魯科版-選修3-5-第2章 原子結構-第2節(jié) 原子的核式結構模型“百校聯(lián)賽”一等獎

第十九章原子核一、教科書的編寫意圖本章是選修3系列的最后一章，為高中階段的系統(tǒng)物理課程畫上了句號。在編寫上，除努力體現(xiàn)課程標準的要求和保持樸實嚴謹、簡明輕快的呈現(xiàn)風格外，編者還特別注意從強化基礎、滲透方法和拓寬視野三個方面做些探索。1．強化基礎“強化基礎”是指對本章涉及的一些重要的基礎知識的闡述力求準確清楚、層次分明、嚴謹扎實，以充分體現(xiàn)高中物理課程的基礎性。本章涉及的不僅是原子核、質(zhì)子、中子以及那些并不基本的“基本粒子”所處的微觀世界，也把眼光投向了廣袤無邊的宇宙，介紹宇觀世界中恒星的演化和宇宙大爆炸理論，即本章內(nèi)容的視野是很廣闊的。在內(nèi)容的處理上，即使是屬于科普層次的內(nèi)容，也盡量注意和重要的基礎知識相聯(lián)系。例如，第7節(jié)“核聚變”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(zhì)，這就是磁約束?！睂τ诒菊轮刑烊环派洮F(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(zhì)、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(zhì)和建立這些概念、理論的思維過程。比如，對于“原子核的組成”，教材的闡述思路是：首先指出“原子核內(nèi)部的消息，最早來自天然放射現(xiàn)象。人們從破解天然放射現(xiàn)象人手，一步步揭開了原子核的秘密”。然后介紹天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和對射線性質(zhì)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(zhì)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(zhì)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。”既然射線(電子)、射線(氦核)都來自原子核，就得到結論：“原子核內(nèi)部是有結構的?！边@樣不僅讓學生認識了原子核的結構，而且讓學生經(jīng)歷分析和解決問題的過程，感悟到探索微觀世界的方法：事實加思維，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(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的新的事實的檢驗。再比如第5節(jié)“核力與結合能”，也是本章的重要的基礎知識，課本也進行了比較充分的闡述。首先從學生熟悉的宏觀現(xiàn)象(兩個物體為了結合而付出了代價——失去了一部分能量)類推到核子結合成原子核也要失去一部分能量，引出結合能的概念，進而講質(zhì)量虧損，比結合能，并特地安排了一個例題，讓學生從一個具體的事例中認識到什么是質(zhì)量虧損。然后通過圖19．5—3讓學生了解“不同原子核的比結合能是不一樣的，……中等大小的核的比結合能最大(平均每個核子的質(zhì)量虧損最大)”，進而提出釋放核能的途徑的設想，為后續(xù)內(nèi)容做好鋪墊。2．滲透方法“滲透方法”是指教材在展現(xiàn)具體的物理知識的過程中，貫穿著物理研究方法、思維方法這條暗線，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。在本章中，對于物理研究方法突出強調(diào)了三個方面：(1)突出了科學探究過程中的“猜想”環(huán)節(jié)。對于微觀世界、看不見摸不著，如果缺乏豐富的想像力，不能從現(xiàn)有的經(jīng)驗、知識和觀察到的實驗現(xiàn)象進行大膽的、富于想像力的猜想，就不可能設計出新的有針對性的實驗和理論構建，就沒有今天物理學的輝煌成就。課本先后3次直接提到科學家如何猜想：①第76頁，在講述原子核的組成時：“盧瑟福猜想，原子核內(nèi)可能還存在著另一種粒子，……”并在節(jié)后的“問題與練習”中配置了一個簡答題4，來深化理解這個猜想的依據(jù)。②第90頁，在講述“核力與四種基本相互作用”時：“核物理學家猜想，原子核里的核子間有第三種相互作用存在，……后來的實驗證實了科學家的猜測”。③第93頁：“這個現(xiàn)象在20世紀20年代末曾經(jīng)引起遐想：如果使……這樣豈不是可以釋放能量供人使用?”(2)強調(diào)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，教材著重指出：“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’……然而，量子理論可以對大量原子核的行為做出統(tǒng)計預測?！胨テ?，描述的就是這樣的統(tǒng)計規(guī)律?！?3)強調(diào)實驗仍然是探索微觀世界奧秘的基礎，新的假說必須得到實驗的檢驗。比如，在講到射線檢測時，說：“肉眼看不見放射線，但是，射線中的粒子與其他物質(zhì)作用時產(chǎn)生的現(xiàn)象，會顯示射線的存在?！闭n本也介紹或提及了盧瑟福a粒子散射實驗(第76頁)、查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實驗、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(第94頁)、費米建立第一個核反應堆……等等。3．拓寬視野“拓寬視野”主要是拓寬知識面，力圖多反映一些當代粒子理論的新成果、新思想，就像《課程標準》中所強調(diào)的“關注物理學與其他學科之間的聯(lián)系，知道一些與物理學相關的應用領域……”。在教材中，安排了“科學漫步碳14測量技術”，介紹了我國科技界多學科共同攻關的夏商周斷代工程和碳14測年技術在其中的重要作用。在第6節(jié)“重核的裂變中，介紹了當前因朝鮮核談判、伊朗核談判而在媒體上經(jīng)常出現(xiàn)的“石墨堆、重水堆、輕水堆……”。全書最后，還特地安排了一個緊密聯(lián)系實際的課題研究“研究建筑石材的放射性”。與傳統(tǒng)教材的同樣章節(jié)相比較，課本中安排了一些中學生能夠接受又符合課程標準要求的新內(nèi)容、新知識。如，四種基本相互作用、核力的飽和性、輕核與重核中質(zhì)子與中子比例不同的解釋、夸克慣性約束、發(fā)現(xiàn)新粒子、恒星和宇宙的演化以及微觀世界規(guī)律的統(tǒng)計性等。這些安排，使教材視野較寬，體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會’’的理念，增強了教材的時代性。教學要求-9建議1．原子核的組成(1)教材分析本節(jié)由天然放射現(xiàn)象開始，揭示了原子核是可變的、可分的，傳統(tǒng)的自然觀受到很大沖擊。要求知道天然放射現(xiàn)象及其規(guī)律。教材的重點是原子核的組成、三種射線的特性和同位素的概念。(2)天然放射現(xiàn)象的教學教學中可以引導學生自學天然放射現(xiàn)象，然后回答老師設計的問題。