人教版《物理》选择性必修第三册“第五章 原子核”编写说明

摘 要：对人教版《物理》选择性必修第三册“第五章 原子核”的编写意图进行梳理、说明.依据课程标准要求概述全章内容，展现教科书编写的逻辑线索，对教科书中如何落实学科的核心素养目标进行了解读.在具体说明中，围绕本章的具体内容逐节细致说明并给出教学建议.

关键词：原子核;放射性;原子核衰变;物质结构;物理核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）09-0021-04

作者简介：彭征（1978-），男，河北人，博士，副编审，研究方向：物理课程与教材.

1 本章概述

本章是在原子结构的基础上，进一步学习原子核的有关知识，落实了《普通高中物理课程标准（2017年版）》中3.3.2-3.3.5条内容标准的要求.

3.3.2 了解原子核的组成和核力的性质.知道四种基本相互作用.能根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程.

3.3.3 了解放射性和原子核衰变.知道半衰期及其统计意义.了解放射性同位素的应用，知道射线的危害与防护.

3.3.4 认识原子核的结合能，了解核裂变反应和核聚变反应.关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响.

3.3.5 了解人类对物质结构的探索历程.

本章的主要内容涉及原子核的组成、核力与结合能、核反应、衰变和半衰期、裂变、聚变和基本粒子.

第1节开宗明义地指出，关于原子核内部的信息，最早来自天然放射现象，因此，首先介绍贝可勒尔和居里夫妇对天然放射现象的研究和“射线到底是什么”，然后介绍质子和中子的发现和原子核的组成.第2节紧接第1节的思路，指出天然放射现象产生的機制，即原子核的衰变以及用半衰期描述衰变遵从的规律，然后介绍了核反应、放射性同位素及其应用，最后特别强调了辐射与安全的相关问题.本章接下来的两节关注的是通过裂变或聚变释放核能，即通过裂变或聚变产生的质量亏损以能量的方式释放出来，这是当前人类利用核能的主要方式.根据这个思路，第3节首先介绍了四种基本相互作用，然后介绍了结合能和比结合能的概念，并结合质量亏损与原子核比结合能曲线认识到中等质量的核最稳定.在此基础上，第4节分别从重核裂变和轻核聚变两个方面介绍当前利用核能的两条途径，既较为详细地介绍了利用裂变的反应堆与核电站，又介绍了磁约束和惯性约束两种可控核聚变的方案.本章的最后，在第5节介绍了粒子物理学中的一些基本知识，如粒子分为强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子几种类别，还有夸克与粒子物理标准模型，旨在帮助学生对物理学的前沿发展有所了解，对物质形成较为完整的认识.

编者在编写教材时，在发展学生核心素养方面有如下考虑.

1.1 物理观念

本章主要涉及到原子核以及“基本粒子”所处的微观世界，教科书中还安排了一些中学生能够接受又符合《课程标准》要求的新内容、新知识，如基本粒子模型、夸克模型、磁约束和惯性约束、各种新粒子等.这些内容反映了物理学的最新进展，增强了教科书的时代性，能够帮助学生建立起比较完整的物质观念.而对于这些粒子物理中的基础知识和基本概念，教科书的阐述力求准确清楚、层次分明、严谨扎实，充分体现了高中物理课程的基础性.

对于本章中天然放射现象、半衰期、结合能、裂变与聚变反应、链式反应、原子核的组成、核力的性质、裂变反应堆的工作原理以及夸克模型等知识，在可接受的原则下尽量阐明它们的物理本质和建立这些概念、理论的思维过程.例如，第3节“核力与结合能”中的结合能是本章重要的基础知识，教科书就进行了比较充分的阐述：首先从学生熟悉的宏观现象出发，回顾两个物体为了结合而付出的代价——失去了一部分能量;然后又讨论了类似的情形，即氢原子的电离也需要吸收能量;由此类推核子结合成原子核也要失去一部分能量，从而引出结合能的概念，又在此基础上介绍了比结合能的概念;之后在介绍质量亏损的内容中特地安排了一个例题，让学生从具体的事例中认识到什么是质量亏损，从而从质量亏损推知原子核的结合能.这样就对结合能形成了一个比较完整的认识.

由于本章涉及的概念在学生以前的学习中了解不多，因此在教科书中还尽量注意和学生比较熟悉的电磁学等方面的基础知识相联系.例如，在介绍“受控热核反应”的磁约束时，就回顾了有关磁场的基础知识：带电粒子运动时在均匀磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质，这就是磁约束.

