郭子朋 張平 卞景垚 孫民華 姚秀偉

摘 要：證據(jù)意識是科學(xué)思維素養(yǎng)重要的核心要素，了解放射性衰變統(tǒng)計規(guī)律實驗，助力提升學(xué)生的證據(jù)意識，辯證理解原子核衰變規(guī)律的隨機性與統(tǒng)計性的關(guān)系，促進科學(xué)思維發(fā)展.

關(guān)鍵詞：放射性;衰變;創(chuàng)新實驗;證據(jù)課堂

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）09-0047-02

基金項目：黑龍江省2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（項目編號：202010231069）;2021年度哈爾濱師范大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究一般項目（項目編號：XJGYF2021048）;2020年黑龍江省高校基本科研項目（項目編號：2020-KYYWF-0366）.

作者簡介：郭子朋（2000-），男，黑龍江人，本科生，研究方向：物理學(xué);

張平（2000-），女，黑龍江人，本科生，研究方向：物理學(xué).

通訊作者：孫民華（1969-），男，山東人，博士，教授，研究方向：凝聚態(tài)物理;

姚秀偉（1977-），女，黑龍江人，碩士，副教授，研究方向：課程與教學(xué)論.

“放射性元素的衰變”是人教版教材（2017年版）選擇性必修第三冊第五章的一節(jié)內(nèi)容.《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對本節(jié)內(nèi)容的要求是：了解原子核衰變，知道半衰期及其統(tǒng)計意義.原子核衰變的統(tǒng)計意義理解起來具有一定的抽象性，本文創(chuàng)新設(shè)計近代物理“放射性統(tǒng)計規(guī)律的驗證”實驗，并將創(chuàng)新后的實驗用于中學(xué)物理教學(xué)，為抽象的結(jié)論性描述提供證據(jù)支持，助力打造證據(jù)課堂，促進學(xué)生對原子核衰變規(guī)律的辯證理解，并助力提升學(xué)生的證據(jù)意識，促進科學(xué)思維發(fā)展.

1 實驗的創(chuàng)新設(shè)計

用天然鈾礦石代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗用的人工放射源.鈾礦石放射強度小，比人工放射源更安全.該鈾礦石含有鈾235和鈾238兩種同位素，其中鈾238的豐度約99%.鈾238的衰變是一個多過程衰變，在連續(xù)的衰變過程中，會放出α射線和β射線，還會伴隨γ射線輻射，便于通過檢測γ射線來測量原子核衰變數(shù)量.

用微機多道譜儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗用的G-M計數(shù)管，作為檢測射線的儀器.G-M計數(shù)管測量的衰變是各個衰變過程的總和，而微機多道譜儀可以選擇特定的衰變過程進行有針對性的測量，使測量結(jié)果的物理意義更清晰.整個微機多道譜儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括脈沖多道分析器、閃爍探測器和計算機等.閃爍探測器是其核心部件，包括閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子儀器.譜儀檢測射線的工作過程如下：閃爍體與射線相互作用并產(chǎn)生閃爍光（光子），包圍在閃爍體周圍的反射物質(zhì)使光子射向光電倍增管，由于光電效應(yīng)產(chǎn)生電子，引起電流或電壓脈沖，經(jīng)電纜傳輸?shù)诫娮觾x器（脈沖多道分析器屬于電子儀器的一部分）中，脈沖分析器用于分析射線能譜，根據(jù)能譜的特征峰面積可以計算放射性衰變的數(shù)量（二者成正比）.

2 實驗結(jié)果和教學(xué)應(yīng)用

關(guān)于原子核衰變的規(guī)律，教材中指出：放射性元素的半衰期描述的是統(tǒng)計規(guī)律，而對于一個特定的原子，我們只知道它發(fā)生衰變的概率，而不知道它將何時發(fā)生衰變，并通過旁批引導(dǎo)學(xué)生思考微觀世界規(guī)律的特征之一即“單個微觀事件不可以預(yù)測”，也就是說，隨機性與統(tǒng)計性同時存在于原子核衰變規(guī)律中.原子核衰變的統(tǒng)計規(guī)律實驗用于本節(jié)教學(xué)可以為學(xué)生理解教材內(nèi)容提供數(shù)據(jù)證據(jù)，還可以引導(dǎo)學(xué)生深入探究原子核衰變規(guī)律、辯證理解隨機性與統(tǒng)計性的關(guān)系.