注意強調(diào)說明：①雖然具有天然放射性的元素種類很多，但它們在地球上的含量很少。②天然放射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的意義在于，它說明原子核具有復雜的結構，打開了人們認識原子核內(nèi)部世界的大門。也就是說，人們認識原子核的結構是從天然放射現(xiàn)象開始的，它揭開了原子核物理的新篇章。引導學生分析教材第75頁“思考與討論”的內(nèi)容，即教材所介紹的研究放射性元素發(fā)出射線的性質(zhì)的實驗，如圖19—1丙所示，是讓射線進入磁場中，觀察其偏轉(zhuǎn)情況。實際上，也可以讓射線進人電場中，同樣通過觀察偏轉(zhuǎn)情況來判斷其性質(zhì)，如圖19—1乙所示。對于三種射線的性質(zhì)，可以列表對比：射線帶正電的氦核流q=+2em=4××10-27射出速度v=0.1c電離本領大穿透本領小射線高速電子流Q=-em=×10-31接近光速電離本領較小穿透本領較大射線光子流或高頻電磁波q=0無靜止質(zhì)量光速c電離本領小穿透本領大(3)原子核的組成的教學對原子結構的認識過程說明人類對微觀世界的認識是不斷擴大和加深的。人類認識原子核組成的歷史過程和研究方法具有典型性。可以利用中子的發(fā)現(xiàn)過程的教學，使學生對科學研究中應用的方法有所了解。查德威克是在1932年發(fā)現(xiàn)中子的，但他的老師盧瑟福早在1920年就已經(jīng)預言中子的存在。教學中應讓學生明白，預言并不是無根據(jù)的猜想，而是一種科學的假說。中子的發(fā)現(xiàn)是科學假設和理論推證相結合的產(chǎn)物，并得到了實驗的驗證。如果讓學生在課外收集居里夫人、盧瑟福、貝可勒爾、查德威克、愛因斯坦等科學家的資料，以原子核結構的發(fā)現(xiàn)為線索，編寫成特寫、短劇等，在課堂上進行交流或排演，可以使學生在活動中得到科學人文精神的陶冶。(4)同位素概念的教學教學過程中，應注意引導學生從以下幾個方面理解同位素的概念：①質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子核互稱同位素。②同一元素的不同種同位素在元素周期表上具有相同的位置(原子序數(shù)相同)，它們的核電荷數(shù)相同，具有相同的化學性質(zhì)。③同種元素的各種同位素的中子數(shù)不同，因此它們的物理性質(zhì)有差異。④同一種元素的多種同位素中，有穩(wěn)定的，也有不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定的同位素會自發(fā)地放出粒子或正負電子，衰變?yōu)樾碌脑?。這種不穩(wěn)定的同位素就叫放射性同位素。放射性同位素天然的有40多種，人工轉(zhuǎn)變的有1000多種，具有廣泛的應用。在教學過程中，可以適當介紹天然放射性的發(fā)現(xiàn)過程，以及認識原子核結構的歷史背景，對學生進行科學道德與唯物史觀的教育?？梢越Y合物理學發(fā)展史上的有關事實，對學生進行辯證唯物主義的思想教育。比如讓學生了解：1895年發(fā)現(xiàn)X射線，1896年發(fā)現(xiàn)天然放射性，1897年發(fā)現(xiàn)電子，連續(xù)出現(xiàn)的這三大發(fā)現(xiàn)在科學界和哲學界產(chǎn)生的影響是十分巨大的，給整個物理學界帶來了困惑和論爭。2.放射性元素的衰變(1)教材分析本節(jié)重點是講解衰變、衰變及其規(guī)律，引導學生運用質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律正確書寫核反應方程。正確理解半衰期的概念是本節(jié)的難點，因此教學中應注意講清半衰期的概念，使學生會計算較簡單的有關半衰期的問題。本節(jié)可以采用學生自學與教師點撥相結合的教學方法，培養(yǎng)學生的閱讀能力和自學能力。（2）原子核衰變的教學衰變是一種基本的原子核反應，天然放射性元素原子核和人工制造的放射性同位素都能發(fā)生衰變。由于衰變是原子核發(fā)生的變化，學生往往認為衰變中放射出來的電子是原子核中本來就存在的。實際情況是原子核內(nèi)并不存在電子，衰變放射出的電子是衰變過程中原子核內(nèi)部一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時產(chǎn)生的。同理，放射出正電子的衰變是原子核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中的過程。要讓學生記住常用的核符號，會寫核反應方程。衰變過程遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，這是寫衰變方程的依據(jù)。可讓學生通過相應的練習來逐步掌握衰變和衰變以及兩個守恒規(guī)律。有關核反應的練習要注意從可靠的資料上選擇實際發(fā)生的核反應，不能隨意編造。在寫衰變方程時讓學生根據(jù)衰變規(guī)律來確定衰變后產(chǎn)生的新核，這個規(guī)律是：衰變，新核質(zhì)量數(shù)等于舊核質(zhì)量數(shù)減4，電荷數(shù)等于舊核電荷數(shù)減2。衰變，新核質(zhì)量數(shù)不變電荷數(shù)加1?？梢灾v一講，在原子核里，中子和質(zhì)子是可以互相轉(zhuǎn)化的。原子核的衰變方程教學中，應注意強調(diào)：①核反應過程一般都不是可逆的，所以核反應方程只能用單向箭頭表示反應方向不能用等號連接。②核反應的生成物一定要以實驗為基礎，反應方程。不能憑空只依兩個守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反應方程。③核反應遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應過程中反應前后的總質(zhì)量一般會發(fā)生變化(質(zhì)量虧損)且釋放出核能。④當放射性物質(zhì)發(fā)生連續(xù)衰變時，原子核中有的發(fā)生衰變，有的不發(fā)生衰變，同時伴隨著輻射。(3)半衰期的教學半衰期是了解原子核衰變規(guī)律的一個重要概念，也是學生比較難理解和掌握的問題。學生常犯的錯誤是，認為放射性元素經(jīng)半衰期后衰變一半，再經(jīng)半衰期后衰變完畢。教學中除應注意結合具體問題讓學生知道半衰期的物理含義外，還應讓學生清楚：半衰期只對大量原子核衰變才有意義，因為放射性元素的衰變規(guī)律是統(tǒng)計規(guī)律，當放射性原子核數(shù)少到統(tǒng)計規(guī)律不起作用時，就無法判斷原子核的衰變情況了。相應地，一些學生認為可以由半衰期推算放射性樣品完全衰變的壽命的想法也是錯誤的。3．探測射線的方法（1）教材分析本節(jié)簡要介紹了現(xiàn)代幾種常用探測射線的方法，包括威耳遜云室、氣泡室、計數(shù)器等，簡單介紹了各種探測方法的原理、使用方法等。本節(jié)所介紹的三種儀器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，應讓學生知道，研究原子核變化中的微觀現(xiàn)象，可以根據(jù)各種粒子產(chǎn)生的效應來進行觀察和判斷，進而了解核物理中這種研究問題的方法。