人教版《物理》選擇性必修第三冊“第五章 原子核”編寫說明

摘 要：對人教版《物理》選擇性必修第三冊“第五章 原子核”的編寫意圖進行梳理、說明.依據(jù)課程標準要求概述全章內容，展現(xiàn)教科書編寫的邏輯線索，對教科書中如何落實學科的核心素養(yǎng)目標進行了解讀.在具體說明中，圍繞本章的具體內容逐節(jié)細致說明并給出教學建議.

關鍵詞：原子核;放射性;原子核衰變;物質結構;物理核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）09-0021-04

作者簡介：彭征（1978-），男，河北人，博士，副編審，研究方向：物理課程與教材.

1 本章概述

本章是在原子結構的基礎上，進一步學習原子核的有關知識，落實了《普通高中物理課程標準（2017年版）》中3.3.2-3.3.5條內容標準的要求.

3.3.2 了解原子核的組成和核力的性質.知道四種基本相互作用.能根據(jù)質量數(shù)守恒和電荷守恒寫出核反應方程.

3.3.3 了解放射性和原子核衰變.知道半衰期及其統(tǒng)計意義.了解放射性同位素的應用，知道射線的危害與防護.

3.3.4 認識原子核的結合能，了解核裂變反應和核聚變反應.關注核技術應用對人類生活和社會發(fā)展的影響.

3.3.5 了解人類對物質結構的探索歷程.

本章的主要內容涉及原子核的組成、核力與結合能、核反應、衰變和半衰期、裂變、聚變和基本粒子.

第1節(jié)開宗明義地指出，關于原子核內部的信息，最早來自天然放射現(xiàn)象，因此，首先介紹貝可勒爾和居里夫婦對天然放射現(xiàn)象的研究和“射線到底是什么”，然后介紹質子和中子的發(fā)現(xiàn)和原子核的組成.第2節(jié)緊接第1節(jié)的思路，指出天然放射現(xiàn)象產生的機制，即原子核的衰變以及用半衰期描述衰變遵從的規(guī)律，然后介紹了核反應、放射性同位素及其應用，最后特別強調了輻射與安全的相關問題.本章接下來的兩節(jié)關注的是通過裂變或聚變釋放核能，即通過裂變或聚變產生的質量虧損以能量的方式釋放出來，這是當前人類利用核能的主要方式.根據(jù)這個思路，第3節(jié)首先介紹了四種基本相互作用，然后介紹了結合能和比結合能的概念，并結合質量虧損與原子核比結合能曲線認識到中等質量的核最穩(wěn)定.在此基礎上，第4節(jié)分別從重核裂變和輕核聚變兩個方面介紹當前利用核能的兩條途徑，既較為詳細地介紹了利用裂變的反應堆與核電站，又介紹了磁約束和慣性約束兩種可控核聚變的方案.本章的最后，在第5節(jié)介紹了粒子物理學中的一些基本知識，如粒子分為強子、輕子、規(guī)范玻色子、希格斯玻色子幾種類別，還有夸克與粒子物理標準模型，旨在幫助學生對物理學的前沿發(fā)展有所了解，對物質形成較為完整的認識.

編者在編寫教材時，在發(fā)展學生核心素養(yǎng)方面有如下考慮.

1.1 物理觀念

本章主要涉及到原子核以及“基本粒子”所處的微觀世界，教科書中還安排了一些中學生能夠接受又符合《課程標準》要求的新內容、新知識，如基本粒子模型、夸克模型、磁約束和慣性約束、各種新粒子等.這些內容反映了物理學的最新進展，增強了教科書的時代性，能夠幫助學生建立起比較完整的物質觀念.而對于這些粒子物理中的基礎知識和基本概念，教科書的闡述力求準確清楚、層次分明、嚴謹扎實，充分體現(xiàn)了高中物理課程的基礎性.