教科书还通过大量生动、形象的图片来展示原子核的内部结构和核反应的过程.其中既有生产和科研中使用的核反应堆、铀矿、威尔逊云室、放射治疗、强子对撞机等装置或实物的图片，又有抽象的原子核、同位素、α衰变、β衰变、氡的衰变、强相互作用、核裂变、链式反应、核聚变等抽象过程的示意图.这种形象化的设计，有助于帮助学生对这些微观世界的相关内容形成较为直观的认识，从而完善对物质的认识.

1.2 科学思维

在展现原子核、核能的利用等物理知识的过程中，教科书始终贯穿了培养科学思维这条暗线，即不仅要让学生知道科学家做了什么实验，观察到什么现象，进行了什么样的推理，而且要让学生感悟到科学家为什么要这样去做、为什么会这样去做.

例如，在“原子核的组成”一节，教科书的阐述思路是：首先提出问题，指出原子核内部的信息最早来自天然放射现象，人们是怎样从天然放射现象一步步揭开了原子核秘密的.然后介绍贝克勒尔、居里夫妇等人对天然放射现象和射线性质的研究.在此基础上指出实验发现，如果一种元素具有放射性，那么，无论它是以单质存在，还是以化合物形式存在，都具有放射性.由于元素的化学性质决定于核外的电子，这就说明射线与核外电子无关，也就是说，射线来自原子核.既然β射线（电子）、α射线（氦核）都来自原子核，就得到结论：原子核内部是有结构的.最后，介绍了卢瑟福、查德威克等人通过实验证实了质子和中子的存在，从而确定了原子核的组成.这样，学生不仅逐步了解了原子核的结构，而且经历了分析和解决问题的过程，感悟了探索微观世界的方法——实验事实加科学思维，即在观察、实验得到的确切的物理事实（信息）和已有知识基础上进行科学思维（猜想和推理）以得出科学结论.当然这个结论还将经受更多的实验和观察得到新的事实的检验.本节的最后，还专门通过“科学漫步 天然放射现象的发现”栏目，回顾了贝克勒尔、居里夫妇发现天然放射现象的历史，帮助学生感受科学研究的过程.

与“原子核的组成”类似，在之后的各节中，教科书也分别从理论和实践的不同角度提出问题，包括：是否能让一种元素变成另一种元素、什么力量使质子束缚在一起、怎样转化和使用核能、新粒子有什么关系等，进而引出教科书的相关内容，从而引发学生的思考与学习兴趣.

此外，教科书还强调统计概率思想在微观世界探索中的重要性.在讲到半衰期时，教科书通过旁批强调：“衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于‘单个的微观事件是不可预测的.”然后在正文中指出“然而，量子理论可以对大量原子核的行为作出统计预测.……放射性元素的半衰期，描述的就是这样的统计规律.”

1.3 科學探究

原子核的内容涉及了大量的实验.需要注意的是，猜想和假说本身就是在对大量实验数据分析的基础上提出的，而所提出的新的假说或根据假说提出的一些可检验的预见又必须经受实验的检验.例如，质子、中子的发现，原子核结构模型的提出都是如此.因此，教科书直接介绍或提及了卢瑟福的“α粒子散射实验”，查德威克的“发现中子实验”，天然放射现象发现历程中的一系列实验、哈恩的裂变实验、费米建立第一个核反应堆、钱三强和何泽慧夫妇发现铀核三分裂和四分裂等大量探究微观世界的实验.

此外，由于本章的内容不适合学生实际动手操作，因此教科书侧重展示了科学探究过程中“猜想”的要素.对于微观世界，人们看不见摸不着，如果缺乏丰富的想象力，不能从现有的经验、知识和观察对实验现象进行大胆的、富于想象力的猜想，就不可能设计出新的有针对性的实验和创新理论构建，就没有今天物理学的辉煌成就.在讲述原子核的组成时，教科书就直接展示了科学家的研究过程：首先提出问题，讨论原子是否只由质子组成，如果是的话，所有原子的比荷都是相同的;然后指出这个推测与实际情况不符;因此卢瑟福提出猜想“原子核内可能还存在着另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电”;这个猜想由查德威克通过实验证实.为了帮助学生进一步思考这个猜想的依据，在节后的“问题与练习”中还配置了一个简答题，让学生讨论“有什么理由可以认定原子核中一定还存在着另外不同种类的粒子？”.

