型呢？关于这些问题教科书中没有具体详细地提到，可能是为了降低教学难度考虑的。但是学生的能力和素质随着科学的发展而在不断地提升，知识面也在不断地拓宽，学生能提出这样的问题应该是很难得的。其实学生提出的问题和当时的物理学家的最初观点相符合，所以有关这方面的知识老师应该对学生能做出科学的解释，也是满足学生对物理学的兴趣和好奇。一、β射线有没有可能是从原子核外的电子采的呢？关于α衰变中放出来的α粒子，学生能较好地理解，因为原子核外没有带正电的粒子，应该是从原子核中来的，那么对于β射线是带负电的电子流，学生很自然的第一反应是从原子核外的电子来的，这符合人的一般思维模式，因为核外有现成的电子！（当时贝克勒尔第一反应也是认为β射线从原子核外的电子来的）那我们老师应该如何向学生对这一问题作出具有说服力的解释呢？在教科书中提到了贝克勒尔对于天然放射现象的研究发现，这种现象不受外界的影响，也不受元素的化学形式所制约，所以贝克勒尔认为这与放射性元素的化学性质即原子核外的电子是没有关系的，应该与元素的原子核有关的，所以β射线是由原子核内发射出来的。但是一个科学的结论得出是严谨的，不是仅仅依靠理论的解释。其实贝克勒尔当时还对β射线的能量进行了测定，进一步地证明如果β射线是从原子核外来的，那么不可能有这么大的能量（几兆电子伏特），只能是从原子核中来才有这种可能。贝克勒尔从理论和实验两方面证明了β射线是从原子核中来的。这样才是物理学上真实的研究过程，也使学生理解得更好。二、β射线从原子核中来，那么原子核中有没有带负电的粒子？我们已经很好地说明了β射线是由原子核中来的，那么很自然的第二问题出现了：原子核中有没有带负电的粒子呢？如果老师以β粒子是由原子核中的一个中子转变而来的作为回答，那是已经弄清了原子核的内部结构和衰变的本质才出来这样的衰变方程式，从逻辑上变成倒过来了，是已知了结果再由结果来推证，这样并不能使学生按认知规律上来接受和信服。其实物理学上也并不是一下子就发现了β射线的本质。当时有较多的物理学家就提出了原子核是由带负电的电子和带正电的质子构成，这就是当时提出的质子—电子核模型。（与学生的问题不谋而合）如果原子序数为Z的原子，其原子量为A，核内应有A个质子和(Z-A)个电子，但是科学家发现，这个模型存在着电子在核中的存在状态问题，并且与量子力学中多体统计与自旋理论相矛盾，卢瑟福也认为原子核中不仅有质子，还应有电子，为了圆满解释电子为什么能稳定地存在于核内，他提出，可以把质子和电子作为一个复合体，看成是单独的一个中性粒子，这就是卢瑟福对中子的预言。后来由卢瑟福的学生查德威克发现了中子，然后原子核内的结构才大致弄清，原子核中是没有电子的，然后再进行讨论β射线的本质问题，即由核内的中子转变而来的。通过这样的处理，学生就会对这个问题理解得透彻和到位，才符合一般的认知规律。三、在物理学上有没有提出过如原子模型那样的原子核模型？学生在前一章即第十八章《原子结构》中学习了汤姆生提出的“枣糕模型”和卢瑟福通过α粒子的散射实验提出的原子核式模型，（笔者也对学生介绍了物理学上曾经提出来的其他原子模型：德国物理学家勒纳德提出了中性微粒动力子模型，法国物理学家佩兰提出的行星结构原子模型，英国著名物理学家、发明家开尔文提出的实心带电球原子模型，玻尔提出的玻尔模型等）学生就自然地问到对于原子核模型当时有没有提出其他的模型。这是学生对所学知识的迁移和发散性思考，在物理学上提出过四种最有影响力的核模型。1.气体模型气体模型是由费米在1932年提出的，这个模型把原子核中的中子、质子简单地看成是类似气体分子的集合，这些核子共同处在一个核半径的范围内（A为核子数），彼此没有作用，可以相对自由地独立运动。利用这个模型计算原子核中每个核子的动能，其结果与实验相符合，并且对于中等或较大的原子核，每个核子的结合能都近似为8兆电子伏特，这一估算结果也与实验结论相接近。但是这个模型过于简单，能说明的核性质不多。这个模型的最致命的弱点是没有考虑核子间核力的短程性这一最重要的特点。2.液滴模型液滴模型是1935年玻尔和弗伦克提出的，他们认为原子核中每个核子的平均结合能几乎是一常数，总结合能正比于核子数，说明核力是饱和的；原子核的体积也正比于核子数，核物质的密度近似于一个常数，说明原子核是不可压缩的。这个模型在一定程度上能够阐明原子核的静态性质和动力学规律，在解释核裂变、原子核的稳定性以及推算原子核的半径、验证质量公式等都比较成功，特别是在解释有关核的集体性质的实验事实方面是较成功的。但原子核所占据的空间极小，内部的电荷密度与质量密度极大，核子间的核力极强，而每个原子核具有的核子数又是有限的，最多也只有200多个，所以用液滴模型来描述原子核内部个别核子的行为、状态比较困难，对核内部结构的细节如核的自旋、磁矩等也难以作出有效的说明。但是尽管如此，液滴模型至今在对许多核现象的解释中，尤其是对核裂变的解释中仍起到很大作用。现在物理学对液滴模型中新增加了一些自由度，如将质子、中子分别看成两类流体，甚至将自旋取向不同也看成不同的流体，并引入可压缩性、豁滞性等性质，使液滴模型更加合理。3.壳层模型与液滴模型一样，壳层模型也是一个较为流行的原子核模型，由美国物理学家迈耶夫人1948年提出。由于原子核的许多性质随着中子（或质子）数目的增加而呈现出周期性的变化，这些现象显示了原子核内部的核子数的填充可以和原子内的核外电子的填充相类比，存在着某种壳层结构。利用壳层模型，不仅解释了原子核的幻数，而且对中子数和质子数都为偶数的原子核与核子数为奇数的原子来说，由壳层模型得到了这些核的基态和宇称与实验相符的结果。壳层模型能成功地解释原子核的许多基本性质，如磁矩、宇称以及许多原子核低激发态能级等现象。壳层模型虽然能解释许多现象，但它毕竟是唯象的模型。由于它把核子看成是一群互不相干的、独立运动的粒子，每个粒子只是在一个平均场中运动，这样势必对多个核子有可能做集体运动不能给出恰当的描述，对原子核集体运动所造成的各种运动形态和由此而呈现的各种集体性质也不能给予很好的说明。4.集体模型集体模型也叫综合模型，由玻尔和莫特森在1953年提出。壳层模型着重于单个核子运动的研究，而液滴模型则把原子核所有运动都归结为整个集体的运动。既考虑到核内单个粒子的独立运动形态，又考虑到整个原子核或少数几个核子集体运动的形态，这就是集体模型的特点。集体模型是统一描写原子核单粒子运动和集体运动的唯象理论，是对壳层模型的推广，对于解释原子核有较大的电四极矩和大的磁矩以及原子核的转动惯量等方面，与实验符合得很好，而且在很大范围内，原子核的低能激发谱也与模型预言的一系