创新实验助力 打造证据课堂

郭子朋 张平 卞景垚 孙民华 姚秀伟

摘 要：证据意识是科学思维素养重要的核心要素，了解放射性衰变统计规律实验，助力提升学生的证据意识，辩证理解原子核衰变规律的随机性与统计性的关系，促进科学思维发展.

关键词：放射性;衰变;创新实验;证据课堂

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）09-0047-02

基金项目：黑龙江省2020年大学生创新创业计划项目（项目编号：202010231069）;2021年度哈尔滨师范大学高等教育教学改革研究一般项目（项目编号：XJGYF2021048）;2020年黑龙江省高校基本科研项目（项目编号：2020-KYYWF-0366）.

作者简介：郭子朋（2000-），男，黑龙江人，本科生，研究方向：物理学;

张平（2000-），女，黑龙江人，本科生，研究方向：物理学.

通讯作者：孙民华（1969-），男，山东人，博士，教授，研究方向：凝聚态物理;

姚秀伟（1977-），女，黑龙江人，硕士，副教授，研究方向：课程与教学论.

“放射性元素的衰变”是人教版教材（2017年版）选择性必修第三册第五章的一节内容.《高中物理课程标准（2017年版）》对本节内容的要求是：了解原子核衰变，知道半衰期及其统计意义.原子核衰变的统计意义理解起来具有一定的抽象性，本文创新设计近代物理“放射性统计规律的验证”实验，并将创新后的实验用于中学物理教学，为抽象的结论性描述提供证据支持，助力打造证据课堂，促进学生对原子核衰变规律的辩证理解，并助力提升学生的证据意识，促进科学思维发展.

1 实验的创新设计

用天然铀矿石代替传统实验用的人工放射源.铀矿石放射强度小，比人工放射源更安全.该铀矿石含有铀235和铀238两种同位素，其中铀238的丰度约99%.铀238的衰变是一个多过程衰变，在连续的衰变过程中，会放出α射线和β射线，还会伴随γ射线辐射，便于通过检测γ射线来测量原子核衰变数量.

用微机多道谱仪代替传统实验用的G-M计数管，作为检测射线的仪器.G-M计数管测量的衰变是各个衰变过程的总和，而微机多道谱仪可以选择特定的衰变过程进行有针对性的测量，使测量结果的物理意义更清晰.整个微机多道谱仪结构如图1所示，包括脉冲多道分析器、闪烁探测器和计算机等.闪烁探测器是其核心部件，包括闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器.谱仪检测射线的工作过程如下：闪烁体与射线相互作用并产生闪烁光（光子），包围在闪烁体周围的反射物质使光子射向光电倍增管，由于光电效应产生电子，引起电流或电压脉冲，经电缆传输到电子仪器（脉冲多道分析器属于电子仪器的一部分）中，脉冲分析器用于分析射线能谱，根据能谱的特征峰面积可以计算放射性衰变的数量（二者成正比）.

2 实验结果和教学应用

关于原子核衰变的规律，教材中指出：放射性元素的半衰期描述的是统计规律，而对于一个特定的原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生衰变，并通过旁批引导学生思考微观世界规律的特征之一即“单个微观事件不可以预测”，也就是说，随机性与统计性同时存在于原子核衰变规律中.原子核衰变的统计规律实验用于本节教学可以为学生理解教材内容提供数据证据，还可以引导学生深入探究原子核衰变规律、辩证理解随机性与统计性的关系.

2.1 利用实验数据证明放射性衰变的随机性

将天然铀矿石放于铅盒内，置于闪烁探测器下方，使射线只通过铅盒上表面的小孔进入探测器中.利用多道分析器选择性分析由铋214衰变为钋214时放出的γ射线的特征峰，然后通过求特征峰面積的方法，重复测量100组相同时间间隔内的衰变次数，每组数据测量时间为40秒，测量数据见表1.具体教学实施时，可根据教学时间灵活安排测量次数和每组测量时间，或者将部分测量安排在课外.

由表1数据可以看出，相同实验条件下、相同时间间隔内原子衰变次数涨落很大，这正是放射性衰变随机性的实验表现，实验数据直观证明了原子核衰变的随机性特点，即“某一时间内，有时衰变的核多些，有时少些”，所以数据出现波动，为教材所描述的“对于一个特定的原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生衰变”提供数据证据.

2.2 通过深入探究理解放射性衰变的统计性

将表1中的数据绘制成衰变次数随时间变化的图像（如图2），可以看出数据是围绕某一数值上下涨落的，说明原子核衰变除了具有随机性，还存在其它的规律.利用课外活动时间，在学生认识核辐射的防护知识基础上，带领并指导学生将测量数据增加到300组，并对300组数据进行处理，求出平均值，统计衰变在不同次数区间出现的概率，如图3所示的矩形部分.图像显示：衰变次数区间与平均值（635次/40秒）所在区间偏差越小的，出现的概率越大，且整体呈现出正态分布规律.用正态分布函数进行数据拟合（图3曲线部分），拟合度为0.96615，说明原子衰变概率的分布与正态分布曲线吻合度很高.

实验探究可以帮助学生更好地理解放射性衰变的统计规律.同时借助不同测量时间（20秒和40秒）衰变概率曲线正态分布拟合度的不同（如图4），可以让学生认识到测量时间越长（衰变的原子核越多），放射性衰变越符合正态分布，从而辩证地认识科学规律.

3 结束语

证据意识是“科学思维”素养的核心要点之一，证据课堂是培养学生证据意识的主阵地.通过创新移植“放射性衰变的统计规律”实验至中学物理课堂，为抽象的结论提供形象的证据，可以助力打造证据课堂，提高学生的证据意识，继而提高学生的“科学思维”素养.

参考文献：

[1]庞蓉，宋晶晶，梁婷.用闪烁探测器验证放射性衰变的统计规律[J].大学物理实验，2012，25（05）：20-21+23.

[2]魏怀鹏，张志东.近代物理实验[M].天津：天津大学出版社，2010.

（收稿日期：2021-02-22）