1.4 科学态度与责任

核能最为重要的应用，在于作为一种重要的新能源的广泛应用前景，教科书从章首语开始就指出了核能发电对于能源问题的重大作用.核能包括裂变能和聚变能.对于裂变，教科书在阐明原理的基础上，还介绍了一些原子弹和反应堆与核电站的技术细节，最后通过对核电站和火电站消耗能源具体数据的比较，展现了核电发电的巨大优势.而对于核聚变这一获得核能的另一重要途径，教科书介绍了核聚变的原理、特点以及目前的研究进展.最后指出，人类对聚变的研究已取得了一定的成果，但目前聚变所获得的核能还只能用于核武器中.和平利用聚变所产生的核能还在研究之中，虽然取得一些进展，但技术还不成熟.从而让学生对科学技术的不断发展变化有所感悟.

教科书同时对核能技术应用中可能出现的问题，也进行了讨论.主要集中在辐射的危害、核泄漏和核废料处理等方面，并提出了要遵守放射性同位素操作流程、防止污染、竖立标志、用特制容器深埋核废料等措施.通过对这些问题的介绍和讨论，教科书希望让学生认识到，科学技术对人类生活和社会发展的积极影响，但同时也会带来一系列问题，人类必须尊重自然，遵循自然规律.

课时安排建议：

第1节 原子核的组成1课时

第2节 放射性元素的衰变1课时

第3节 核力与结合能1课时

第4节 核裂变与核聚变1课时

第5节 “基本”粒子1课时

2 具体说明

2.1 第1节 原子核的组成

本节内容包括天然放射现象、射线的本质和原子核的组成三部分内容.教科书首先介绍了科学家研究发现天然放射现象在自然界是大量存在的，具有天然放射性的元素种类很多.然后从强磁场中放射性物质放出的射线分成三束的实验事实出发，介绍α射线、β射线和γ射线，并通过对这三种射线的研究，确认射线来自原子核，进而介绍原子核的组成.原子核的组成是比较抽象的，因此教科书注意引导学生把微观机制和相关的实验紧密地联系在一起，通过展示科学家实验、猜测、再实验的探索过程，建立原子核的模型.

本节还通过“拓展学习”栏目介绍了粒子实验中使用的威耳逊云室，威耳逊云室是核物理研究中最基本、最常用的实验仪器.通过对实验的观察和对仪器原理的介绍，可以让学生知道，研究原子核变化中的微观现象，可以根据各种粒子产生的宏观效应来观察，并在观察的基础上分析推理，进而作出预测和判断.

此外，本节中的“科学足迹”栏目中介绍了“天然放射现象的发现”，从物理学史的角度系统地展现了科学家探索微观世界的方法：观察宏观现象（贝可勒尔发现一种能够使照相底片感光的神秘射线）—猜想（这种射线不是X射线，它来自原子核内部）—反复实验，对猜想进行验证（居里夫妇用不同元素进行实验，发现钍、钋、镭等都具有放射性）—得出科学的结论（放射现象与元素种类有关，发生在原子核内部）.

2.2 第2节 放射性元素的衰变

本节介绍了原子核的衰变、半衰期、核反应、放射性同位素及其应用等知识.从内容上来讲这些知识非常抽象，从掌握知识的角度来讲理解、记忆的成分较多.因此本节教科书注意与前面学过的相关知识（特别还包括化学知识）进行联系，并用类比的方法，注重知识的迁移.例如，引入的问题从“点石成金”出发，讨论一种元素是否会变成另一种元素;结合化学知识，运用质量数守恒和电荷数守恒的规律分析α衰变和β衰变的衰变方程式;用数学的统计规律理解和计算半衰期等.

在“原子核的衰变”最后一部分，教科书还强调原子核的能量变化和原子的能量变化一样都是不连续的，具有量子化特征，与上一章呼应，体现了物理知识的系统性.

在“放射性同位素及其应用”部分，教科书介绍了通过原子核的人工转变研究原子核结构（核反应）、发现和制造新元素的研究方法，比较了人工放射性同位素和天然放射性物质的区别，并列举了大量实例，包括直接利用射线测厚、治疗、培优等，以及作为示踪原子进行生物和医学研究.在“科学漫步”栏目中介绍了“碳14测年技术”——碳14测年技术的原理和在测古木、基本建设等方面的应用.