對于本章中天然放射現(xiàn)象、半衰期、結合能、裂變與聚變反應、鏈式反應、原子核的組成、核力的性質、裂變反應堆的工作原理以及夸克模型等知識，在可接受的原則下盡量闡明它們的物理本質和建立這些概念、理論的思維過程.例如，第3節(jié)“核力與結合能”中的結合能是本章重要的基礎知識，教科書就進行了比較充分的闡述：首先從學生熟悉的宏觀現(xiàn)象出發(fā)，回顧兩個物體為了結合而付出的代價——失去了一部分能量;然后又討論了類似的情形，即氫原子的電離也需要吸收能量;由此類推核子結合成原子核也要失去一部分能量，從而引出結合能的概念，又在此基礎上介紹了比結合能的概念;之后在介紹質量虧損的內容中特地安排了一個例題，讓學生從具體的事例中認識到什么是質量虧損，從而從質量虧損推知原子核的結合能.這樣就對結合能形成了一個比較完整的認識.

由于本章涉及的概念在學生以前的學習中了解不多，因此在教科書中還盡量注意和學生比較熟悉的電磁學等方面的基礎知識相聯(lián)系.例如，在介紹“受控熱核反應”的磁約束時，就回顧了有關磁場的基礎知識：帶電粒子運動時在均勻磁場中會由于洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應的物質，這就是磁約束.

教科書還通過大量生動、形象的圖片來展示原子核的內部結構和核反應的過程.其中既有生產和科研中使用的核反應堆、鈾礦、威爾遜云室、放射治療、強子對撞機等裝置或實物的圖片，又有抽象的原子核、同位素、α衰變、β衰變、氡的衰變、強相互作用、核裂變、鏈式反應、核聚變等抽象過程的示意圖.這種形象化的設計，有助于幫助學生對這些微觀世界的相關內容形成較為直觀的認識，從而完善對物質的認識.

1.2 科學思維

在展現(xiàn)原子核、核能的利用等物理知識的過程中，教科書始終貫穿了培養(yǎng)科學思維這條暗線，即不僅要讓學生知道科學家做了什么實驗，觀察到什么現(xiàn)象，進行了什么樣的推理，而且要讓學生感悟到科學家為什么要這樣去做、為什么會這樣去做.

例如，在“原子核的組成”一節(jié)，教科書的闡述思路是：首先提出問題，指出原子核內部的信息最早來自天然放射現(xiàn)象，人們是怎樣從天然放射現(xiàn)象一步步揭開了原子核秘密的.然后介紹貝克勒爾、居里夫婦等人對天然放射現(xiàn)象和射線性質的研究.在此基礎上指出實驗發(fā)現(xiàn)，如果一種元素具有放射性，那么，無論它是以單質存在，還是以化合物形式存在，都具有放射性.由于元素的化學性質決定于核外的電子，這就說明射線與核外電子無關，也就是說，射線來自原子核.既然β射線（電子）、α射線（氦核）都來自原子核，就得到結論：原子核內部是有結構的.最后，介紹了盧瑟福、查德威克等人通過實驗證實了質子和中子的存在，從而確定了原子核的組成.這樣，學生不僅逐步了解了原子核的結構，而且經(jīng)歷了分析和解決問題的過程，感悟了探索微觀世界的方法——實驗事實加科學思維，即在觀察、實驗得到的確切的物理事實（信息）和已有知識基礎上進行科學思維（猜想和推理）以得出科學結論.當然這個結論還將經(jīng)受更多的實驗和觀察得到新的事實的檢驗.本節(jié)的最后，還專門通過“科學漫步 天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)”欄目，回顧了貝克勒爾、居里夫婦發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象的歷史，幫助學生感受科學研究的過程.

與“原子核的組成”類似，在之后的各節(jié)中，教科書也分別從理論和實踐的不同角度提出問題，包括：是否能讓一種元素變成另一種元素、什么力量使質子束縛在一起、怎樣轉化和使用核能、新粒子有什么關系等，進而引出教科書的相關內容，從而引發(fā)學生的思考與學習興趣.

