“原子結構、原子核”問題的高效復習策略
——以物理學家為紐帶進行串聯

韋中燊

原子結構、原子核部分的知識點相對零散,如果能夠以物理學家為紐帶,圍繞“什么時間什么人做出了什么重要的發(fā)現,該發(fā)現在人類認識原子結構和原子核方面有著怎樣的重要意義”這條思維主線,將相關知識點串聯起來,就可以建立起有效的知識網絡,提高這部分內容復習的效率和質量．

1 原子結構部分的幾位主要物理學家與相關的重要事件

原子到底有沒有結構?曾經,在很長的時間里,人們一直都把原子視為構成物質的最小單元．教材之中,關于原子結構這部分內容,正是按照人類認識原子結構的順序展開的．而這段歷史,恰是由幾位著名的物理學家推動的．所以抓住重要人物,熟悉重要事件,有助于構建知識認知的系統網絡．

1.1 湯姆孫、密立根與電子

原子結構部分的開篇就是電子的發(fā)現．關于電子的發(fā)現,主要涉及兩位物理學家:發(fā)現電子的湯姆孫和測定電子電荷量的密立根．湯姆孫通過對陰極射線的研究,發(fā)現了電子,打破了原子不可分的傳統認識,開啟了人們研究原子結構的大門．同時,湯姆孫還提出了原子結構的“棗糕模型”．密立根通過油滴實驗測定了電子的電荷量是1.6×10-19C．

抓住了湯姆孫和密立根,就可以將電子發(fā)現的相關知識聯系到一起,甚至可以將帶電粒子在磁場和電場中運動的問題融合到一起,提升知識復習的廣度和深度．

1.2 盧瑟福與原子的核式結構模型

盧瑟福是湯姆孫的學生,他完成了α粒子散射實驗,推翻了“棗糕模型”,提出了原子的核式結構模型.原子的核式結構模型認為原子中間存在著一個核,集中了所有的正電荷,電子圍繞著原子核在做快速運動．

抓住了盧瑟福,進而詳細了解α粒子散射實驗的現象,以及實驗導致的對原子結構的新認識,就可以把原子的核式結構模型的相關知識聯系到一起．

1.3 玻爾與能級結構理論

原子的核式結構模型很好地解釋了α粒子散射實驗所出現的現象,但是這種結構模型卻遇到了用經典電磁理論無法解釋的問題．因為,按照經典的電磁理論,繞核快速運動的電子會不停地向外釋放電磁波,結果必然會導致原子變得十分不穩(wěn)定,但是,這顯然與事實是不吻合的．所以,為了調和這個矛盾,玻爾提出了他的原子結構模型,也就是能級結構模型．玻爾在承認核式結構的前提下,給電子的運行軌道做了限定,并且規(guī)定當電子在特定軌道上運行的時候并不向外釋放電磁波,只有在不同能級之間躍遷的時候才會出現能量的吸收或者釋放．

了解玻爾,不僅可以明確原子的能級結構理論,更有利于掌握電子在不同能級上的躍遷帶來的光子的吸收或者釋放問題,進而與光的相關問題聯系到一起,構建出一張原子物理與光學之間的宏大物理知識網絡．

例1關于原子模型,下列說法錯誤的是( ).

A. 湯姆孫發(fā)現電子,表明原子具有核式結構

B. 盧瑟福完成的α粒子散射實驗,說明了原子的“棗糕模型”是不正確的

C. 按照玻爾理論,氫原子核外電子從高能級向低能級躍遷時,輻射出光子

D. 按照玻爾理論,原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時,電子的動能減小,原子總能量增加

分析原子結構部分,以物理學家為紐帶,明確是誰做了什么事情，具有什么意義，就可以十分輕松地完成本題．湯姆遜發(fā)現了電子,說明原子不再是構成物質最小的單元,它也是有結構的,但是原子結構到底是什么樣子的?湯姆孫的確進行了猜想,但是他的猜想是“棗糕模型”,而不是核式結構模型．核式結構模型是盧瑟福在完成α粒子散射實驗的基礎上提出的．在玻爾理論中,軌道半徑越大的軌道,對應的能級也越高,核外電子從低能級躍遷到高能級,需要從外界吸收能量,同時電子要克服庫侖引力做功,所以到了新的軌道上之后,電子的動能會降低,但是整體能量會增加,因為增加的是勢能,而且增加的勢能要比減少的動能還多．反過來,當核外電子從高能級向低能級躍遷的時候,會以輻射光子的形式向外釋放能量．

