核能利用中的核泄漏和核废料处理的困难问题

自20世纪初以来，与微观粒子相关的物理学研究取得了长足的进展，奠定了今天的高新技术的物理学基础。

在本模块中，学生将学习关于原子、原子核等微观粒子的初步知识。这是了解现代科学技术的基础，也是继续学习物理学以及相关科学技术的基础。

历史上，对于电磁波、原子结构的认识，典型地展示了人类认识自然规律的科学方法；而对于微观粒子的波粒二象性的认识，则表现了人类直接经验的局限性。在本模块的学习中，要注意体会其中的科学方法、科学思想，感受科学的和谐美。

动量守恒定律是自然界的基本守恒定律之一，是研究微观粒子所必需的知识，要在学习原子结构和原子核的内容之前学习它。

本模块划分为以下四个二级主题：

·碰撞与动量守恒

·原子结构

·原子核

·波粒二象性

（一）碰撞与动量守恒

1.探究物体弹性碰撞的一些特点。知道弹性碰撞和非弹性碰撞。

可以通过光滑水平面上或气垫导轨上物体的碰撞来学习弹性碰撞，也可以通过频闪照片的分析来学习。关于弹性碰撞和非弹性碰撞，学生知道以是否有机械能的损失来区分就可以了，不必涉及能量损失的多少。

2.通过实验，理解动量和动量守恒定律，能用动量守恒定律定量分析一维碰撞问题。知道动量守恒定律的普遍意义。

尽管能够把力与质量、加速度关系的关系式变形来得到动量定理，进而得到动量守恒定律，但是由于这个定律的普遍性和独立性，标准要求直接通过实验学习它。关于动量守恒定律，要求是较高的“理解”层次，应该能够在不同的情境中应用。

要能应用动量守恒定律分析一维碰撞问题和反冲运动。可以学习“系统”的概念。

3.通过物理学中的守恒定律，体会自然界的和谐与统一。

这条标准是对情感方面的要求。要达到这样的要求，一是要明白相对论结论的含义，二是要知道建立的过程，即旧的理论遇到了什么问题，是怎样解决的，新的理论怎样得到了实验和观测的支持。

在活动建议中，制作“水火箭”是一项成熟的课外活动，所用材料简单，成功率高，应该做一做。

（二）原子结构

1.了解人类探索原子结构的历史及有关的经典实验。

可以通过汤姆逊发现电子的实验、汤姆逊的枣糕模型和卢瑟福的行星模型、α粒子散射实验、查德维克发现中子的实验，了解人类探索原子结构的历程并从中感悟提出假设、建立模型、实验验证的科学方法。

观看α粒子散射实验的模拟录像或计算机模拟图像，着重了解从实验事实到核式模型之间的分析过程，从中体会人类对于不能直接感知的事物的认识方法。

2.通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。

人类对于原子结构的最初认识就是通过对光谱的分析开始的，这又是一种对于不可直接感知事物的认识方法，学生要在学习中体会。

这部分内容的学习中，学生在接触光子之后又一次接触了微观世界中量子化的现象，这是本条标准所要强调的。

关于氢原子，能级结构是重点。标准没有全面涉及玻尔的氢原子理论，特别是没有提出轨道的概念，所以对此不必要求。

光谱分析在科学技术中有重要应用，学生要知道一些实例。

（三）原子核

1.知道原子核的组成。知道放射性和原子核的衰变。会用半衰期描述衰变的速度，知道半衰期的统计意义。

这条标准要求知道原子核内有质子和中子，知道有些原子核会自发地衰变。要会用半衰期进行简单的计算。

例：已知碳14的半衰期是5730年。现有一份古代物品的样品，其中碳14在碳原子中所占的比例只相当于现代物品中的四分之一。估算这份样品的年代。

关于放射性，要知道它来源于原子核的衰变，知道α、β、γ射线的实质。

2.了解放射性同位素的应用。知道射线的危害和防护。

了解同位素的概念，知道有些同位素具有放射性，实际利用的放射性物质都是人造的。通过观看录像和科教片、查阅资料、上网、调查了解放射性同位素的广泛应用及射线的危害及防护。

3.知道核力的性质。能简单解释轻核与重核内中子数、质子数具有不同比例的原因。会根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程。