(2)探測射線方法的教學本節(jié)采用教師演示，學生觀察實驗、分析實驗原理和結果的教學方法，培養(yǎng)學生的實驗察和分析能力。云室，一般中學都有此裝置，應演示給學生觀察，學生興趣很大。學生通過對云室實驗的觀察．看到用肉眼無法看見也摸不著的射線的徑跡，既感到新鮮，又加深了對所學知識的理解。教學中應注意結合過飽和汽的知識，講清云室實驗的原理。同時要注意強調(diào)在云室看到的只是成串的小液滴，它描述的是射線粒子運動的徑跡，而不是射線本身。云室利用的是射線的電離本領。由于云室實驗裝置小、粒子徑跡呈現(xiàn)時間較短，教學時可先向?qū)W生講清各種粒子的徑跡圖，然后讓學生分組進行觀察。氣泡室在核物理研究中經(jīng)常用到。氣泡室里裝的是液體，控制氣泡室內(nèi)的溫度和壓強，使溫度略低于液體的沸點。當氣泡室的壓強突然降低時，液體的沸點降低，因此液體過熱，通過液體的射線粒子周圍就有氣泡形成?？茖W家通過照片上記錄的情況，可以分析粒子的帶電、動量、能量等情況(具體分析方法不要求)。計數(shù)器是一種能自動地把放射微粒計數(shù)出來的儀器。計數(shù)器利用的是射線的電離本領。重點要講清計數(shù)器的結構和計數(shù)的工作原理。應該結合電場的知識，講清射線粒子進入蓋革--米勒計數(shù)管中產(chǎn)生大量電子的過程。還可以簡單介紹其他幾種觀察射線的方法，如，利用射線的感光作用的乳膠照相方法，利用射線的熒光作用進行觀察的方法等。4．放射性的應用與防護(1)教材分析本節(jié)內(nèi)容介紹了通過原子核的人工轉(zhuǎn)變研究原子核結構、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(zhì)的區(qū)別，并列舉了大量實例講解放射性的應用。教師應歸納利用射線的主要兩個途徑：一是利用它的射線，二是作為示蹤原子?？梢宰寣W生先閱讀課本，然后總結放射線的各種應用和防護措施。通過本節(jié)內(nèi)容的學習，讓學生了解放射性在各個領域的廣泛應用以及我國在這方面的成就，同時讓學生知道簡單的放射性防護措施。(2)放射性同位素及其應用的教學關于放射性同位素的教學，應使學生明白，同一元素的各種同位素中，有的穩(wěn)定，有的可能不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的同位素會自發(fā)地放出粒子而衰變?yōu)槠渌?，這種不穩(wěn)定的同位素就叫做放射性同位素。在講放射性同位素的應用時，主要應使學生了解射線的穿透本領、電離作用以及射線的物理、化學和生物作用和在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和醫(yī)療衛(wèi)生等領域中的廣泛應用，同時注意介紹我國在這方面所取得的成就。教學中可讓學生通過課前查閱資料和閱讀教材，回答教師設計的問題來掌握本節(jié)內(nèi)容。對于放射性同位素放出的射線的利用，可以著重介紹下面一些應用。A．利用放出的射線檢查金屬部件是否存在砂眼裂痕等，即利用射線探傷。B．利用射線的穿透本領與物質(zhì)厚度和密度的關系，來檢查各種產(chǎn)品的厚度和密封容器中液體的高度等，從而實現(xiàn)自動控制。C．利用射線使空氣電離而把空氣變成導電氣體，以消除化纖、紡織品上的靜電。D．利用射線照射植物，引起植物變異而培育良種，也可以利用它殺菌、治病(如放療)等。了解示蹤原子的原理。由于放射性同位素跟同種元素的非放射性同位素具有相同的化學性質(zhì)，如果在某種元素摻進一些放射性同位素，那么元素無論走到哪里，它的放射性同位素也經(jīng)過同樣的過程。而放射性同位素不斷放出射線，再利用儀器探測這些射線，即可知道元素的行蹤。在教學中，可以組織學生訪問醫(yī)院有關人員了解“放療”和“刀"的基本原理和相關應用，閱讀有關放射性的課外材料或查閱相關網(wǎng)站資料?？勺寣W生根據(jù)自己所學知識，通過有關資料的搜集完成科技論文“怎樣利用放射性同位素”，寫出相關的探究報告，在全班交流，并評選出最佳作品。通過這樣的活動，成員相互交流，可以培養(yǎng)學生的團體合作意識，并能發(fā)現(xiàn)學生在知識理解上存在的問題。(3)輻射與安全的教學過量的放射線會對環(huán)境造成污染，對人類和自然界產(chǎn)生破壞作用。讓學生事先查閱有關放射性污染和防護的資料、信息，在課堂上討論，豐富這方面的知識，激發(fā)學習的興趣。老師可介紹幾件放射性污染事件，如：①1945年美國向日本的廣島和長崎投了兩枚原子彈，當日炸死了十多萬人，另有無數(shù)的平民受到輻射后患有各種疾病，使無辜的平民痛不欲生。②1987年蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站的泄露造成了大量人員的傷亡，至今大片土地仍是生物活動的禁區(qū)。③美國在近幾年的兩次地區(qū)沖突(海灣地區(qū)、科索沃地區(qū))中大量使用了含有放射性的炸彈，使許多人患有莫名奇妙的疾病。介紹常見的射線防護方法。為了防止有害的放射線對人類和自然的破壞，人們采取了有效的防范措施。例如在核電站的核反應堆外層用厚厚的水泥來防止放射線的外泄；用過的核廢料要放在很厚很厚的重金屬箱內(nèi)，并深埋。教育學生在生活中對那些有可能有放射性的物質(zhì)要有防范的意識，盡可能遠離放射源。5．核力與結合能(1)教材分析本節(jié)所講內(nèi)容中結合能和質(zhì)量虧損是教學的重點。應使學生了解四種基本相互作用，知道核力的特點，理解結合能的概念。了解愛因斯坦的質(zhì)能方程，知道質(zhì)量虧損的概念。會根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念計算核反應中釋放的核能。(2)核力的教學可以讓學生查閱資料和自學教材，在課堂上組織學生比較四種基本相互作用的區(qū)別和特點，重點引導學生了解核力的發(fā)現(xiàn)、推理過程和核力的幾個特點。指導學生看懂教材中的“穩(wěn)定核的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的關系”圖象，并能利用核力和電磁力的不同特點解釋這個圖象的含義。(3)結合能和質(zhì)量虧損的教學結合能這部分內(nèi)容的教學可按照書中提供的線索進行：要拆散原子核必須克服核子間巨大的結合能。如何求出這種能量呢?利用質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念。教學中應注意一定的質(zhì)量m和一定的能量優(yōu)相對應的觀點，以及原子核在變化時，其變化前后的總質(zhì)量是不同的，這種質(zhì)量的差異對應的就是核反應中所吸收或釋放的能量。還應注意向?qū)W生說明，原子核反應中的質(zhì)量虧損并不破壞質(zhì)量守恒定律，因為一定的質(zhì)量和一定的能量相對應。在核能的計算中，要訓練單位的換算。如原子質(zhì)量單位和千克的關系，焦耳和電子伏的關系。結合能的教學，要讓學生理解結合能并不是由于核子結合成原子核而具有的能量，而是為把核子分開而需要的能量。講清比結合能的概念，使學生知道比結合能越大，原子核越穩(wěn)定的道理。由于原子核中的核子間存在強大的核力，使得原子核成為一個堅固的集合體，要把原子核中的核子拆散，就得克服核力而做巨大的功；反之，要把核子集合成一個原子核，則能放出巨大的能量。