此外，教科書還強調統(tǒng)計概率思想在微觀世界探索中的重要性.在講到半衰期時，教科書通過旁批強調：“衰變是微觀世界里原子核的行為，而微觀世界規(guī)律的特征之一在于‘單個的微觀事件是不可預測的.”然后在正文中指出“然而，量子理論可以對大量原子核的行為作出統(tǒng)計預測.……放射性元素的半衰期，描述的就是這樣的統(tǒng)計規(guī)律.”

1.3 科學探究

原子核的內容涉及了大量的實驗.需要注意的是，猜想和假說本身就是在對大量實驗數(shù)據(jù)分析的基礎上提出的，而所提出的新的假說或根據(jù)假說提出的一些可檢驗的預見又必須經(jīng)受實驗的檢驗.例如，質子、中子的發(fā)現(xiàn)，原子核結構模型的提出都是如此.因此，教科書直接介紹或提及了盧瑟福的“α粒子散射實驗”，查德威克的“發(fā)現(xiàn)中子實驗”，天然放射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)歷程中的一系列實驗、哈恩的裂變實驗、費米建立第一個核反應堆、錢三強和何澤慧夫婦發(fā)現(xiàn)鈾核三分裂和四分裂等大量探究微觀世界的實驗.

此外，由于本章的內容不適合學生實際動手操作，因此教科書側重展示了科學探究過程中“猜想”的要素.對于微觀世界，人們看不見摸不著，如果缺乏豐富的想象力，不能從現(xiàn)有的經(jīng)驗、知識和觀察對實驗現(xiàn)象進行大膽的、富于想象力的猜想，就不可能設計出新的有針對性的實驗和創(chuàng)新理論構建，就沒有今天物理學的輝煌成就.在講述原子核的組成時，教科書就直接展示了科學家的研究過程：首先提出問題，討論原子是否只由質子組成，如果是的話，所有原子的比荷都是相同的;然后指出這個推測與實際情況不符;因此盧瑟福提出猜想“原子核內可能還存在著另一種粒子，它的質量與質子相同，但是不帶電”;這個猜想由查德威克通過實驗證實.為了幫助學生進一步思考這個猜想的依據(jù)，在節(jié)后的“問題與練習”中還配置了一個簡答題，讓學生討論“有什么理由可以認定原子核中一定還存在著另外不同種類的粒子？”.

1.4 科學態(tài)度與責任

核能最為重要的應用，在于作為一種重要的新能源的廣泛應用前景，教科書從章首語開始就指出了核能發(fā)電對于能源問題的重大作用.核能包括裂變能和聚變能.對于裂變，教科書在闡明原理的基礎上，還介紹了一些原子彈和反應堆與核電站的技術細節(jié)，最后通過對核電站和火電站消耗能源具體數(shù)據(jù)的比較，展現(xiàn)了核電發(fā)電的巨大優(yōu)勢.而對于核聚變這一獲得核能的另一重要途徑，教科書介紹了核聚變的原理、特點以及目前的研究進展.最后指出，人類對聚變的研究已取得了一定的成果，但目前聚變所獲得的核能還只能用于核武器中.和平利用聚變所產生的核能還在研究之中，雖然取得一些進展，但技術還不成熟.從而讓學生對科學技術的不斷發(fā)展變化有所感悟.

教科書同時對核能技術應用中可能出現(xiàn)的問題，也進行了討論.主要集中在輻射的危害、核泄漏和核廢料處理等方面，并提出了要遵守放射性同位素操作流程、防止污染、豎立標志、用特制容器深埋核廢料等措施.通過對這些問題的介紹和討論，教科書希望讓學生認識到，科學技術對人類生活和社會發(fā)展的積極影響，但同時也會帶來一系列問題，人類必須尊重自然，遵循自然規(guī)律.

