论文部分内容阅读
【内容摘要】2017年全国卷高考考试大纲将人教版物理选修（3-5）列为必考内容。笔者在利用化学元素周期表中的相对原子质量计算核反应中释放的核能时出现疑问；在核反应计算中的质量指的是各原子核的相对原子质量，而不是元素的平均相对原子质量；笔者认为，应将核反应中常见同位素的相对原子质量以表格的形式附在课本后面，方便学生查找。
【关键词】核反应 质量亏损 同位素 相对原子质量
2017年全国卷高考考试大纲将人教版物理选修（3-5）列为必考内容，其中结合能、质量亏损、裂变反应和聚变反应是第十九章《原子核》的Ⅰ类要求考点。笔者和学生在处理第7节《核聚变》问题与练习中的2和4两个题目时感到疑惑。
困惑：习题2：一个α粒子融合到一个816O核中，写出这个核反应的方程式。这个反应式左右两边的原子核相比，哪边具有较多的结合能？
教参答案：核反应方程式：24He 816O→1020Ne；24He和816O的比结合能比1020Ne小，在核反应过程中会释放能量，所以反应时右边原子核1020Ne具有较多的结合能。
分析：根据爱因斯坦的质能方程：ΔE=Δmc2可知，若核反应过程中释放能量，就应该出现质量亏损，真的出现质量亏损了吗？从高中化学课本中的元素周期表中可查出，氦、氧和氖的相对原子质量分别是4.003、16.00和20.18，在此核反应中产生的质量亏损：
Δm=mHe mO-mNe=4.003u 16.00u-20.18u=-0.177u
结果是质量不但没有亏损，反而增加了。
习题4：在某些恒星内，三个α粒子结合成一个612C核，从元素周期表中查出612C的质量和24He的质量，计算这个反应中放出的能量。
分析：核反应方程：324He→612C；在化学元素周期表中氦和碳的相对原子质量分别为4.003和12.01，核反应中的质量亏损：
Δm=3mHe-mC=3×4.003u-12.01u=-0.001u
与习题2类似，质量反而增加了，在这两个核反应过程中应该吸收能量，该如何解释呢？
真相：原子的相对原子质量是原子质量与12C原子质量的1/12（1u=1.06606× 10-27Kg）的比值。很多种元素都有不止一种同位素存在，而同一元素的各种同位素质子数相同，中子数不同，所以它们的核外电子数相同，化学性质相同，所以在化学元素周期表中位置相同，但是它们的相对原子质量是不相同的。例如目前已知碳的同位素共15种，从碳8至碳22，12C与13C是稳定的，14C具有天然的放射性，其中8C的相对原子质量为8.0378，12C的相对原子质量为12.00，13C的相对原子质量为13.0033，14C的相对原子质量14.0032。
元素的平均相对原子质量是其各种稳定同位素相对原子质量的加权平均值，即各同位素的相对原子质量与其在自然界中所占比例（丰度）的乘积之和。以碳为例，自然界中12C和13C的丰度分别为98.89%和1.107%，14C很少，碳元素的相对原子质量为：
12×98.89% 13.0033×1.107%=12.0107
所以，化学元素周期表中碳的相对原子质量为12.01。
在核反应中计算质量亏损时所指的是各种原子的相对原子质量，而不是各元素的平均相对原子质量。所以，核反应24He 816O→1020Ne和324He→612C中的质量亏损分别为：
Δm1=4.002602u 15.9949u-19.992435u=0.005067u
Δm2=3×4.002602u-12u=0.0078u
根据爱因斯坦的质能方程ΔE=Δmc2就能计算出核反应中放出的能量。
建议：关于相对原子质量，中学化学课本有两处提到，第一处在初中课本第三单元课题2《原子的构成》中：“由于原子的质量太小，书写和使用都不太方便，所以国际上一致同意采用相对质量，即一种碳原子质量的1/12为标准，其他原子的质量与它相比较所得到的比，作为这种原子的相对原子质量。”第二处在高中必修二第一章第1节《元素周期表》中：“元素的相对原子质量，就是按照该元素各种核素原子所占的一定百分比算出的平均值。”这两处对相对原子质量的介绍言简意赅，但满足中学化学知识体系的需要，也符合学生的认知水平。
计算核反应中能量变化时需要各种同位素的相对原子质量，可学生手边可查的就是化学元素周期表，学生根本想不到元素周期表上的相对原子质量是元素的平均相對原子质量，与核反应计算中需要的相对原子质量不同，再者有些老师也不清楚。尽管高中对核反应重核能的计算是粗略的，但也要让学生通过具体计算与核反应原理产生共鸣，加深对知识点的理解（课后习题的目的），为后续原子物理的学习做准备。
在学习《原子核》内容时，学生对原子核的结构已有充分认识，对同位素及其应用也有一定了解，所以笔者认为，应将各原子的相对原子质量、元素的平均相对原子质量及其由来以附录的形式补充，或编写在教学参考书中，并将核反应中常见同位素的相对原子质量附在课本后面，方便学生查找。
【参考文献】
[1] 张大昌. 物理选修（3-5）[M]. 人民教育出版社，2016.
[2] 唐果南. 物理选修（3-5）教师教学用书[M]. 人民教育出版社，2013.
[3] 姚虎卿. 化工辞典（第五版）[M]. 化学工业出版社，2014.