核反應中放出的能量稱為核能。著重從質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程來討論核能的變化問題。教學中應使學生了解：①一定的質(zhì)量總跟一定的能量對應，核子在結合成原子核時總質(zhì)量減少了，相應的總能量也要減少，根據(jù)能量守恒定律，減少的這部分能量不會憑空消滅，它要在核子結合時釋放出過來，把原子核分裂成核子，總質(zhì)量要增加，總能量也要增加，增加的能量要從外部供給。在原子核反應中往往伴隨巨大的放能、吸能現(xiàn)象。②核反應中釋放或吸收的能量，可以根據(jù)反應物和生成物的質(zhì)量差用質(zhì)能方程計算。③核反應中能量的吸放，與核力的作用有關。當核子結合成原子核時，核力要做功，所以放出能量(跟重力做功時物體的勢能減少、動能增加類似)。原子核分裂為核子時，要克服核力做功，所以要從外界吸收能量。④原子核的質(zhì)量虧損并不破壞質(zhì)量守恒定律。例如在核反應中，以輻射的形式釋放能量，光子是有動質(zhì)量的(靜質(zhì)量為零)，它的動質(zhì)量與核的質(zhì)量虧損相當。6．重核的裂變(1)教材分析當前在新能源的開發(fā)和利用中，核能尤其重要。核能包括裂變能和聚變能，本節(jié)只討論裂變能的產(chǎn)生及其和平利用。教材沿重核裂變一鏈式反應一核反應堆(可控鏈式反應)一核電站這條主線展開。教學方法主要是以學生閱讀教材、背景材料及相關圖片為基礎，以問題為中心，鍛煉學生的思維能力?？梢越榻B一下我國“兩彈元勛”、核武器專家鄧稼先的杰出貢獻和科學獻身精神。(2)核裂變的教學在講裂變概念時，可以總結出裂變的幾個特點：①裂變過程中能放出巨大的能量。②裂變的同時能放出2～3個(或更多個)中子。③裂變的產(chǎn)物不是唯一的。注意：裂變反應的依據(jù)是實驗事實，不能僅憑反應前后質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，杜撰各裂變反應。重核裂變的機制，一般可不做說明。如果有的同學問到這個問題，可做粗淺的解釋，告訴他們：中子打進鈾235后，形成一個新的處于激發(fā)態(tài)的核，由于其中核子的劇烈運動，核子間的距離增大，核力迅速減小，不足以克服質(zhì)子之間的庫侖斥力，核就分裂成兩部分。應當告訴學生，我國物理學家錢三強、何澤慧夫婦發(fā)現(xiàn)鈾的三分裂和四分裂現(xiàn)象，是我國科學家在核裂變研究中做出的貢獻。不過三分裂和四分裂現(xiàn)象產(chǎn)生的幾率與二分裂現(xiàn)象產(chǎn)生的幾率相比少得多。利用這點向?qū)W生進行愛祖國、愛科學的教育。應該讓學生了解，維持鏈式反應要有一定的條件。如果每次裂變放出的中子平均有一個能再度引起裂變反應，或者說一代裂變中子的總數(shù)不少于前一代的中子數(shù)，鏈式反應就能維持下去。由于裂變中放出的中子有的可能從裂變物質(zhì)中漏失出去，有的可能被裂變物質(zhì)吸收而沒有產(chǎn)生裂變，也有的可能被裂變物質(zhì)中所含的雜質(zhì)吸收，所以鏈式反應未必能持續(xù)地進行下去。要維持鏈式反應，就要減少裂變物質(zhì)中的雜質(zhì)，還要增大裂變物質(zhì)的體積。這就引入了臨界體積的概念。要讓學生了解，參加裂變反應的裂變物質(zhì)體積越大，中子的漏失越少。裂變物質(zhì)達到一定體積(即臨界體積)時，鏈式反應就可以持續(xù)下去。還可以告訴學生，跟臨界體積相對應的裂變物質(zhì)的質(zhì)量，叫臨界質(zhì)量。純鈾235的臨界體積(球形)，直徑只有4.8cm，相應的臨界質(zhì)量只有(3)核電站的教學核反應堆是可控的鏈式反應裝置，它能使核能平穩(wěn)釋放。核反應堆主要由核燃料、減速劑、控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和防護層組成。核燃料是由天然鈾或濃縮鈾制成的鈾棒。核反應堆的教學，著重讓學生了解用人工方法控制鏈式反應速度的原理，了解減速劑和控制棒的作用。為了防止裂變時和裂變產(chǎn)物放出的射線對人體的危害，在反應堆外要修建很厚的水泥防護層，用來屏蔽射線。核反應堆有非常廣泛的用途，可以作為核動力，例如核電站、核艦艇、核潛艇的動力源。核反應堆還可以用來生產(chǎn)各種放射性同位素，提供中子源和生產(chǎn)裂變材料等。結合核電站的教學，應該適當介紹世界上各發(fā)達國家以及一些發(fā)展中國家和地區(qū)在核能發(fā)電上取得的進展，介紹我國正在建設中的廣東大亞灣和浙江秦山核電站的有關情況，指明發(fā)展核電以適應對能源日益增長的需要，是一種必然的趨勢，使同學們能夠正確認識我國對發(fā)展核電建設采取的政策和措施。教學中讓學生了解目前所有正式運行的核電站都是應用裂變發(fā)電的。重點介紹核反應堆的主要組成：①核燃料。用濃縮鈾(能吸收慢中子的鈾235占3％～4％)。②減速劑。用石墨或重水(使裂變中產(chǎn)生的中子減速，以便被鈾235吸收)。③控制棒。用鎘做成(鎘吸收中子的能力很強)。④冷卻劑。用水或液態(tài)鈉(把反應堆內(nèi)的熱量傳輸出去用于發(fā)電，同時使反應堆冷卻，保證安全)。⑤水泥防護層。用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。7.核聚變(1)教材分析本節(jié)介紹了聚變這一獲得核能的又一重要途徑和它的優(yōu)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(chǎn)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。如果哪個國家(集團)最先獲得成功，就會搶占應用核能的制高點。(2)核聚變的教學核聚變是輕原子核相遇時聚合成為較重原子核并放出巨大能量的過程。實現(xiàn)核聚變必須要有極高的溫度，故又稱熱核聚變。自然界中只有在太陽等恒星內(nèi)部才具有發(fā)生熱核聚變的條件。氫彈爆炸雖是人工熱核聚變，但無法控制。這樣，受控熱核聚變就成為當前世界科學技術最大的主攻課題之一。教學中講解太陽上的熱核反應時，要讓學生認識到：在太陽內(nèi)部，氫核在極高溫度下聚變成氦核，在這過程中釋放出28MeV的能量。不過，這種聚變過程不是一次反應就能完成的，要經(jīng)過幾次反應才能把四個氫核聚合成一個氦核。太陽正是靠這種反應以驚人的巨大功率，向宇宙空間輻射能量的。本節(jié)課重在讓學生知道聚變反應能夠釋放能量，每個核子平均釋放的能量在聚變反應中比在裂變反應中的大，聚變反應比裂變反應更劇烈。但是聚變反應要求的條件更高，因為要使核發(fā)生聚變反應，必須使它們接近到10-15m的距離。由于原子核帶正電，要使它們接近到這種教學中應注意說明，有些重核裂變中可釋放出能量，有些輕核聚變時可釋放出能量，但并非所有的核裂開就釋放能量，也不是任意的核聚在一起就釋放能量。核聚變能源同世界上已有的核電站所產(chǎn)生的核裂變能相比，不僅能源儲量極大，而且更加安全。它的原料是從浩瀚的海水中提取的。受控熱核反應一旦研究成功，人類就將從海水中的重氫(氘)中獲得無限豐富的新能源?！爸袊h(huán)流器一號"是從事受控熱核聚變反應研究的實驗裝置，，是依靠我國的工業(yè)、技術基礎研制成功的。