2 原子核部分的幾位主要物理學家與相關的重要事件

電子的發(fā)現打開了原子結構的大門．事實上,人類針對原子結構提出的模型假設,遠不止上面提到的幾種．而隨著認識的進一步加深,科學家們發(fā)現即便是構成原子的原子核,其實也是存在內部結構的．于是,人們對原子的認識便從原子結構層面深入到了原子核結構層面．由外而內,不斷深入,更加微觀．同樣的,這段歷史過程,也離不開物理學家們的奉獻．

2.1 貝克勒耳與天然放射現象的發(fā)現

1896年,出生于科學世家的法國物理學家貝克勒耳發(fā)現了天然放射現象．當然,貝克勒耳當時并沒有把他所發(fā)現的現象稱為“天然放射現象”,給這個現象命名的是著名的物理學家居里夫人．

后來,盧瑟福又進一步研究了天然放射現象,發(fā)現放射性物質所釋放出來的射線分為三類,他便將其分別命名為α射線、β射線和γ射線．因為對這三種射線的深入研究,盧瑟福獲得了1907年的諾貝爾物理學獎．天然放射現象的發(fā)現,充分說明原子核其實也是有內部結構的．

三種射線各自的來源不同,本質不同,表現出來的特征也不同.它們的穿透能力、電離能力、在電磁場中的偏轉情況,以及放射性物質的半衰期、相關應用等知識可以有機地融合在一起進行復習．

2.2 盧瑟福、查德威克與兩種核子的發(fā)現

既然原子核也是有內部結構的,那么原子核里面到底有什么?

1919年,盧瑟福做了用α粒子轟擊氮原子核的實驗,根據這個實驗,他發(fā)現了質子．發(fā)現了質子之后,盧瑟福又大膽預言,原子核之中除了質子之外,還應該存在一種中性的粒子．1932年,查德威克在參考了前人工作的基礎上,宣布發(fā)現了中子．在發(fā)現中子的過程中,查德威克同樣也做了一個α粒子轟擊實驗,不過他轟擊的對象是鈹原子核．

抓住兩個重要的發(fā)現,以及兩個發(fā)現相對應的方程,再以方程為基礎,構建起另一個知識網絡,那就是“三類六個方程”,具體如下:

第一類:人工核反應方程，即質子的發(fā)現方程和中子的發(fā)現方程．

第二類:衰變方程,即α衰變方程和β衰變方程．

第三類:核裂變和核聚變方程．

以三類六個方程為基礎,原子核部分的相關內容就完整地融入一個比較系統的知識網絡之中.以網絡上的知識節(jié)點為基礎展開,再聯系相關的細節(jié),整個復習就會變得既有條理性,又有豐富度．

例2下列核反應方程中,屬于α衰變的是( ).

分析本題中涉及的四個核反應方程,正是原子核部分所涉及的主要內容．其中,選項A是一個α衰變方程,而選項C是一個β衰變方程,選項B是核聚變方程,D是盧瑟福發(fā)現質子的人工核反應方程．顯然,關于原子核部分的考查,不一定是以人物和歷史事件為考查對象,但是在復習的時候如果能夠抓住人物和事件,所謂的方程就像是知識鏈條上的“碩果”一樣，唾手可得．

3 小結

原子結構和原子核部分的知識是近代物理學的基礎,中學階段的學習要求主要在于了解和知道相關的重要物理學發(fā)現及其重要的歷史意義,所以相對來說,這部分知識就有些散碎.因此,尋找合理的串聯紐帶,是非常重要的復習方式．

當然,如果單純地利用物理學家為紐帶串聯相關知識進行學習,還是有疏漏的．所以,在圍繞物理學家這條紐帶進行學習的同時,心里還要有主線意識，即原子結構和原子核部分首先應該抓住兩條明確的主線:人類探索原子結構的歷史發(fā)展過程主線和人類探索原子核結構及相關發(fā)現的歷史過程．

第一條主線,以物理學家為紐帶已經基本上完成了所有知識的串聯，但還是遺漏了一些東西的．所以,在第二條主線中,在立足物理學家的前提下,還要抓住“三類六個方程”．

抓住重要的物理學家,抓住重要的發(fā)現及其意義,抓住三類六個方程,構建有序的知識體系,可以很好地提高原子結構和原子核部分知識的復習效率,所以復習的關鍵在于梳理．