对原子物理教学中一个问题的探讨

对原子物理教学中一个问题的探讨作者:赵坚昆明第十四中学（2002年10月获由中国物理学会教学委员会、物理通报杂志社举行的“世纪之光”征文一等奖,原载《物理通报》2003年第12期）1引言在一次评课活动中引发出这样一个问题,授课者讲授的内容是现行高中物理第二册（必修）第九章第六节“原子核的人工转变原子核的组成”.该教师在讲完用粒子打击氮核得出发现质子的核反应方程后,说到:“人们用同样的方法使氟、钠、铝等核发生了类似的转变,并且都产生了质子.由于从各种原子核里都能打出质子来,可见质子是原子核的组成部分”（此内容为课文内容）;紧接着在引出中子的教学中又说:“1930年德国科学家玻特（W.Bothe）和贝克（H.Becker）发现用天然放射性元素钋放出的射线轰击铍时,会产生一种看不见的贯穿能力很强的不带电粒子（后被查德威克证实是中子）”.笔者想,既然人们用粒子能从氟、钠、铝等原子序数较小的元素的原子核中打出质子来,但为什么用粒子轰击铍核时打出的不是质子而是中子呢?带着问题笔者查阅研究了有关文献〔1～5〕,试在此作点说明,供大家教学中参考.2关于核反应及其反应能为研究说明问题,首先介绍一下关于核反应和核反应的反应能问题.众所周知,原子核与原子核或原子核与其他粒子（粒子、质子、中子等）之间的相互作用所引起的变化过程,称为核反应.核反应一般可表示为:A+a→B+b式中A和a分别表示靶核和入射粒子,B和b表示剩余核和出射粒子.对于一定的入射粒子和靶核,能发生的核反应过程往往不止一种,例如能量为2.5MeV的氘核轰击Li6时,可产生如下一些反应:He407PLi基态17PLi第一激发态27PLi第二激发态dLi6……式中P0、P1和P2分别表示相应反应中放出的质子.对于每一种核反应的过程,称为一个反应道.反应前的道称为入射道,反应后的道称为出射道.对于同一个入射道可以有若干个出射道,对同一个出射道,也可以有若干个入射道.换言之,各反应道出现的概率是不相等的,而且这种概率随入射粒子能量的变化而不同.在核反应中往往要释放或吸收能量.人们把核反应中释放的能量称为反应能.用Q来表示.Q﹥0的核反应称为放能反应,这种过程能否发生,与初始粒子动能无关（入射粒子任意能量都能发生,即使入射粒子能量很小也能发生.当然实际中对于入射的带电粒子,其能量必须dLi6克服靶核与它的库仑斥力才能接近到可发生核反应）.Q﹤0的核反应称为吸能反应,只有入射粒子的动能达到一定数值才能发生,这个数值叫做吸能反应的阈能.阈能比反应能要大.根据动量守恒定律,在实验室坐标系中,反应前后系统的总动量不变,因此,剩余粒子和出射粒子都具有动量,因而也具有动能.这就决定了入射粒子的动能除了供给在反应过程中被系统吸收的反应能∣Q∣外,还要供给一些额外的能量,以保持系统在反应前后动量的守恒.根据在质心坐标系中,反应前后系统的总动量都等于零,阈能就等于反应能∣Q∣.在实验室坐标系中,可以证明反应阈能:AAathMMmE∣Q∣式中ma、MA分别为A、a的质量.在考虑反应能的情况下,此时可将核反应方程表示为:A+a→B+b+Q式中A和a分别表示靶核和入射粒子,B和b表示剩余核和出射粒子,Q为反应能.3对问题的解答弄清上述问题后,通过计算各种可能发生的核反应中反应热和阈能,也就容易帮助我们找到解答问题的途径.对核反应1101269442QnCBeHe①反应前He424.002603uBe949.01218u反应后C12612.00000un101.008665u反应能Q1=〔（4.002603＋9.01218）－（12.00000＋1.008665）〕×931.5MeV=5.70MeV对核反应2111259442QHBBeHe②反应前He424.002603uBe949.01218u反应后B12512.014343uH111.007825u反应能2Q=〔（4.002603＋9.01218）－（12.014343＋1.007825）〕×931.5MeV=－6.88MeV反应阈能MeV.MeV....Eth9498860121890121890026034从上述计算可见,①式为放能反应,②式为吸能反应.由于当时人们所使用的放射源通常是天然放射性元素Po21484,它释放出的粒子的能量约为5MeV,此能量小于阈能MeV.Eth949,故②式核反应是不可能发生的.这就说明了为什么当时人们用粒子轰击铍核时打出的不是质子而是中子.另外,利用同样的方法也可说明,为什么1919年卢瑟福用粒子轰击氮核时只打出了质子而没有打出中子的主要原因.对核反应31117814742QHONHe③反应前He424.002603uN14714.003074u反应后O17816.999133uH111.007825u反应能3Q〔（4.002603+14.003074）－（16.999133+1.007825）〕×931.5MeV=－1.19MeV反应阈能MeV.MeV....Eth53119100307414003074140026034对核反应41017914742QnFNHe④反应前He424.002603uN14714.003074u反应后F17917.002093un101.008665u反应能4Q〔（4.002603+14.003074）－（17.002093+1.008665）〕×931.5MeV=－4.73MeV反应阈能MeV.MeV....Eth09673400307414003074140026034从计算可见,③④均为吸能反应,但为什么当时卢瑟福做实验时只发现了质子而未发现中子呢?这其中原因笔者认为有二:其一:当时卢瑟福所使用的放射源通常是天然放射性元素Po21484,它释放出的粒子的能量约为5MeV,其值小于阈能thE;另外既便提高粒子的能量,但由于天然放射性元素Po21484所释放出的粒子的能量最大不可能大于10MeV,同时粒子在空气中的射程约为7cm,在空气中每前进1cm消耗的能量大于1MeV,因此只有离放射源非常近的地方的粒子,其能量才有大于阈能thE的可能,故实验中不可能发现中子.其二:中子不带电,基本无荧光效应,因此卢瑟福实验装置中的荧光屏是无法探测到中子存在的.而对核反应③,由于其反应阈能thE=1.53MeV,因此粒子在运动中的能量容易满足大于阈能的要求,这样也就容易产生较多的质子,而质子有较强的荧光效应,故容易被实验装置探测到.致谢:本文初稿曾经北京大学物理学院陈熙谋先生审阅,陈先生对文中一些问题提出有益的意见和建议,在此对陈先生的指导表示感谢!参考文献1王正行.近代物理学.北京:北京大学出版社,19952赵凯华罗蔚茵.新概念物理教程·量子物理.北京:高等教育出版社,20013褚圣麟.原子物理学.北京:高等教育出版社,19794吴知非.原子核物理学.北京:高等教育出版社,19885〔美〕杰拉尔德·霍尔顿等编.葛绳武等译.原子核.北京:文化教育出版社,1984AQUESTIONINTHEATOMICPHYSICSTEACHINGZhaoJian(The14thhighschoolofKun-ming,Kun-ming,Yun-nanProvince,650106,China)AbstractThroughdetailedanalysesandcalculations,wegaveexplanationsfortheobservationoftheneutronknockoutratherthantheprotonfromBebythebeamsfromPo21484decays.ThesamereasonalsoexplainedthatforNitrogentheknockedoutparticlewastheprotonratherthantheneutron.Keywordsproton,neutron,energyproductionreaction,energyabsorptionreaction,reactionthreshold