它的建成并投人正常運轉(zhuǎn)，說明我國受控熱核聚變反應科研工作進入了一個新階段。8.粒子和宇宙(1)教材分析本節(jié)介紹了粒子物理學中的一些基本知識，如人類發(fā)現(xiàn)的三類粒子(強子、輕子和媒介子)和夸克模型，要求學生有常識性的了解就可以了。對于宇宙和恒星的演化，簡單介紹了宇宙大爆炸理論和恒星的演化過程，使學生認識到恒星與其他事物一樣，也有發(fā)生、成長與消亡的過程。(2)粒子和宇宙的教學讓學生知道現(xiàn)代物理前沿，了解人類對物質(zhì)結構的認識是不斷深入，是無窮盡的。物理學家們期望能從宇宙射線中得到來自宇宙遠方的新粒子的信息。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(zhì)的本質(zhì)的認識。人類在探索自然奧秘的過程中，另一個重要的基本問題是探索天體起源、演化的規(guī)律，宇宙的結構，宇宙的起源、演化的基本規(guī)律。在大量天文學的觀測和原子物理學、原子核物理學、粒子物理學研究基礎上，科學家提出了宇宙演化的大爆炸理論。這個理論得到大量的天文觀測的支持，現(xiàn)在被稱為宇宙論的標準模型。這個理論提出，現(xiàn)今的宇宙起源于大爆炸，宇宙演化的早期體積很小，溫度極高，演化非常快，演化時體積不斷迅速膨脹，同時溫度不斷迅速下降。當溫度從極高降到一定范圍時，出現(xiàn)夸克、輕子、膠子和其他規(guī)范粒子。體積再膨脹，溫度再降低后，夸克、反夸克又結合而成各種介子和重子，從而形成強子物質(zhì)。這些迅速演化過程都發(fā)生在宇宙大爆炸之后的第1s內(nèi)。溫度繼續(xù)降低，質(zhì)子和中子結合成較重的原子核。以后體積繼續(xù)膨脹，溫度繼續(xù)降低，一步步出現(xiàn)各種原子、分子，一直演化到現(xiàn)在的世界。在教學中，可以指導學生閱讀教材，了解宇宙的演化過程和恒星的演化過程。并要求學生在網(wǎng)上查詢有關資料，用小論文形式在班上交流。三、教學參考資料（一）概念規(guī)律和背景資料1、衰變規(guī)律實驗表明，在時間內(nèi)放射元素衰變的原子核數(shù)跟放射性元素的原子核數(shù)N以及成正比。①式中是比例恒量，叫做衰變恒量，表征放射性元素衰變的快慢。式中出現(xiàn)的負號是由于放射性元素的原子核數(shù)目是隨著時間的增加而減少的。把公式改寫成積分得用N0表示時放射性原子核的個數(shù)，代人上式得，因此，即所以②由于放射性元素的質(zhì)量m和它所包含的原子核數(shù)成正比，所以③式中為時放射性元素的質(zhì)量。②和③式叫做放射性元素的衰變定律。習慣上常用半衰期來表示放射性元素衰變的快慢。半衰期就是原有的原子核數(shù)衰變掉一半所經(jīng)歷的時間，用表示。當時，，由②式得所以可見半衰期是由衰變恒量決定的一個恒量。不同的放射性元素，它們的半衰期也不同，半衰期越短的放射性越強。2．貝可勒爾(HenriBacquerel，1852—1908)法國物理學家，1895年任巴黎高等工業(yè)學校物理學教授，1897年成為科學院院士。倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線后，貝可勒爾在研究這種不可見輻射與可見光之間的聯(lián)系時發(fā)現(xiàn)，某些鈾鹽能放出不可見的射線，使包在厚黑紙中的膠片感光，這就是后來稱之為放射性的現(xiàn)象。1899年～1900年，他測定了放射的成分射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)，證明了粒子就是電子。1901年，他又提出了有關輻射的生理效應的報道：他因內(nèi)衣口袋里裝著放射樣品而受到了灼傷。貝可勒爾因發(fā)現(xiàn)放射性，與居里夫婦一起，榮獲1903年諾貝爾物理獎。3．瑪麗·居里(MarieCurie，1867—1934)杰出的法國物理學家和化學家，放射性學說的奠基人之一。原籍波蘭，出生于華沙。1891年至1894年在巴黎大學學習，1895年和物理學家皮埃爾·居里(PierreCurie，1859—1906)結婚。夫妻共同致力于科學研究工作。皮埃爾的早期貢獻有：確定了磁性物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度，建立了居里定律，發(fā)現(xiàn)了晶體的壓電現(xiàn)象。1896年貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性。居里夫婦對鈾、釷等礦物的放射性進行了研究，并從大量瀝青鈾礦中分離出放射性更強的物質(zhì)，于1898年發(fā)現(xiàn)了兩種元素：釙和鐳。由于發(fā)現(xiàn)放射性，居里夫婦和貝可勒爾共獲1903年諾貝爾物理獎。1906年，皮埃爾因車禍不幸逝世?，旣惤尤瘟怂煞蛟诎屠璐髮W的物理學教授職位，成為該校第一位女教授。1910年，她和法國化學家德別愛爾諾一起分析出純鐳元素，她還確定了它的原子量和在元素周期表中的位置。她還測出了氡和其他許多放射性元素的半衰期，整理出放射性元素衰變的系統(tǒng)關系。由于這些重大成就，又榮獲1911年諾貝爾化學獎。居里夫人研究了放射性輻射對人體細胞的影響，第一個在醫(yī)學上利用了放射性。1922年被選為醫(yī)學研究院會員，此后她即專心致力于化學和放射性物質(zhì)在醫(yī)學上的應用研究。4．約里奧·居里(FredericJoliotCurie．1900—1958)法國物理學家，居里夫人的女婿。在盧瑟福提出的用粒子轟擊原子核技術的啟示下，他竺他的妻子伊麗芙·居里(1897—1956)一起，從事原子核研究。1932年在云室實驗中取得第一張同時產(chǎn)生的正負電子對的照片。他們對中子的發(fā)現(xiàn)，也做出了重要貢獻，1932年1月，曾就一種強穿透性粒子發(fā)表論文，同年2月，經(jīng)查德威克研究，確定為中子。1934年，他們用釙產(chǎn)生的粒子轟擊鋁，產(chǎn)生出中子和正電子，生成放射性磷，首次獲得人工放射性物質(zhì)。他們用同樣方法又制成許多其他放射性物質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)放射性同位素在醫(yī)學和生物學上有廣泛用途，因此獲得了1935年諾貝爾化學獎。1938年底，哈恩等人發(fā)現(xiàn)核裂變不久，約里奧．居里也獨立發(fā)現(xiàn)了這一過程，并提出裂變中產(chǎn)生的許多中子有可能發(fā)展成鏈式核爆炸反應。5．原子核的結合能核子結合成原子核時，有質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能聯(lián)系方程，必然放出相應的能量，這個能量叫做原子核的結合能。顯然，如果要把原子核分開成核子，必須給以同樣的能量。核子組成不同的原子核時，放出的結合能的大小也不相同。結合能除以核子數(shù)就得到核子的比結合能，其意義是：核子結合成原子核時，平均每個核子所釋放的結合能。它也等于把原子核拆散成核子時，外界必須提供給每個核子的平均能量?？梢?，比結合能的大小表征著原子核穩(wěn)定的程度。從比結合能曲線可知利用原子核能的可能途徑。對于輕核聚變成為稍重核的聚變來說，由于聚合過程中的質(zhì)量虧損，就能放出大量的原子核能。