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〔关键词〕 物理教学;原子物理;问题;释疑
〔中图分类号〕 G633.7〔文献标识码〕 C
〔文章编号〕 1004—0463(2010)01(B)—0063—02
在中学阶段中,我们对“原子物理”部分的教学要求较低,多数内容只是要求学生了解而已.但是,学生在学习时由于强烈的求知欲与好奇心,总会进一步提出一些“为什么”.下面,笔者就对这部分的一些关键问题作一归纳总结.
1.原子的能量为什么是负的
在学习完氢原子的能级图以后,许多学生对能级图上标明的各能级能量均为负值无法理解.究其原因,在于这些学生对氢原子的能量应包括电子的动能及原子的势能两部分并不十分清楚。
我们知道,虽然电子动能是正的,但由于氢原子核带正电,核电荷所产生的电场中各点电势为正,电子带负电,根据电势能ε=eu可知,核与电子共有的势能是负的.又根据玻尔氢原子模型理论,电子绕核做匀速圆周运动的库仑力是向心力,即k■=■.
∴Ekn=■mv2=■■①
而氢原子核又可以看成是一个静止的点电荷,且对该点电荷电势零点的选取是人为的,一般将距其无穷远处定为零,从而在距它rn处的电势可写成u=k■,则电子在半径为rn的可能轨道上运动的电势能为:
Epn=-eUn=-■ ②
综合①②式得En=Epn+Ekn=-■,因此原子的能量应该是负的.
2.原子从高能级跃迁到低能级可能辐射的最多光谱线条数的确定
对于原子跃迁可能辐射的最多光谱线条数的问题,最容易出错的就是把一个原子的跃迁与一群原子的跃迁混为一谈.如一个氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级时最多能产生两种频率的光子.因为只有这个氢原子一级一级地跃迁,产生的不同光子频率才是最多的,而且是先后产生的.(如图1)
但若是一群原子从n=3能级跃到n=1能级时,能产生的最多光谱线条数是3条.因为有的原子是一级一级地跃迁,而另一些原子则可一次从n=3能级跃迁到n=1能级.(如图2)
3. β衰变中的电子是怎样产生的
发生β衰变时,从原子核内射出电子,有的学生会错误地认为原子核本来就存在电子.但实际上原子核内只有质子和中子,没有电子,β衰变中放射出来的电子是在衰变过程中产生的.
在发生β-衰变时,原子核内一个中子变为质子,放出一个电子及中微子(v),即有■■n→■■H+■■e+■,电子逸出原子核后组成了β射线,质子留在核内,仍与核内的其他核子结合在一起.而由于新生成的质子使核电荷数增加1,原子核就转变成另一种新核.新核在元素周期表中位置要向后移一位.
还有一种释放正电子的β+衰变,这种现象只在人造放射性物质中出现.例如,■■N放出一个正电子和一个中微子后生成■■C,反应式为:■■N →■■C+ ■■e+■.由于新生成的质子数减少1,新核在元素周期表中位置要向前移一位.
由此可见,β-衰变或β+衰变放射出来的负电子或正电子,并不是原子核内所固有的,而是核子(中子、质子)转变时的产物.
4.为什么每一种放射性元素都有一定的半衰期
虽然不同的放射性元素半衰期不同,但每一种放射性元素都有一定的半衰期.也就是说,对某一确定的放射性元素而言,其衰变速率是一定的.这是因为放射性元素的衰变在本质上与核内部激烈的运动及组成有关,而与所处的一般条件无关. 我们知道,核子间相互作用的核力十分强大,虽然核子之间存在万有引力,质子之间存在库仑斥力,但是万有引力和库仑斥力相对于核力几乎小到可以忽略不计.一般外界条件如外加强电场、对放射性元素施加的压力、升温等所产生的影响,与核力相比也是微不足道的.因此,放射性元素的衰变速率只由核内部的自身因素决定,不论温度高低,物态变化如何,也不论原子处于何种物理状态或化学状态,更不管它是成单质存在或成化合物存在,都有一定的衰变速率.