2.3 第3节 核力与结合能

本节教材是在学生已经掌握了原子核是由质子和中子组成的基础上，探究是什么作用使得质子和中子可以有机地组成一个稳定的整体.为此，教材首先安排了“核力与四种基本相互作用”，在回顾引力与电磁相互作用后，指出带正电的质子之间存在排斥力，由此发现是强相互作用将原子核中的核子结合在一起的，最后指出物理学家从放射现象发现，在核内还存在弱相互作用.

从力的角度认识了原子核后，教科书又通过“结合能”的教学从能量的角度再次认识原子核，即要拆散原子核必须赋予原子核能量，这个能量就是原子核的结合能.教科书通过“思考与讨论”栏目进一步分析结合能的意义.对于比结合能的概念，使学生知道比结合能越大，意味着把同样数量的核子分开所需要的能量越大，说明核子的结合越牢固，原子核越稳定.

要理解质量亏损，需要注意一定的质量和一定的能量是相对应的，原子核在变化时其变化前后的总质量是不同的，这种质量的差异对应的就是核反应中所吸收或释放的能量.通过例题计算氘核的结合能，不仅能够帮助学生理解结合能的概念与计算，也为后面不同原子比结合能的大小留下直观的印象.通过不同原子核的比结合能的图像可以清楚地看到：中等质量的核比结合能最大，一方面说明中等质量的核最牢固;另一方面说明由轻核结合为中等质量的核，或由重核分裂为中等质量的核都会出现新的质量亏损.这个结论也为下一节做好了铺垫.

2.4 第4节 核裂变与核聚变

本节在上一节的基础上，介绍了核能利用的两种方式——核裂变和核聚变.当发生核反应，从一种核变成另一种核时，结合能会发生变化.比如，由结合能小的核变成结合能大的核，就可能有能量释放出来.这种在核反应中释放出来的能量就是核能，而改变原子核就是人们获取核能的基本途径.

对于裂变的产生及其利用，教科書沿核裂变的发现—链式反应—核反应堆（可控链式反应）—核电站这条主线展开.其中核裂变的发现，包括裂变过程中能放出巨大的能量、裂变的同时能放出2-3个（或更多）中子、裂变的产物不唯一等特点.而要维持链式反应，就要减少裂变物质中的杂质（要浓缩铀），还要增大裂变物质的体积，这就引入了临界体积的概念.关于核反应堆，则较为详细地介绍了它的组成与结构、用途与防护.此外，教科书还特别提到了我国科学家钱三强、何泽慧夫妇对铀核裂变的实验研究和成果得到了广泛的认可和赞赏.

而对于核聚变这一获得核能的另一重要途径，教科书介绍了核聚变的原理、特点以及目前的研究进展.人类对聚变的研究已取得了一定的成果，但目前聚变所获得的核能还只能用于核武器中.和平利用聚变所产生的核能还在研究之中，虽然取得一些进展，但技术还不成熟.其中还特别突出反映了我国在磁约束和惯性约束核聚变领域的成就——环流器装置EAST和“神光Ⅲ”激光约束核聚变研究装置.

2.5 第5节 “基本”粒子

本节介绍了粒子物理学中的一些基本知识，学生有常识性的了解就可以了.粒子物理学是当代物理发展的前沿领域，因此本节教科书涉及了一些科学技术的最新发展成果.例如，通过图表的形式，展现了粒子物理从20世纪30年代到21世纪的重大发现;图文介绍了2008年才开始运行的大型强子对撞机;粒子的分类改为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子;介绍夸克和粒子物理标准模型，等等.

此外，本节教科书还进一步完善了“科学漫步”栏目，介绍了华人科学家在粒子物理学领域的杰出贡献，较为详细地展示了赵忠尧、谢玉铭、王淦昌、杨振宁、李政道、吴健雄、丁肇中等华人科学家的科学贡献.这些内容不仅突出我国科学家的贡献，增强学生的民族自豪感，也会激励学生的学习热情.

通过本节的学习，学生能够体会到科学探索是永远没有尽头的，人类对真理的追求也是永无止境的.随着科学技术的不断进步，粒子物理学必然会踏上更高的台阶，不断加深人们对自然界物质的本质的认识.

（收稿日期：2021-02-20）