比結合能曲線的左端有幾處突起的地方，它們分別是，這些元素的原子核結合得較緊密，當把更輕的原子核聚成上述幾種原子核時就放出大量的能量。重核發(fā)生裂變時，也能放出能量。當中子打擊鈾核時，鈾核分裂為兩個中等質(zhì)量的原子核。由于中等質(zhì)量的原子核的核子比結合能比重核的大，核子結合成中等原子核時的質(zhì)量虧損大于結合成重核時的質(zhì)量虧損，從而放出能量。從能量的角度來看，這些核子結合成兩個中等質(zhì)量的原子核時放出的能量要大于這些核子結合成重核時放出的能量。顯然，這個能量差就是重核分裂成兩個中等原子核時要釋放出來的能量?？梢姡雍嗽诎l(fā)生聚變和裂變反應時釋放出的巨大能量，都是由于在核反應中發(fā)生了質(zhì)量虧損。對此可能會產(chǎn)生一個疑問：在核反應前后，是不是質(zhì)量不守恒了呢?不能這樣看。因為核反應中放出的能量是以反應后的各種產(chǎn)物的動能的形式給出的，這些產(chǎn)物的運動速度很大。在相對論力學中，運動速度很大的物體的質(zhì)量將有所增加，這增加的部分就是運動質(zhì)量。我們在計算質(zhì)量虧損時，都是用的靜止質(zhì)量，如果把反應后各產(chǎn)物的運動質(zhì)量也計算進去，那么反應前后的質(zhì)量將是相等的。也就是說：在相對論力學中，核反應前后物體的質(zhì)量仍是守恒的。此外，對于比結合能曲線的形狀還可以用核力的作用來說明。對于最輕的那些原子核，由于核子數(shù)很少，全部核子都處在核的表面，即每個核子沒有被其他核子完全包圍起來，只是向著核中心的那一面受核力的作用，因。此核子的比結合能比較小。隨著核子數(shù)的增加，就有越來越多的核子被周圍的核子包圍起來，各方面都受到核力的作用，因此核子的比結合能也隨著增加。但是，由于核力發(fā)生作用的距離非常短，只對相鄰核子起作用，因此核子數(shù)增加到一定程度，核子的比結合能就不再增加。另一方面，隨著核內(nèi)質(zhì)子數(shù)的增加，正電荷之間的斥力作用也隨著增大，它將抵消一部分核力的作用，因而使結合能減小，這就是結合能曲線經(jīng)過最高點以后向下彎的原因。質(zhì)量數(shù)過大的荷，由于結合能減小，就變得越來越不隱固，以致能自發(fā)地放出某種粒子而衰變成質(zhì)量數(shù)較小的核，這就是天然放射現(xiàn)象。在自然界中不容易看到質(zhì)量數(shù)比鈾還大的超鈾元素，就是這個緣故。(在20世紀60年代末，物理學家預言：在原子序數(shù)等于114，質(zhì)量數(shù)等于298附近，可能有特別穩(wěn)定的原子核，這一區(qū)域叫“超重島”。不過到目前為止，不論在自然界或人工方法，都還沒有發(fā)現(xiàn)這種超重元素。)6．太陽里的熱核反應熱核反應在宇宙中是普遍的現(xiàn)象。在太陽和許多行星內(nèi)部，溫度都高達1000萬度以上，在那里熱核反應劇烈地進行著。太陽內(nèi)部，氫是最豐富的元素。太陽的熱核反應是氫核聚變?yōu)楹ず说倪^程，有兩種可能發(fā)生的反應序列：一種是質(zhì)子循環(huán)，另一種是碳氮循環(huán)。質(zhì)子循環(huán)的反應如下：前兩個反應，在生成核時都必須進行兩次。碳氮循環(huán)的反應如下：，，， ，，兩種循環(huán)都是4個質(zhì)子聚合成一個核，釋放出兩個正電子。正電子跟電子相遇，發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)變?yōu)榱斯庾?。每個反應序列都放出約28MeV的能量。兩個序列發(fā)生的幾率大致相等。在太陽內(nèi)部的熱核反應中，每秒鐘可將約6億噸的氫變?yōu)楹?，失?00多萬噸的質(zhì)量，釋放的能量達×1026J。太陽已然燃燒了近50億年。7．對原子核結構的認識簡史早在1815年，英國醫(yī)生兼化學家普勞特(W．Prowt，1785—1850)根據(jù)多數(shù)元素的原子量是氫原子量的整數(shù)倍，提出所有元素都由氫原子組成的假說。因為發(fā)現(xiàn)有些元素的原子量不是整數(shù)，特別是氯的原子量為35．46個單位，銅的原子量為個單位，這個假說到19世紀末被放棄了。19世紀末20世紀初，發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象和同位素，引起了對原子構造的新探索，也包括對原子核結構的探索。1919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)一個粒子能引起氮核的人工衰變，而衰變的產(chǎn)物之一是質(zhì)子(即氫核)。1921～1924年之間，盧瑟福和他的學生查德威克對硼、鈉、鋁等輕元素進行人工核反應，同樣有質(zhì)子分裂出來。以上事實顯然說明原子核內(nèi)存在質(zhì)子。問題是原子核是否只有質(zhì)子?當人們從元素周期表看到除氫以外，核的電荷數(shù)(原子序數(shù))總是小于質(zhì)量數(shù)時，曾假定原子核內(nèi)除質(zhì)子之外，還包含電子，它們的電荷量足以抵消額外質(zhì)子的電荷，而電子的質(zhì)量很小，不影響原子核的質(zhì)量。即一個原子序數(shù)為Z，質(zhì)量數(shù)為A的原子核，它就是由A個質(zhì)子和(A—Z)個電子所組成。這就是核結構的質(zhì)子--電子假說。質(zhì)子--電子假說在某些方面能初步說明各種元素的性質(zhì)，如解釋原子核的和衰變現(xiàn)象、核質(zhì)量近似為質(zhì)子質(zhì)量的整數(shù)倍等。但是這一假說與許多實驗事實不符，理論上也存在困難，例如：隨著測量的逐漸精確，核質(zhì)量愈加偏離質(zhì)子一電子假說所預言的質(zhì)量；束縛在核內(nèi)的電子，要有上百兆電子伏的能量，而13衰變的電子能量只有1兆電子伏的量級，靠電子一質(zhì)子之間的微弱的電磁相互作用力根本不可能使電子保持在核內(nèi)。另外，例如氮核的角動量，按照質(zhì)子--電子假說應為14個質(zhì)子與7個電子，自旋值為(奇數(shù)個半整數(shù))，即為費米子，而通過原子光譜的超精細結構的實驗測定卻應為偶數(shù)個半整數(shù)即核應為玻色子!最后，實驗也測不出核內(nèi)含有的電子磁矩，而只能成功地測出質(zhì)子的磁矩，前者應為后者的1840倍(與質(zhì)量成反比)。質(zhì)子--電子假說所遇到的這些巨大困難，說明了人們對微觀世界認識的曲折進程。也從反面說明了質(zhì)子--中子說的來之不易。1920年，盧瑟福提出一種猜想，預言原子核內(nèi)可能存在一種質(zhì)量與質(zhì)子相近的中性粒子。1921年，美國化學家哈金斯(W．D．Harkins，1873—1951)將它命名為“中子”。盧瑟福一直追尋這種粒子，但經(jīng)歷了12年后，才由他的學生查德威克找到。中子的發(fā)現(xiàn)證實了盧瑟福預言的正確性，使得建立一種沒有電子參與的核模型成為可能。1932年，海森伯和蘇聯(lián)物理學家伊萬年科各自獨立地提出了原子核由質(zhì)子和中子組成的假說，根據(jù)這一假說，一個原子序數(shù)為Z和質(zhì)量數(shù)為A的原子核，由Z個質(zhì)子和A—Z個中子組成。