藺醫(yī)琴

【內(nèi)容摘要】2017年全國卷高考考試大綱將人教版物理選修（3-5）列為必考內(nèi)容。筆者在利用化學(xué)元素周期表中的相對原子質(zhì)量計算核反應(yīng)中釋放的核能時出現(xiàn)疑問；在核反應(yīng)計算中的質(zhì)量指的是各原子核的相對原子質(zhì)量，而不是元素的平均相對原子質(zhì)量；筆者認(rèn)為，應(yīng)將核反應(yīng)中常見同位素的相對原子質(zhì)量以表格的形式附在課本后面，方便學(xué)生查找。

【關(guān)鍵詞】核反應(yīng) 質(zhì)量虧損 同位素 相對原子質(zhì)量

2017年全國卷高考考試大綱將人教版物理選修（3-5）列為必考內(nèi)容，其中結(jié)合能、質(zhì)量虧損、裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)是第十九章《原子核》的Ⅰ類要求考點。筆者和學(xué)生在處理第7節(jié)《核聚變》問題與練習(xí)中的2和4兩個題目時感到疑惑。

困惑：習(xí)題2：一個α粒子融合到一個816O核中，寫出這個核反應(yīng)的方程式。這個反應(yīng)式左右兩邊的原子核相比，哪邊具有較多的結(jié)合能？

教參答案：核反應(yīng)方程式：24He+ 816O→1020Ne；24He和816O的比結(jié)合能比1020Ne小，在核反應(yīng)過程中會釋放能量，所以反應(yīng)時右邊原子核1020Ne具有較多的結(jié)合能。

分析：根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程：ΔE=Δmc2可知，若核反應(yīng)過程中釋放能量，就應(yīng)該出現(xiàn)質(zhì)量虧損，真的出現(xiàn)質(zhì)量虧損了嗎？從高中化學(xué)課本中的元素周期表中可查出，氦、氧和氖的相對原子質(zhì)量分別是4.003、16.00和20.18，在此核反應(yīng)中產(chǎn)生的質(zhì)量虧損：

Δm=mHe+mO-mNe=4.003u+16.00u-20.18u=-0.177u

結(jié)果是質(zhì)量不但沒有虧損，反而增加了。

習(xí)題4：在某些恒星內(nèi)，三個α粒子結(jié)合成一個612C核，從元素周期表中查出612C的質(zhì)量和24He的質(zhì)量，計算這個反應(yīng)中放出的能量。

分析：核反應(yīng)方程：324He→612C；在化學(xué)元素周期表中氦和碳的相對原子質(zhì)量分別為4.003和12.01，核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損：

Δm=3mHe-mC=3×4.003u-12.01u=-0.001u

與習(xí)題2類似，質(zhì)量反而增加了，在這兩個核反應(yīng)過程中應(yīng)該吸收能量，該如何解釋呢？

真相：原子的相對原子質(zhì)量是原子質(zhì)量與12C原子質(zhì)量的1/12（1u=1.06606× 10-27Kg）的比值。很多種元素都有不止一種同位素存在，而同一元素的各種同位素質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同，所以它們的核外電子數(shù)相同，化學(xué)性質(zhì)相同，所以在化學(xué)元素周期表中位置相同，但是它們的相對原子質(zhì)量是不相同的。例如目前已知碳的同位素共15種，從碳8至碳22，12C與13C是穩(wěn)定的，14C具有天然的放射性，其中8C的相對原子質(zhì)量為8.0378，12C的相對原子質(zhì)量為12.00，13C的相對原子質(zhì)量為13.0033，14C的相對原子質(zhì)量14.0032。

元素的平均相對原子質(zhì)量是其各種穩(wěn)定同位素相對原子質(zhì)量的加權(quán)平均值，即各同位素的相對原子質(zhì)量與其在自然界中所占比例（豐度）的乘積之和。以碳為例，自然界中12C和13C的豐度分別為98.89%和1.107%，14C很少，碳元素的相對原子質(zhì)量為：

12×98.89%+13.0033×1.107%=12.0107

所以，化學(xué)元素周期表中碳的相對原子質(zhì)量為12.01。

在核反應(yīng)中計算質(zhì)量虧損時所指的是各種原子的相對原子質(zhì)量，而不是各元素的平均相對原子質(zhì)量。所以，核反應(yīng)24He+816O→1020Ne和324He→612C中的質(zhì)量虧損分別為：

Δm1=4.002602u+15.9949u-19.992435u=0.005067u

Δm2=3×4.002602u-12u=0.0078u

根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程ΔE=Δmc2就能計算出核反應(yīng)中放出的能量。

建議：關(guān)于相對原子質(zhì)量，中學(xué)化學(xué)課本有兩處提到，第一處在初中課本第三單元課題2《原子的構(gòu)成》中：“由于原子的質(zhì)量太小，書寫和使用都不太方便，所以國際上一致同意采用相對質(zhì)量，即一種碳原子質(zhì)量的1/12為標(biāo)準(zhǔn)，其他原子的質(zhì)量與它相比較所得到的比，作為這種原子的相對原子質(zhì)量?！钡诙幵诟咧斜匦薅谝徽碌?節(jié)《元素周期表》中：“元素的相對原子質(zhì)量，就是按照該元素各種核素原子所占的一定百分比算出的平均值?！边@兩處對相對原子質(zhì)量的介紹言簡意賅，但滿足中學(xué)化學(xué)知識體系的需要，也符合學(xué)生的認(rèn)知水平。

計算核反應(yīng)中能量變化時需要各種同位素的相對原子質(zhì)量，可學(xué)生手邊可查的就是化學(xué)元素周期表，學(xué)生根本想不到元素周期表上的相對原子質(zhì)量是元素的平均相對原子質(zhì)量，與核反應(yīng)計算中需要的相對原子質(zhì)量不同，再者有些老師也不清楚。盡管高中對核反應(yīng)重核能的計算是粗略的，但也要讓學(xué)生通過具體計算與核反應(yīng)原理產(chǎn)生共鳴，加深對知識點的理解（課后習(xí)題的目的），為后續(xù)原子物理的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。

在學(xué)習(xí)《原子核》內(nèi)容時，學(xué)生對原子核的結(jié)構(gòu)已有充分認(rèn)識，對同位素及其應(yīng)用也有一定了解，所以筆者認(rèn)為，應(yīng)將各原子的相對原子質(zhì)量、元素的平均相對原子質(zhì)量及其由來以附錄的形式補充，或編寫在教學(xué)參考書中，并將核反應(yīng)中常見同位素的相對原子質(zhì)量附在課本后面，方便學(xué)生查找。

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（作者單位：山西省古縣第一中學(xué)）