課時安排建議：

第1節(jié) 原子核的組成1課時

第2節(jié) 放射性元素的衰變1課時

第3節(jié) 核力與結合能1課時

第4節(jié) 核裂變與核聚變1課時

第5節(jié) “基本”粒子1課時

2 具體說明

2.1 第1節(jié) 原子核的組成

本節(jié)內容包括天然放射現(xiàn)象、射線的本質和原子核的組成三部分內容.教科書首先介紹了科學家研究發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象在自然界是大量存在的，具有天然放射性的元素種類很多.然后從強磁場中放射性物質放出的射線分成三束的實驗事實出發(fā)，介紹α射線、β射線和γ射線，并通過對這三種射線的研究，確認射線來自原子核，進而介紹原子核的組成.原子核的組成是比較抽象的，因此教科書注意引導學生把微觀機制和相關的實驗緊密地聯(lián)系在一起，通過展示科學家實驗、猜測、再實驗的探索過程，建立原子核的模型.

本節(jié)還通過“拓展學習”欄目介紹了粒子實驗中使用的威耳遜云室，威耳遜云室是核物理研究中最基本、最常用的實驗儀器.通過對實驗的觀察和對儀器原理的介紹，可以讓學生知道，研究原子核變化中的微觀現(xiàn)象，可以根據(jù)各種粒子產生的宏觀效應來觀察，并在觀察的基礎上分析推理，進而作出預測和判斷.

此外，本節(jié)中的“科學足跡”欄目中介紹了“天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)”，從物理學史的角度系統(tǒng)地展現(xiàn)了科學家探索微觀世界的方法：觀察宏觀現(xiàn)象（貝可勒爾發(fā)現(xiàn)一種能夠使照相底片感光的神秘射線）—猜想（這種射線不是X射線，它來自原子核內部）—反復實驗，對猜想進行驗證（居里夫婦用不同元素進行實驗，發(fā)現(xiàn)釷、釙、鐳等都具有放射性）—得出科學的結論（放射現(xiàn)象與元素種類有關，發(fā)生在原子核內部）.

2.2 第2節(jié) 放射性元素的衰變

本節(jié)介紹了原子核的衰變、半衰期、核反應、放射性同位素及其應用等知識.從內容上來講這些知識非常抽象，從掌握知識的角度來講理解、記憶的成分較多.因此本節(jié)教科書注意與前面學過的相關知識（特別還包括化學知識）進行聯(lián)系，并用類比的方法，注重知識的遷移.例如，引入的問題從“點石成金”出發(fā)，討論一種元素是否會變成另一種元素;結合化學知識，運用質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律分析α衰變和β衰變的衰變方程式;用數(shù)學的統(tǒng)計規(guī)律理解和計算半衰期等.

在“原子核的衰變”最后一部分，教科書還強調原子核的能量變化和原子的能量變化一樣都是不連續(xù)的，具有量子化特征，與上一章呼應，體現(xiàn)了物理知識的系統(tǒng)性.

在“放射性同位素及其應用”部分，教科書介紹了通過原子核的人工轉變研究原子核結構（核反應）、發(fā)現(xiàn)和制造新元素的研究方法，比較了人工放射性同位素和天然放射性物質的區(qū)別，并列舉了大量實例，包括直接利用射線測厚、治療、培優(yōu)等，以及作為示蹤原子進行生物和醫(yī)學研究.在“科學漫步”欄目中介紹了“碳14測年技術”——碳14測年技術的原理和在測古木、基本建設等方面的應用.

2.3 第3節(jié) 核力與結合能

本節(jié)教材是在學生已經(jīng)掌握了原子核是由質子和中子組成的基礎上，探究是什么作用使得質子和中子可以有機地組成一個穩(wěn)定的整體.為此，教材首先安排了“核力與四種基本相互作用”，在回顧引力與電磁相互作用后，指出帶正電的質子之間存在排斥力，由此發(fā)現(xiàn)是強相互作用將原子核中的核子結合在一起的，最后指出物理學家從放射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，在核內還存在弱相互作用.