但需注意的是,半衰期只是对大量原子核衰变而言的.因为天然放射性现象是自发进行的,一整块放射性物质虽然有着大量的原子,但它们并不同时发生衰变,对其中任意一个原子核来讲,它何时发生衰变是无法确定的,是带有偶然性的.我们只知道它迟早要衰变,却不能确切地预言它究竟什么时候发生衰变,所以我们只能给出某一瞬时发生核衰变的可能性多大,而不能从半衰期求出每个原子核衰变所需要的时间.但对由大量原子组成的整体来讲,衰变是符合一定的统计规律的.半衰期是表示放射性物质的大量原子核中半数发生衰变所需要的时间,因而表示大量原子核衰变的快慢.当原子核的数目减少到统计规律不再起作用的时候,衰变半数原子核所经历的时间上的周期性已不存在,也就不能肯定在某一时间里这些原子核会有多少发生衰变了.
5.核反应过程与核衰变过程均要吸收或放出能量,因而反应前后质量也要增加或减少,那为何又说反应中质量数守恒呢
由于原子核的质量很小,如果用千克作单位很不方便.因此物理学中采用另一种质量单位,即原子质量单位.一个原子质量单位规定为C原子质量的■,简写作u.实验测得1u=1.660566×10-27千克.在这种单位制下,质子、中子、电子的质量分别为mp =1. 007276u、mn =1.008665u、me =0.000549u.可以看出,质子、中子的质量接近1u,电子的质量远小于1u,因此,我们通常取质子、中子、电子的质量数分别为1、1、0.这样一来,原子的质量用原子质量单位表示时,其数值也接近一个整数。以质量较大的铀238为例,其质量约为3.952954×10-25千克=238.0486u≈238u.
这个整数,就是习惯上所称的原子核的质量数.可以看出,质量数实际上等于核内的核子数.虽然核反应中要发生质量亏损,但由于其量极小,不影响核反应中的质量数(即核反应前后,组成原子核的核子总个数不变),所以我们仍然说核反应中的质量数守恒.
实际上所谓质量亏损,并不是质量消失,而是核反应过程中释放出大量的光子及中微子所致,若能将这些放出的光子及中微子收集回来,其总质量仍是不变的.
6.如何用量子力学解释玻尔模型
玻尔的理论将电子出现的几率绝对化,即电子只能处在n=1,2,3……的轨道上,在这些轨道之外,电子出现的几率为零(图3).而量子力学的计算结果却表明,在玻尔计算的轨道上电子出现的几率较大,而在这些轨道之外,仍有电子出现,只是几率小一些而已(图4).
〔中图分类号〕 G633.7〔文献标识码〕 C
〔文章编号〕 1004—0463(2010)01(B)—0063—02
在中学阶段中,我们对“原子物理”部分的教学要求较低,多数内容只是要求学生了解而已.但是,学生在学习时由于强烈的求知欲与好奇心,总会进一步提出一些“为什么”.下面,笔者就对这部分的一些关键问题作一归纳总结.
1.原子的能量为什么是负的
在学习完氢原子的能级图以后,许多学生对能级图上标明的各能级能量均为负值无法理解.究其原因,在于这些学生对氢原子的能量应包括电子的动能及原子的势能两部分并不十分清楚。
我们知道,虽然电子动能是正的,但由于氢原子核带正电,核电荷所产生的电场中各点电势为正,电子带负电,根据电势能ε=eu可知,核与电子共有的势能是负的.又根据玻尔氢原子模型理论,电子绕核做匀速圆周运动的库仑力是向心力,即k■=■.
∴Ekn=■mv2=■■①
而氢原子核又可以看成是一个静止的点电荷,且对该点电荷电势零点的选取是人为的,一般将距其无穷远处定为零,从而在距它rn处的电势可写成u=k■,则电子在半径为rn的可能轨道上运动的电势能为:
Epn=-eUn=-■ ②
综合①②式得En=Epn+Ekn=-■,因此原子的能量应该是负的.
2.原子从高能级跃迁到低能级可能辐射的最多光谱线条数的确定
对于原子跃迁可能辐射的最多光谱线条数的问题,最容易出错的就是把一个原子的跃迁与一群原子的跃迁混为一谈.如一个氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级时最多能产生两种频率的光子.因为只有这个氢原子一级一级地跃迁,产生的不同光子频率才是最多的,而且是先后产生的.(如图1)
但若是一群原子从n=3能级跃到n=1能级时,能产生的最多光谱线条数是3条.因为有的原子是一级一级地跃迁,而另一些原子则可一次从n=3能级跃迁到n=1能级.(如图2)
3. β衰变中的电子是怎样产生的
发生β衰变时,从原子核内射出电子,有的学生会错误地认为原子核本来就存在电子.但实际上原子核内只有质子和中子,没有电子,β衰变中放射出来的电子是在衰变过程中产生的.