知道核力是核子之间的一种强相互作用，这种强度大、作用距离短的引力能克服质子间的库仑斥力而使核子结合成原子核。在重核中，由于核子数多，有些核子间的距离比较大，它们之间核力的作用较弱，所以重核中中子的比例比轻核大，这样才能维持稳定的原子核。(www.xing528.com)

学生要会根椐质量数和电荷守恒写出核反应方程。

4.认识原子核的结合能。知道裂变反应和聚变反应。关注受控聚变反应研究的进展。

知道结合能等于分立的核子结合成原子核时释放的能量。知道中等质量的核的比结合能最大，因此重核裂变或轻核聚变而形成中等大小的核时，会释放出能量。

本主题最后一句是态度方面的要求，即学生要通过各种渠道对受控聚变反应给予关注。

5.知道链式反应的发生条件。了解裂变反应堆的工作原理。了解常用裂变反应堆的类型。知道核电站的工作模式。

“链式反应的发生条件”涉及慢中子的作用和临界体积的概念。关于常用裂变反应堆的类型和核电站的工作模式，学习时可以与当时的新闻热点相联系。

可以通过检索资料来了解核电站工作模式以及与火电站的区别。

6.通过核能的利用，思考科学技术与社会的关系。

知道科学家通过反应堆技术实现了受控链式反应，从而为人类和平利用核能打开了大门。知道核武器利用了不可控链式反应和聚变反应在瞬间释放的巨大能量。学习我国政府关于核武器的政策。

调查世界上近年来在核能利用中出现的核泄漏问题、核废料处理的困难，以及由于核电建设引起的争端。了解各国的核电政策以及核电发展的前景。

这条标准的核心是“思考”，是个过程性要求。

7.初步了解恒星的演化。初步了解粒子物理学的基础知识。

关于恒星的演化，学生要认识到恒星与其他事物一样，也有发生、成长与消亡，本条标准的要求是“初步了解”，不必深入探讨。

对于粒子物理学的要求也是“初步了解”，有常识性的了解就可以了。

（四）波粒二象性

1.了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。

在这个三级主题中，可以介绍普朗克关于黑体辐射的学说，再加上前面学过的光子的知识、氢原子能级的知识，从而了解微观世界中普遍的量子化现象，体会它与宏观现象的不同。

2.通过实验了解光电效应。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。

光电效应可以作为演示实验让学生观察。为了学习爱因斯坦光电效应方程，需要知道金属脱出功的概念。

要强调，光电效应是光的粒子性的一个实验证据。

3.了解康普顿效应。

康普顿效应表明光子不但具有能量，而且像实物粒子一样具有动量，它在证明电磁场的物质性方面意义重大，这点需要强调。

对康普顿效应的要求是“了解”，只需定性地学习，可以以图示为主，不必要求计算。

4.根据实验说明光的波粒二象性。知道光是一种概率波。

能根据光的反射、折射、衍射和干涉说明光的波动性；能根据光电效应和康普顿效应说明光的粒子性。

例：学生可以通过对双缝干射的分析认识到，某个光子通过狭缝以后所处的位置是不能确定的，但从大量光子的行为看，它在某些位置出现的概率大，另一些位置出现的概率小，概率大的位置和概率小的位置恰好与某种波干涉时的亮条、暗条的位置相合，所以光是一种概率波。

5.知道实物粒子具有波动性。知道电子云。初步了解不确定性关系。

要知道物质波也是概率波。要知道电子云是描述电子在空间各点出现概率大小时所用的一种形象化的图示。

初步了解粒子的位置和动量间的不确定关系，初步了解电子的位置无法用轨迹描述，初步了解除位置和动量的不确定关系外，还有其他不确定关系。

6.通过典型事例了解人类直接经验的局限性。体会人类对世界的探究是不断深入的。

限于学生的基础，对于量子论和波粒二象性的内容本身，学生不可能深入学习。在这部分内容的学习中，应该更重视它们在情感态度价值观和科学方法方面的教育作用。学生应该体会到，人类的直接经验是有限的，一个学说的正确性不能以是否与直接经验一致为依据，它最终要靠实践的检验。

在这部分内容的学习中，学生还应该体会到人类对世界的探究是无止境的，新的认识会层出不穷，过去的认识在新的场合可能不再适用。要使学生形成不断接受新事物的心理准备。

【注释】

[1]【美】H.S.塞耶编《牛顿自然哲学著作选》，上海人民出版社，1974年11月第1版，第186页。