[4] 王晶、郑长龙. 九年级上册化学[M]. 人民教育出版社.2016.
[5] 宋心琦. 高中化学必修2[M]. 人民教育出版社，2015.
（作者单位：山西省古县第一中学）
【关键词】核反应 质量亏损 同位素 相对原子质量
2017年全国卷高考考试大纲将人教版物理选修（3-5）列为必考内容，其中结合能、质量亏损、裂变反应和聚变反应是第十九章《原子核》的Ⅰ类要求考点。笔者和学生在处理第7节《核聚变》问题与练习中的2和4两个题目时感到疑惑。
困惑：习题2：一个α粒子融合到一个816O核中，写出这个核反应的方程式。这个反应式左右两边的原子核相比，哪边具有较多的结合能？
教参答案：核反应方程式：24He 816O→1020Ne；24He和816O的比结合能比1020Ne小，在核反应过程中会释放能量，所以反应时右边原子核1020Ne具有较多的结合能。
分析：根据爱因斯坦的质能方程：ΔE=Δmc2可知，若核反应过程中释放能量，就应该出现质量亏损，真的出现质量亏损了吗？从高中化学课本中的元素周期表中可查出，氦、氧和氖的相对原子质量分别是4.003、16.00和20.18，在此核反应中产生的质量亏损：
Δm=mHe mO-mNe=4.003u 16.00u-20.18u=-0.177u
结果是质量不但没有亏损，反而增加了。
习题4：在某些恒星内，三个α粒子结合成一个612C核，从元素周期表中查出612C的质量和24He的质量，计算这个反应中放出的能量。
分析：核反应方程：324He→612C；在化学元素周期表中氦和碳的相对原子质量分别为4.003和12.01，核反应中的质量亏损：
Δm=3mHe-mC=3×4.003u-12.01u=-0.001u
与习题2类似，质量反而增加了，在这两个核反应过程中应该吸收能量，该如何解释呢？
真相：原子的相对原子质量是原子质量与12C原子质量的1/12（1u=1.06606× 10-27Kg）的比值。很多种元素都有不止一种同位素存在，而同一元素的各种同位素质子数相同，中子数不同，所以它们的核外电子数相同，化学性质相同，所以在化学元素周期表中位置相同，但是它们的相对原子质量是不相同的。例如目前已知碳的同位素共15种，从碳8至碳22，12C与13C是稳定的，14C具有天然的放射性，其中8C的相对原子质量为8.0378，12C的相对原子质量为12.00，13C的相对原子质量为13.0033，14C的相对原子质量14.0032。
元素的平均相对原子质量是其各种稳定同位素相对原子质量的加权平均值，即各同位素的相对原子质量与其在自然界中所占比例（丰度）的乘积之和。以碳为例，自然界中12C和13C的丰度分别为98.89%和1.107%，14C很少，碳元素的相对原子质量为：
12×98.89% 13.0033×1.107%=12.0107
所以，化学元素周期表中碳的相对原子质量为12.01。
在核反应中计算质量亏损时所指的是各种原子的相对原子质量，而不是各元素的平均相对原子质量。所以，核反应24He 816O→1020Ne和324He→612C中的质量亏损分别为：
Δm1=4.002602u 15.9949u-19.992435u=0.005067u
Δm2=3×4.002602u-12u=0.0078u
根据爱因斯坦的质能方程ΔE=Δmc2就能计算出核反应中放出的能量。
建议：关于相对原子质量，中学化学课本有两处提到，第一处在初中课本第三单元课题2《原子的构成》中：“由于原子的质量太小，书写和使用都不太方便，所以国际上一致同意采用相对质量，即一种碳原子质量的1/12为标准，其他原子的质量与它相比较所得到的比，作为这种原子的相对原子质量。”第二处在高中必修二第一章第1节《元素周期表》中：“元素的相对原子质量，就是按照该元素各种核素原子所占的一定百分比算出的平均值。”这两处对相对原子质量的介绍言简意赅，但满足中学化学知识体系的需要，也符合学生的认知水平。
计算核反应中能量变化时需要各种同位素的相对原子质量，可学生手边可查的就是化学元素周期表，学生根本想不到元素周期表上的相对原子质量是元素的平均相對原子质量，与核反应计算中需要的相对原子质量不同，再者有些老师也不清楚。尽管高中对核反应重核能的计算是粗略的，但也要让学生通过具体计算与核反应原理产生共鸣，加深对知识点的理解（课后习题的目的），为后续原子物理的学习做准备。
在学习《原子核》内容时，学生对原子核的结构已有充分认识，对同位素及其应用也有一定了解，所以笔者认为，应将各原子的相对原子质量、元素的平均相对原子质量及其由来以附录的形式补充，或编写在教学参考书中，并将核反应中常见同位素的相对原子质量附在课本后面，方便学生查找。
【参考文献】
[1] 张大昌. 物理选修（3-5）[M]. 人民教育出版社，2016.
[2] 唐果南. 物理选修（3-5）教师教学用书[M]. 人民教育出版社，2013.
[3] 姚虎卿. 化工辞典（第五版）[M]. 化学工业出版社，2014.
[4] 王晶、郑长龙. 九年级上册化学[M]. 人民教育出版社.2016.
[5] 宋心琦. 高中化学必修2[M]. 人民教育出版社，2015.
（作者单位：山西省古县第一中学）