戈雪

【摘要】高中物理選修3-5中的十九章原子核中第二節(jié)，講課的時(shí)候有很多同學(xué)對(duì)原子核的衰變很感興趣。覺得如果改變了原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)就可以把其他的元素直接變成金子呢？而課上已給出答案，但課后反思時(shí)有所感悟。

【關(guān)鍵詞】衰變 元素 能源

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）20-0247-01

這篇小文章我以歌德的一句話引入再合適不過了“點(diǎn)燃你的思緒，讓想象力如熾熱的火焰般在形象比喻的領(lǐng)域里，肆意奔放”。經(jīng)濟(jì)社會(huì)人們都以現(xiàn)實(shí)的利益為先，在物理3-5教科書中的第70頁中開篇講述了從古論今人們都在追求“點(diǎn)石成金”之術(shù)，但都以失敗告終。而人為做不到的事情通過大自然某種途徑卻可以，這就是天然的放射性元素的“衰變”。從教學(xué)中發(fā)現(xiàn)大自然力量不可估計(jì)。從宏觀的物質(zhì)變化到微觀的原子核衰變，一切都在悄然生息的發(fā)生和有序的控制中。

教學(xué)中給學(xué)生講述了衰變的概念：放射性元素衰變是從一種元素變成另一種元素。在元素周期表中排列順序在大于83號(hào)以后原子核大多都不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)的轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N新核。1896年法國(guó)的貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾和含鈾的礦物能發(fā)射出看不見的射線，1897年盧瑟福在測(cè)量鈾礦物發(fā)射的射線時(shí)證明此射線有兩種穿透能力，后來居里夫婦對(duì)其進(jìn)行了深入的研究發(fā)現(xiàn)了鐳和釙這兩種新的元素。鐳和釙這兩種元素多數(shù)在我們生活中是很常見的，比如修路時(shí)用的瀝青，還有石油這都是我們身邊的能源，而能源問題又是每個(gè)國(guó)家最關(guān)心的問題，如果可用能源一旦枯竭我們的生活會(huì)變成什么樣？新能源什么時(shí)候會(huì)替補(bǔ)上來？會(huì)對(duì)我們生活的環(huán)境有所改善嗎？這些都可能讓人想繼續(xù)研究元素衰變會(huì)變成什么？在衰變中有什么產(chǎn)生呢？

衰變的種類：α衰變、β衰變、γ衰變、β+衰變、EC衰變、IT衰變、n衰變、P衰變、SF等，但高中只要求學(xué)生掌握前兩種就可以。

α衰變是原子核放出一個(gè)α粒子（24He）質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，成為一個(gè)新核即新核在元素周期表中位置比原來核的位置向前移兩位。例如：92238U→90234Th+24He

β衰變是原子核放出一個(gè)電子，新生成的核與原來核質(zhì)量數(shù)相同，電荷數(shù)增加1，即新核在元素周期表中位置比原來的位置向后移一位例如：90234Th→91234Pa+0-1e

以上兩組數(shù)據(jù)表明原子核衰變時(shí)，電荷數(shù)（Z）和質(zhì)量數(shù)（A）都守恒。當(dāng)然在得出這個(gè)規(guī)律的時(shí)候并不是只有這兩組數(shù)據(jù)。這里要特別注意：方程式中的質(zhì)量數(shù)守恒不等于質(zhì)量守恒（在衰變中質(zhì)量是有虧損的，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)量虧損方程：△E=△mc2進(jìn)行計(jì)算）其實(shí)細(xì)心的人可能會(huì)發(fā)現(xiàn)講課中的原子核是由質(zhì)子和中子組成，內(nèi)部根本就沒有電子和α粒子（24He），那這兩種衰變釋放的這兩種粒子是從哪里來的？讓學(xué)生進(jìn)行思考。其實(shí)電子是衰變過程中原子核內(nèi)部一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)?1H時(shí)產(chǎn)生的.每發(fā)生一次β衰變?cè)雍藘?nèi)減少一個(gè)中子，減少的那個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)?1H和0-1e，其中質(zhì)子留在原子核內(nèi)部使其電荷數(shù)增加電子發(fā)射出去。原子核每發(fā)生一次α衰變同時(shí)減少兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，而2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子能十分緊密地結(jié)合在一起，在一定條件下它們會(huì)作為一個(gè)整體從較大的原子核中拋射出去，形成α射線，核反應(yīng)方程：211H+210n→24He

有的同學(xué)會(huì)產(chǎn)生疑問，核反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)有什么區(qū)別？核反應(yīng)指在原子核內(nèi)部，核子數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，而化學(xué)反應(yīng)是在原子核外最外層電子數(shù)發(fā)生變化，兩者存在本質(zhì)不同，核反應(yīng)不可逆。

核反應(yīng)的生成物一定要以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，不能依據(jù)兩個(gè)守恒規(guī)律杜撰生成物來寫核反應(yīng)方程。放射性元素的衰變不論是α衰變還是β衰變都會(huì)伴隨γ射線的放出，γ射線是光子不帶電沒有靜止質(zhì)量。它的放出不改變?cè)雍说碾姾?，?duì)質(zhì)量的影響極其微小。這就說明原子核的衰變是同時(shí)發(fā)生的，一起會(huì)釋放出三種射線，課本中還指出了原子核能量的量子化。

如果把這些放射性元素中的某種元素單獨(dú)收集起來，通過觀察和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證會(huì)發(fā)現(xiàn)這種單一的元素會(huì)逐漸減少。不同的元素減少的多少和快慢是有一定規(guī)律的，這就是課本中提到的半衰期。放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時(shí)間就叫做這種元素的半衰期。在放射衰變的過程中遵循：N=N0e-λt式子中的N0是時(shí)間t=0時(shí)的原子核數(shù)目，N是經(jīng)過t時(shí)后還存留的原子核數(shù)目。這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在足夠多的原子核中每一個(gè)核在什么時(shí)候發(fā)生變化是不能預(yù)知的。因?yàn)榉派湫栽厮プ兊目炻怯珊藘?nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系。因?yàn)椴徽撊藶榈母淖兪裁赐饨鐥l件來都不會(huì)影響原子核的結(jié)構(gòu)。那這就說明了人類想人工干預(yù)原子核的衰變，把某種元素改變成“金子”是不可能的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-5[M].長(zhǎng)春：人民教育出版社，2016年7月