核結構的質(zhì)子--中子假說圓滿地說明了元素的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)，解釋了同位素以及放射性現(xiàn)象，使“質(zhì)子一電子”假說面臨的許多困難迎刃而解，因而立即被科學界普遍接受，很快成為原子核理論的基礎，至今仍然是描述核的特性和結構的基礎。這導致了對核作用力的研究，為粒子物理的發(fā)展開辟了道路。人們在認識原子核結構的過程中，主要提出了五種具體的模型：氣體模型、液滴模型、a粒子模型、殼層模型、綜合模型，各種模型分別適用于核現(xiàn)象的一個特定方面，但迄今還沒有哪一個模型能恰當?shù)貓A滿地描述從放射性衰變到核反應和裂變的廣闊范圍里的一切現(xiàn)象。此外，還須進一步研究質(zhì)子一質(zhì)子、質(zhì)子一中子、中子一中子這三種相互作用，以便說明原子核的主要性質(zhì)。有些實驗表明，核內(nèi)除有質(zhì)子和中子外，還可能存在其他粒子，例如，當核被高能激發(fā)時出現(xiàn)介子；1953年發(fā)現(xiàn)了含有超子的超核，近些年來又發(fā)現(xiàn)了含有超粒子的超核。這些問題還和迅速發(fā)展的“基本粒子’’物理緊密相關。因此，探索原子核的結構及其內(nèi)部運動規(guī)律，仍然是人類未來向知識深度進軍的一個重要目標。8．粒子間的相互作用物質(zhì)世界運動變化多樣性的根源在于自然界存在著四種基本相互作用，即強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。強相互作用存在于重子、介子等強子之間的基本相互作用。核子之間的核力是它的一個典型實例。強相互作用是一種短程力，作用范圍為10-15米量級，作用強度約為電磁相互作用的102倍。目前，對強相互作用的機制還不清楚。近年來發(fā)展的量子色動力學(QCD)能解釋電磁相互作用這是目前了解得最清楚的一種相互作用，量子電動力學(QED)可以對它進行精確的計算。電磁相互作用是一種長程力，作用于所有微觀或宏觀帶電或帶磁矩的物體之間。大到天體，小到10-18米范圍內(nèi)，理論計算都跟實驗事實符合得很好。量子電動力學認為，電磁相互作用是由電磁場的量子——弱相互作用廣泛存在于輕子和輕子間、輕子和強子間、強子與強子間的一種基本相互作用。原子核的衰變是它的一個實例。弱相互作用也是一種短程力，作用范圍比強相互作用還要短，作用強度約為強相互作用的10-12倍。弱相互作用是通過質(zhì)量很重的中間玻色子W土和Z0傳遞的，它們的質(zhì)量分別為：mw土=±GeV，mz0=±GeV。引力相互作用支配著宏觀物體運動變化，例如天體運動規(guī)律的一種長程力。在微觀領域里，引力相互作用遠遠弱于其他三種相互作用，以致實際上無法檢驗在微觀領域里萬有引力定律是否仍然正確。例如，根據(jù)萬有引力定律考慮兩個質(zhì)子間的引力相互作用與它們間的強相互作用的強度之比僅為10-38。理論上，傳遞引力相互作用的量子是引力子。目前，實驗上尚未發(fā)現(xiàn)引力子的存在。現(xiàn)代的量子場論認為，每一種粒子都有一種與之對應的場存在。場沒有不可人性，各種不同粒子的場互相重疊，充滿整個空間。場能量的最低態(tài)稱為基態(tài)；場的激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為出現(xiàn)相應的粒子，不同的激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為粒子數(shù)目和狀態(tài)的不同。場處于基態(tài)時沒有粒子出現(xiàn)。所有的場都處于基態(tài)時，就是物理真空。所以場是比粒子更基本的物質(zhì)形態(tài)。無論是處于基態(tài)或處于激發(fā)態(tài)的場，都可以與其他的場發(fā)生相互作用；粒子間的相互作用和轉(zhuǎn)化，乃是場之間相互作用的結果。以衰變?yōu)槔洪_始時中子場處于激發(fā)態(tài)，表現(xiàn)為存在一個中子，而質(zhì)子場、電子場和中微子場則處于基態(tài)，表現(xiàn)為沒有質(zhì)子、電子和中微子。經(jīng)過中子場與質(zhì)子場、電子場和中微子場的弱相互作用，中子場躍遷到基態(tài)，由于能量的傳遞使質(zhì)子場、電子場和中微子場受到激發(fā)，表現(xiàn)為中子消失而產(chǎn)生了一個質(zhì)子、一個電子和一個反中微子。這就是通過弱相互作用的衰變的量子場論圖景。在粒子世界里，除了強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用外，有跡象表明，可能還有超弱相互作用與超強相互作用存在。某些相互作用間可能有本質(zhì)的聯(lián)系，可以統(tǒng)一理解。例如，已由實驗證實的弱電統(tǒng)一理論，就把弱相互作用和電磁相互作用做了統(tǒng)一的解釋。還有大統(tǒng)一理論和超統(tǒng)一理論，則企圖在更廣泛的范圍內(nèi)統(tǒng)一理解各種相互作用的本質(zhì)。這些方面的理論和實驗工作都在進行中。(二)聯(lián)系生活、科技和社會的資料1．射線探傷法(gamma-raymaterilogy)用射線檢驗金屬材料與工件內(nèi)部缺陷的方法。通常采用射線照相法。讓射線穿過被檢查的工件，在工件后面放上底片，并盡量與工件貼緊。穿過缺陷部分到達底片的射線比穿過正常部分到達底片的射線，強度要大，在顯像后的底片上會顯示出黑色區(qū)域，用這種方法可以發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部缺陷，并確定其大概的形狀和位置。為了使拍照的影像清晰，放射源與工件的距離應比工件大。還可以在底片前面放一張重元素屏，例如鉛屏(稱為增感屏)，因為穿過工件的7射線會在屏中產(chǎn)生光電子和康普頓電子，這些次級電子可以增強底片的感光。增感屏的最佳厚度，主要由7射線的能量決定，也跟所用底片的性質(zhì)有關。射線探傷經(jīng)常采用的放射源有鈷60Co，137Cs，192Ir等。不同放射性核素發(fā)出的射線能量不同。低能射線探測的靈敏度高，但探傷厚度不及高能射線，60Co的射線能量為MeV和MeV，可探測5cm～30cm的鋼鐵制品,192Ir的射線能量為MeV和MeV，可檢驗1cm～6cm的鋼鐵制品。2．放射性示蹤法(radioactivetracermethod)由于放射性核素不斷發(fā)出輻射，無論它運動到哪里，都很容易用探測器探知它的下落，因此可以用作示蹤物來辨別其他物質(zhì)的運動情況和變化規(guī)律。這種放射性示蹤物稱為示蹤原子或標記原子。1911年，G．赫維西(G．Hevesy，1885--1966)第一次使用了放射性示蹤物。為了確定女房東是不是把星期天剩下的餡餅摻到后幾天的膳食中，他把一些放射性釷放到新做好的餡餅中，到了星期三,借助于驗電器指給女房東看，在蛋奶酥中含有放射性物質(zhì)。不久，他就把示蹤法引入到研究工作中去。自那以后，放射性示蹤技術已有長足進步：放射性核素的數(shù)目及其有效性大大增加了，探測方法的靈敏度及其在能量的選擇性方面都有很大改進。例如，第101號元素鍆(Md)，只要有20個原子，就能把它鑒別出來。