從力的角度認識了原子核后，教科書又通過“結合能”的教學從能量的角度再次認識原子核，即要拆散原子核必須賦予原子核能量，這個能量就是原子核的結合能.教科書通過“思考與討論”欄目進一步分析結合能的意義.對于比結合能的概念，使學生知道比結合能越大，意味著把同樣數(shù)量的核子分開所需要的能量越大，說明核子的結合越牢固，原子核越穩(wěn)定.

要理解質量虧損，需要注意一定的質量和一定的能量是相對應的，原子核在變化時其變化前后的總質量是不同的，這種質量的差異對應的就是核反應中所吸收或釋放的能量.通過例題計算氘核的結合能，不僅能夠幫助學生理解結合能的概念與計算，也為后面不同原子比結合能的大小留下直觀的印象.通過不同原子核的比結合能的圖像可以清楚地看到：中等質量的核比結合能最大，一方面說明中等質量的核最牢固;另一方面說明由輕核結合為中等質量的核，或由重核分裂為中等質量的核都會出現(xiàn)新的質量虧損.這個結論也為下一節(jié)做好了鋪墊.

2.4 第4節(jié) 核裂變與核聚變

本節(jié)在上一節(jié)的基礎上，介紹了核能利用的兩種方式——核裂變和核聚變.當發(fā)生核反應，從一種核變成另一種核時，結合能會發(fā)生變化.比如，由結合能小的核變成結合能大的核，就可能有能量釋放出來.這種在核反應中釋放出來的能量就是核能，而改變原子核就是人們獲取核能的基本途徑.

對于裂變的產生及其利用，教科書沿核裂變的發(fā)現(xiàn)—鏈式反應—核反應堆（可控鏈式反應）—核電站這條主線展開.其中核裂變的發(fā)現(xiàn)，包括裂變過程中能放出巨大的能量、裂變的同時能放出2-3個（或更多）中子、裂變的產物不唯一等特點.而要維持鏈式反應，就要減少裂變物質中的雜質（要濃縮鈾），還要增大裂變物質的體積，這就引入了臨界體積的概念.關于核反應堆，則較為詳細地介紹了它的組成與結構、用途與防護.此外，教科書還特別提到了我國科學家錢三強、何澤慧夫婦對鈾核裂變的實驗研究和成果得到了廣泛的認可和贊賞.

而對于核聚變這一獲得核能的另一重要途徑，教科書介紹了核聚變的原理、特點以及目前的研究進展.人類對聚變的研究已取得了一定的成果，但目前聚變所獲得的核能還只能用于核武器中.和平利用聚變所產生的核能還在研究之中，雖然取得一些進展，但技術還不成熟.其中還特別突出反映了我國在磁約束和慣性約束核聚變領域的成就——環(huán)流器裝置EAST和“神光Ⅲ”激光約束核聚變研究裝置.

2.5 第5節(jié) “基本”粒子

本節(jié)介紹了粒子物理學中的一些基本知識，學生有常識性的了解就可以了.粒子物理學是當代物理發(fā)展的前沿領域，因此本節(jié)教科書涉及了一些科學技術的最新發(fā)展成果.例如，通過圖表的形式，展現(xiàn)了粒子物理從20世紀30年代到21世紀的重大發(fā)現(xiàn);圖文介紹了2008年才開始運行的大型強子對撞機;粒子的分類改為強子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子;介紹夸克和粒子物理標準模型，等等.

此外，本節(jié)教科書還進一步完善了“科學漫步”欄目，介紹了華人科學家在粒子物理學領域的杰出貢獻，較為詳細地展示了趙忠堯、謝玉銘、王淦昌、楊振寧、李政道、吳健雄、丁肇中等華人科學家的科學貢獻.這些內容不僅突出我國科學家的貢獻，增強學生的民族自豪感，也會激勵學生的學習熱情.

通過本節(jié)的學習，學生能夠體會到科學探索是永遠沒有盡頭的，人類對真理的追求也是永無止境的.隨著科學技術的不斷進步，粒子物理學必然會踏上更高的臺階，不斷加深人們對自然界物質的本質的認識.

（收稿日期：2021-02-20）