在发生β-衰变时,原子核内一个中子变为质子,放出一个电子及中微子(v),即有■■n→■■H+■■e+■,电子逸出原子核后组成了β射线,质子留在核内,仍与核内的其他核子结合在一起.而由于新生成的质子使核电荷数增加1,原子核就转变成另一种新核.新核在元素周期表中位置要向后移一位.
还有一种释放正电子的β+衰变,这种现象只在人造放射性物质中出现.例如,■■N放出一个正电子和一个中微子后生成■■C,反应式为:■■N →■■C+ ■■e+■.由于新生成的质子数减少1,新核在元素周期表中位置要向前移一位.
由此可见,β-衰变或β+衰变放射出来的负电子或正电子,并不是原子核内所固有的,而是核子(中子、质子)转变时的产物.
4.为什么每一种放射性元素都有一定的半衰期
虽然不同的放射性元素半衰期不同,但每一种放射性元素都有一定的半衰期.也就是说,对某一确定的放射性元素而言,其衰变速率是一定的.这是因为放射性元素的衰变在本质上与核内部激烈的运动及组成有关,而与所处的一般条件无关. 我们知道,核子间相互作用的核力十分强大,虽然核子之间存在万有引力,质子之间存在库仑斥力,但是万有引力和库仑斥力相对于核力几乎小到可以忽略不计.一般外界条件如外加强电场、对放射性元素施加的压力、升温等所产生的影响,与核力相比也是微不足道的.因此,放射性元素的衰变速率只由核内部的自身因素决定,不论温度高低,物态变化如何,也不论原子处于何种物理状态或化学状态,更不管它是成单质存在或成化合物存在,都有一定的衰变速率.
但需注意的是,半衰期只是对大量原子核衰变而言的.因为天然放射性现象是自发进行的,一整块放射性物质虽然有着大量的原子,但它们并不同时发生衰变,对其中任意一个原子核来讲,它何时发生衰变是无法确定的,是带有偶然性的.我们只知道它迟早要衰变,却不能确切地预言它究竟什么时候发生衰变,所以我们只能给出某一瞬时发生核衰变的可能性多大,而不能从半衰期求出每个原子核衰变所需要的时间.但对由大量原子组成的整体来讲,衰变是符合一定的统计规律的.半衰期是表示放射性物质的大量原子核中半数发生衰变所需要的时间,因而表示大量原子核衰变的快慢.当原子核的数目减少到统计规律不再起作用的时候,衰变半数原子核所经历的时间上的周期性已不存在,也就不能肯定在某一时间里这些原子核会有多少发生衰变了.
5.核反应过程与核衰变过程均要吸收或放出能量,因而反应前后质量也要增加或减少,那为何又说反应中质量数守恒呢
由于原子核的质量很小,如果用千克作单位很不方便.因此物理学中采用另一种质量单位,即原子质量单位.一个原子质量单位规定为C原子质量的■,简写作u.实验测得1u=1.660566×10-27千克.在这种单位制下,质子、中子、电子的质量分别为mp =1. 007276u、mn =1.008665u、me =0.000549u.可以看出,质子、中子的质量接近1u,电子的质量远小于1u,因此,我们通常取质子、中子、电子的质量数分别为1、1、0.这样一来,原子的质量用原子质量单位表示时,其数值也接近一个整数。以质量较大的铀238为例,其质量约为3.952954×10-25千克=238.0486u≈238u.
这个整数,就是习惯上所称的原子核的质量数.可以看出,质量数实际上等于核内的核子数.虽然核反应中要发生质量亏损,但由于其量极小,不影响核反应中的质量数(即核反应前后,组成原子核的核子总个数不变),所以我们仍然说核反应中的质量数守恒.
实际上所谓质量亏损,并不是质量消失,而是核反应过程中释放出大量的光子及中微子所致,若能将这些放出的光子及中微子收集回来,其总质量仍是不变的.
6.如何用量子力学解释玻尔模型
玻尔的理论将电子出现的几率绝对化,即电子只能处在n=1,2,3……的轨道上,在这些轨道之外,电子出现的几率为零(图3).而量子力学的计算结果却表明,在玻尔计算的轨道上电子出现的几率较大,而在这些轨道之外,仍有电子出现,只是几率小一些而已(图4).