因此，放射性示蹤技術，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生和科學研究等方面都有廣泛的應用。例如，可以將放射性同位素引入待研究的機械材料中去，在制成的機件運轉(zhuǎn)時，收集磨損下來的碎屑和落下的潤滑油，定時測量它們的放射性，就可以確定機件的磨損情況。又如，用放射性雜質(zhì)代替尋常雜質(zhì)，擴散到半導體中，然后逐層磨下，測量其放射性強度，就可以了解雜質(zhì)擴散的情況。在農(nóng)業(yè)上，可以用放射性示蹤研究作物對肥料的吸收情況：把放射性顆粒狀磷肥放到作物根旁土壤中，15分鐘～20分鐘，葉片上就有放射性磷出現(xiàn)，觀察放射性增加的速度，就能估計作物吸收磷肥的速度。在醫(yī)學和生命科學的研究方面，把用放射性核素標記的物質(zhì)A引入動物體，經(jīng)過一段時間．從排出物或組織中分離出另一化合物B，含有相當數(shù)量的上述標記核素，即可確定A在動物體內(nèi)可以轉(zhuǎn)變?yōu)锽。例如，將14C標記的糖喂給大鼠，發(fā)現(xiàn)放射性示蹤的應用，隱含著兩個假定：一是放射性核素和它的穩(wěn)定同位素化學性質(zhì)相同；二是研究對象的化學特性不受放射性衰變的影響。第一個假定僅當同位素的質(zhì)量效應很重要時才是不正確的，這種情況只在氕一氘一氚互相取代時才會發(fā)生。第二個假定，只要示蹤物的濃度很小就是正確的。3．核電池(nuclearbattery)將放射性核素輻射的核能轉(zhuǎn)變成電能的裝置，有幾種不同的類型：恒流充電型放射性源放出的電子，給絕緣導體充電后被收集器收集起來。放射性源一端失去電子成為正極，收集器一端得到電子成為負極，在正負極之間形成電勢差。這種核電池可產(chǎn)生高達150千伏的電壓，但電流很小，最大短路電流只有10-11安。溫差電偶型用放射線的能量給溫差電偶的一個結點加熱升溫，得到溫差電。實際裝置是用一層轉(zhuǎn)換體把放射性源包起來，轉(zhuǎn)換體外面還有一絕緣層。轉(zhuǎn)換體吸收了全部放射性粒子的能量，把核能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，溫差電偶的熱結點與轉(zhuǎn)換體接觸，其溫度Th與轉(zhuǎn)換體溫度相同，外端的溫度為Tc，最大效率為接觸電勢差型把具有接觸電勢差的兩個電極經(jīng)由電阻連接起來，用放射性源發(fā)出的射線使電極間的氣體電離，就可產(chǎn)生電流。PN結型與光電池原理類似，用放射線照射PN結，產(chǎn)生電子--空穴對，在自建電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，從而在P區(qū)和N區(qū)間產(chǎn)生電勢差?？捎糜诤穗姵氐暮怂赜性S多種，最常用的有兩種：一種是經(jīng)濟易得的90Sr(=28.5a一種是半衰期長、易于防護的238Pu(=87.75a核電池具有結構緊湊，運行可靠，不受周圍環(huán)境影響，能長期工作而無須看管等優(yōu)點，可用于宇宙航行，空間考察，海上燈塔，海底電纜(增音器)，沙漠、高山和險灘中的自動氣象站、地震觀測站等，5年～10年不需更換電源。醫(yī)用的心臟起搏器也要使用核電池。4．放射性測定年代(radioactiveagedetermination)應用放射性核素的衰變規(guī)律，可以測定礦石、地層的生成年代，也可以測定某些古文物的年代和古生物遺骸的死亡年代。前者可用鈾鉛法，后者用14C鈾鉛法238U的半衰期為×109年，它的最終子體是穩(wěn)定的206Pb。假定礦石在生成時不含鉛，單位質(zhì)量中238U的原子數(shù)為N0(238U)，為238U的衰變常量，礦石的年齡為t，則目前每單位質(zhì)量中，238U的原子數(shù)目為N0(238U)=N0(238U)e-206Pb的原子數(shù)為N(206Pb)=N0(238U)-N(238U)一N’N’為單位體積中所有238U的放射性子體的原子數(shù)目。當t很大(超過105年)時，N,《N(206Pb)，則有N(206Pb)=N0(238U)-N(238U)=N(238U)(-1)由此可得所以測出礦石樣品單位體積中206Pb原子數(shù)與238U原子數(shù)的比，就可以知道礦石的年齡。14C法在碳元素中除了含有大量穩(wěn)定的12C和13C半衰期為5730年，它是宇宙射線中的中子穿過大氣層時與空氣中的14N核碰撞發(fā)生核反應生成的：宇宙射線不斷地射到地球上來，14C不斷地產(chǎn)生又不斷地衰變，結果大氣中14C的含量保持不變。大氣中的14C與氧化合生成放射性二氧化碳14C02，通過光合作用進入植物體。動物以植物為食，14C又進入動物體。因此，在生物體內(nèi)14C與非放射性碳的含量比與大氣中二氧化碳里二者的比相同。生物體死亡以后停止了與外界的物質(zhì)交換，體內(nèi)原有的C14只能不斷地衰變而得不到補充。因此，從古代生物遺骸中’‘C與非放射性碳的含量比，就可以求出它死亡的年代t。用表示14C的衰變常量，表示處于交換運動中的，14構成生物體的碳中，14C的含量極少，12C與14C原子含量的比為1012：5.輻射防護(radioprotection)核輻射的生物效應主要由于電離作用對生物分子的破壞。因此，一切致電離輻射--能直接引起電離的粒子、粒子和質(zhì)子，能間接引起電離的射線和中子，都可能成為傷害人體的來源。致電離輻射在人體某種組織中造成的傷害程度，首先取決于輻射在該組織中沉積的能量。其次，能量沉積的距離(或體積)也是重要的。如果能量在短距離內(nèi)沉積，它對某種組織的傷害大于沉積距離大的情況。例如，粒子在人體組織中的射程非常短，就是說它們在短距離內(nèi)沉積能量，所以進入體內(nèi)的放射性源發(fā)出的粒子所造成的傷害，比射線源(不管是體內(nèi)的還是體外的)沉積同樣能量所造成的傷害大。外部照射的損傷主要由體外輻射源發(fā)出的射線所引起和粒子幾乎不會引起損傷，除非它的源非常接近人體或就在皮膚表面上。而以各種方式進入體內(nèi)的粒子、粒子、射線或中子的源，則引起內(nèi)部照射。這時，人體就將連續(xù)不斷地遭受輻射照射，放射性物質(zhì)的量只能靠自然衰變和人體排泄而減少。某些元素天然傾向于集中在特定的組織或器官中，這些元素的放射性同位素的行為與其穩(wěn)定的同位素一樣。例如，所有碘的同位素都傾向于聚集在甲狀腺中，鈣的同位素則沉積在鈣化的骨組織中。鍶、鋇和鐳與鈣的化學性質(zhì)類似，它們具有置換骨中鈣的傾向。钚如果溶入血液中則將部分地沉積在某些骨骼表面或肝臟中，存留相當長的時間。比較難溶解的钚化合物，如二氧化钚，吸人肺之后，可以存留數(shù)年之久。微弱的放射性照射對人體并無損傷。人們是經(jīng)常處于射線的照射之下的。自然界存在的“14C、40K、226Ra等放射性元素，在人體內(nèi)不斷地新陳代對體外照射的防護應從以下四個方面著手：①在使用放射性物質(zhì)時(如在實驗工作中)用量要盡可能少。②受照射的時間盡可能短，不要在放射性物質(zhì)的周圍做不必要的停留，用放射性物質(zhì)進行的操作，力求熟練、迅速。③與放射性源的距離盡可能遠，如操作時利用各種夾具或進行遠距離操縱。④屏蔽，常用的材料有鉛、鐵、水泥、磚、石、泥土、硼酸、石蠟、鋁、鉛玻璃、有機玻璃、水和溴化鋅水溶液等。對不同的放射