黃建煌

摘 要：中學物理教材中對原子物理學的內容編寫得過于簡單，但這部份內容卻是大學物理重要的基礎知識，與當今發(fā)展的前沿物理有著密切的關系。為了使中學生更好地掌握相關知識，作為中學物理教師應正確理解：核子和核力、放射性現象、原子核反應、結合能等重要概念。

關鍵詞：原子核；核力；射線；核反應；結合能

在原子物理學的教學過程中，我們經常會遇到這樣的一些問題：由于中學部分教材編寫得過于簡單，使得部分學生對某些物理概念的掌握存在著一些障礙，從而使得學生在學習原子物理學初步知識的過程中產生了一種對物理學習的倦怠心理，影響了學生對物理的興趣。盡管原子物理學部分在高考中所占的份量很小，但這部份內容卻是大學物理重要的基礎知識，與當今發(fā)展的前沿物理有著密切的關系，也是很多將來有志于從事物理研究的中學生迫不及待要了解的知識。因而本人認為對這部分知識的教學如果僅限于課本中的表述（包括課后的“閱讀材料”）是完全不夠的，作為一名稱職的物理教師，必須在教到有關章節(jié)時做一些必要的微觀探究和補充。為此，本人建議做以下幾點補充說明，以解學生的困惑。

1 核子和核力

原子核是怎樣構成的呢？在中子發(fā)現以前，由于天然放射性元素能放出β粒子（即電子），以及在人為核反應中能獲得質子，人們曾假定原子核是由質子和電子組成的。但是這個假定卻和一系列的實驗事實發(fā)生了矛盾。例如，由于電子具有波動性，由量子力學計算得知，如果要把電子限制在原子核這樣大小的范圍內，電子的能量必須大于26.2兆電子伏特（Mev）才行，事實上放射性衰變中放出的β粒子從來沒有這樣大的能量。

自從中子被發(fā)現以后，人們逐漸得知，這些不符之處，說明原子核不是由質子和電子組成，而是由質子和中子組成。質子和中子統(tǒng)稱為核子。那么核內沒有電子，怎樣說明β衰變現象呢？這是因為，中子可以放出電子而轉變?yōu)橘|子，質子在適當條件下也可以放出正電子而轉變?yōu)橹凶?，在轉變過程中還放出一個不帶電的而質量幾乎為零的基本粒子——中微子（用ν來表示）。

當原子核內有中子轉變?yōu)橘|子時，有負電子放出，這就是β-衰變；當原子核中有質子轉變?yōu)橹凶訒r，有正電子放出，這就是β+衰變。由此我們應當明確：

（1）核反應中，由原子核放射出電子或正電子，并不意味著它們是核的組成部分。

（2）不能認為中子是由質子和電子組成的；也不能認為質子是中子和正電子組成的，只能說在中子和質子的相互轉變中，有電子或正電子產生。

原子核既由中子和質子所組成，而質子間存在著庫侖斥力，那究竟是什么力使這些核子能夠組成穩(wěn)定的原子核呢？當然，核子之間有萬有引力，但根據計算，這種引力太小，不足以說明問題。因此核子之間一定存在著一種特有的相互吸引力，我們把這種引力稱為核力。核力是核子之間的作用力，它與核子是否帶有電荷無關。關于核力的詳細性質，目前還不太清楚，正在研究中。但有幾點認識是趨于一致的：

（1）核力是一種交換力。我們知道電磁力是通過電磁場而作用的，電磁場具有粒子性（即光子），因此電磁力是通過光子的交換來實現的一種交換力。與此類似，核力是通過一種特殊粒子（稱為介子，記為π）的交換而實現的。人們在宇宙線中發(fā)現了介子，在實驗室中又用人工方法獲得了介子。目前認為，中子和質子之間的核力就是通過交換帶正、負電或中性的介子（π+、π-或π0）而產生的。

（2）核力是一種短程力。實驗證明，在核子之間的距離大約0.5×10-15m時主要為引力，能夠克服質子間的庫侖力而使各核子結合成原子核。但核力隨著核力之間距離的增大而很快減小，當距離大于2×10-15m左右時，就不發(fā)生作用了。

2 放射性現象

在介紹α射線、β射線和γ射線的性質時，應指出α粒子、β粒子和γ粒子（或稱γ光子）都是從放射性元素的原子核中放射出來的。但是在教學中必須防止這樣一個錯誤觀念：放射性元素的原子核是由α粒子、β粒子和γ粒子組成的。因為不論何種原子核都是由核子（質子和中子）組成的。

α射線的產生是由于不穩(wěn)定的原子核轉變成為較為穩(wěn)定的原子核的結果，在轉變中質子和中子數目都減小，以α粒子的形式從核中放射出來，一次只能放出一個α粒子。不同的放射性元素，所放射出來的α粒子速度互不相同，同一種物質放射出來的卻幾乎相等。各種物質放射出來的α粒子的初速度大約都在107m/s左右。α粒子的穿透本領小，在各種物質中的射程很短。如在空氣，鈾放射的α粒子的射程僅為2.7cm，鐳的α粒子的射程為3.4cm，在液體和固體中的射程就更短了。α粒子具有一定的能量，本身又帶有兩個單位正電荷，碰到空氣分子，能使它電離。根據實驗測定，當α粒子的速度為1.5×107m/s時，所具有的能量約為10-12J，碰到空氣分子形成離子對數為2×105對，可見α射線的電離本領強。

β射線的產生是由于不穩(wěn)定原子核中的一個質子轉變成為一個中子，或一個中子轉變成為一個質子。在前一種情況下產生的是正電子，在后一種情況下產生的是負電子（上面已提到過）。每一次只能放出一個β粒子。β射線是一種高速的電子流，速度在0.3c～0.998c（c代表光速）。β粒子的穿透本領比α粒子要大得多，但電離作用比α粒子要小得多。