2.1 利用實驗數(shù)據(jù)證明放射性衰變的隨機性

將天然鈾礦石放于鉛盒內(nèi)，置于閃爍探測器下方，使射線只通過鉛盒上表面的小孔進入探測器中.利用多道分析器選擇性分析由鉍214衰變?yōu)獒?14時放出的γ射線的特征峰，然后通過求特征峰面積的方法，重復(fù)測量100組相同時間間隔內(nèi)的衰變次數(shù)，每組數(shù)據(jù)測量時間為40秒，測量數(shù)據(jù)見表1.具體教學(xué)實施時，可根據(jù)教學(xué)時間靈活安排測量次數(shù)和每組測量時間，或者將部分測量安排在課外.

由表1數(shù)據(jù)可以看出，相同實驗條件下、相同時間間隔內(nèi)原子衰變次數(shù)漲落很大，這正是放射性衰變隨機性的實驗表現(xiàn)，實驗數(shù)據(jù)直觀證明了原子核衰變的隨機性特點，即“某一時間內(nèi)，有時衰變的核多些，有時少些”，所以數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動，為教材所描述的“對于一個特定的原子，我們只知道它發(fā)生衰變的概率，而不知道它將何時發(fā)生衰變”提供數(shù)據(jù)證據(jù).

2.2 通過深入探究理解放射性衰變的統(tǒng)計性

將表1中的數(shù)據(jù)繪制成衰變次數(shù)隨時間變化的圖像（如圖2），可以看出數(shù)據(jù)是圍繞某一數(shù)值上下漲落的，說明原子核衰變除了具有隨機性，還存在其它的規(guī)律.利用課外活動時間，在學(xué)生認(rèn)識核輻射的防護知識基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)并指導(dǎo)學(xué)生將測量數(shù)據(jù)增加到300組，并對300組數(shù)據(jù)進行處理，求出平均值，統(tǒng)計衰變在不同次數(shù)區(qū)間出現(xiàn)的概率，如圖3所示的矩形部分.圖像顯示：衰變次數(shù)區(qū)間與平均值（635次/40秒）所在區(qū)間偏差越小的，出現(xiàn)的概率越大，且整體呈現(xiàn)出正態(tài)分布規(guī)律.用正態(tài)分布函數(shù)進行數(shù)據(jù)擬合（圖3曲線部分），擬合度為0.96615，說明原子衰變概率的分布與正態(tài)分布曲線吻合度很高.

實驗探究可以幫助學(xué)生更好地理解放射性衰變的統(tǒng)計規(guī)律.同時借助不同測量時間（20秒和40秒）衰變概率曲線正態(tài)分布擬合度的不同（如圖4），可以讓學(xué)生認(rèn)識到測量時間越長（衰變的原子核越多），放射性衰變越符合正態(tài)分布，從而辯證地認(rèn)識科學(xué)規(guī)律.

3 結(jié)束語

證據(jù)意識是“科學(xué)思維”素養(yǎng)的核心要點之一，證據(jù)課堂是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識的主陣地.通過創(chuàng)新移植“放射性衰變的統(tǒng)計規(guī)律”實驗至中學(xué)物理課堂，為抽象的結(jié)論提供形象的證據(jù)，可以助力打造證據(jù)課堂，提高學(xué)生的證據(jù)意識，繼而提高學(xué)生的“科學(xué)思維”素養(yǎng).

參考文獻：

[1]龐蓉，宋晶晶，梁婷.用閃爍探測器驗證放射性衰變的統(tǒng)計規(guī)律[J].大學(xué)物理實驗，2012，25（05）：20-21+23.

[2]魏懷鵬，張志東.近代物理實驗[M].天津：天津大學(xué)出版社，2010.

（收稿日期：2021-02-22）