γ射線的發(fā)射是由于原子核從不穩(wěn)定狀態(tài)轉變到較穩(wěn)定的狀態(tài)，差不多每一個放射性原子核都能放射γ射線，它的實質是一種高能量的電磁波，波長很短，在電場或磁場中不發(fā)生偏轉。常見的γ射線能量在幾十萬到幾百萬電子伏特之間，它的穿透本領最強，比β粒子還大10倍到100倍，比α粒子大1000倍到10000倍。γ射線通常伴隨著α射線和β射線同時放射出來，但也可以單獨放射出來。它能使照相底片感光，也可以引起光電效應。

3 原子核反應

核反應有自發(fā)的和人為的兩種，教學時應區(qū)分兩種反應的不同點。前者是原子核在自然條件下自發(fā)地進行變化的，如天然放射性物質從原子核內自發(fā)地放出射線，這種變化速度很緩慢，核的這種轉變過程稱為衰變。后者必須在人為的條件下，如用高速粒子來轟擊原子核使核發(fā)生變化，這種核反應的速度很快，而且原子核釋放出來的能量較大，這樣的過程稱為人工核反應。

我們所指的核反應就包括衰變和人工核反應兩種。核反應是嚴格遵守電量守恒、質量守恒、動量守恒和能量守恒等普遍規(guī)律的。其反應的具體過程可由復核模型來說明，這個模型認為，核反應的形成分為二個階段：

第一階段——復核形成階段。當入射粒子進入核力的作用區(qū)域時，它就和靠近的核子起強大的相互作用，與核內的核子發(fā)生頻繁的碰撞，并把本身的能量大部分交給核子。結果入射粒子的能量很快地重新分配給核內每個核子，自己因能量的損失而停留在核內，與其他核子融合為一體，不再有所區(qū)別，形成了復核。雖然復合得到的全部能量足可使它發(fā)生衰變，但是，分配到一個核子上的能量，又不夠從核中放出來，于是核反應的第一階段可認為是入射粒子被俘獲而組成強烈激發(fā)的過渡性復核。

第二階段——復核衰變階段。由于在復合組成時，核子間能量分配有起伏，使復核內某一個核子或某幾個核子的集合有可能得到足夠使它們飛出復核的能量，那么就發(fā)生了復核的衰變，放射出粒子。這就是核反應的第二階段。從復核形成到衰變，這段時間的平均值是10-16±3s的數量級，而復核形成所需要的時間數量級是10-22s?？梢?，復核形成后到它衰變中間還有相當長的時間間隔，因此復核的衰變與它的形成細節(jié)沒有關系，可認為它是獨立地衰變。

這種復核模型，并不與核反應的所有事實相符合，有些核反應并不形成復核。例如：用氘核轟擊核時，由于氘核是一個質子和一個中子松松地結合在一起，當它接近靶核時，中子因不受靶核的庫侖力作用而進入靶核內，質子因受核的庫侖力作用被靶核推開拋出去。這過程叫剝裂反應。又如，當氘核接近靶核的表面時，它也可以從靶核中拾起一個中子形成氚核，作（H）為射出粒子而放出。這個過程叫掇拾反應。剝裂反應和掇拾反應都沒有形成復核，而是入射粒子和靶核直接發(fā)生作用的過程。直接作用模型認為，核反應的具體過程是入射粒子和靶核中的一個或幾個核子直接發(fā)生作用，直接交換能量與動量所產生的。

4 結合能

在原子核物理的教學中，結合能的概念是一個難點。其實，關于結合能的概念在化學上已經初步建立了。例如，自由原子結合為分子時所放出的能量，我們就可以稱之為這些粒子的化學結合能。結合能的數值愈大，表明形成的分子愈穩(wěn)定，如氫分子結合能為電子伏特（eV），氯分子為2.5eV，汞分子則小于0.1eV，說明其中汞分子最不穩(wěn)定，氫分子最穩(wěn)定。

在教學中，我們可以由此引入原子核的結合能。分散的核子（自由質子和自由中子）組成原子核時所放出的能量稱為原子核的結合能。一個原子核結合能的數值愈大，這個核就愈穩(wěn)定。原子核的結合能以百萬電子伏特（MeV）為單位。

原子核的結合能除以核內的核子數（質子數加中子數）A，就得到每一個核子的平均結合能。大多數原子核的平均結合能在8MeV左右。很輕的和很重的一切核（即元素周期表上兩端的一些原子核）其平均結合能則較小。由Z=1的元素氫到Z=36的元素氪，大體上是增加的（少有起伏），由Z=36起到Z=92的元素鈾，平均結合能則緩慢地下降到7.8MeV。對于大多數中等質量數的核，平均結合能大體上為8.6MeV。因此，當重核裂變?yōu)檩^輕的核或輕核聚變?yōu)檩^重核時，都是平均結合能較小的核轉變?yōu)槠骄Y合能較大的核，即在結合過程中都有能量釋放出來。

在結合能的教學中，很容易產生一個混淆的概念。我們說過，當把一個物體從機械能較小的狀態(tài)轉變?yōu)闄C械能較大的狀態(tài)是需要外力作功的，即消耗其他形式的能量。而原子核從平均結合能較小的核，轉變?yōu)槠骄Y合能較大的核時，卻放出原子核能。結合能是以粒子從自由狀態(tài)結合為一個復合粒子時所放出的能量來表征的。結合能愈大，表示在結合過程中放出的能量愈多。而機械能是用物體作功的本領來表征的，物體的機械能愈大，表示物體作功本領愈大，物體要具有更大的機械能，就必須外界輸入更多能量來轉換。