挖掘同步輻射光源中的高中物理教學(xué)素材

張燕怡

(中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080)

1 背景介紹

高考物理北京卷的選擇壓軸題(2019年前為理綜卷第20題，2020年后為物理學(xué)業(yè)水平等級(jí)考試第14題)，往往以學(xué)科前沿、聯(lián)系生活生產(chǎn)實(shí)際的新材料為背景，全面考查學(xué)生從閱讀中獲取新知識(shí)新信息的探究精神，以及在對(duì)概念規(guī)律深入理解的基礎(chǔ)上綜合遷移、推理、運(yùn)用的能力，情境新穎有趣、區(qū)分度大，歷來(lái)備受關(guān)注.壓軸題中所用到的背景素材，往往會(huì)成為各中學(xué)教師和教研團(tuán)隊(duì)深入研究的對(duì)象，并在后續(xù)的教學(xué)與命題中，對(duì)其進(jìn)行挖掘、改造、發(fā)展和升華.

2021年的高考物理北京卷，以在建的第四代同步輻射光源“北京光源”為情境，全面、綜合考查了學(xué)生對(duì)于電磁波產(chǎn)生、原子發(fā)光機(jī)理(玻爾模型)、物理光學(xué)相關(guān)基本概念的理解應(yīng)用能力，滲透了定量思維，同時(shí)在考題中展現(xiàn)了我國(guó)前沿科技發(fā)展的最新成果，又具有一定的地方特色，讓“同步輻射光源”這一大規(guī)模科學(xué)重器第一次為基礎(chǔ)教育界廣大師生所知曉.

筆者曾有幸在國(guó)家第三代同步輻射光源“上海光源”進(jìn)行參觀(guān)學(xué)習(xí)，后續(xù)又通過(guò)查閱資料，對(duì)同步輻射的產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展歷史、應(yīng)用價(jià)值有了一些粗淺的認(rèn)識(shí)，對(duì)如何將同步輻射素材與高中物理教學(xué)進(jìn)行掛靠有了一些不成熟的思考.本文將從以上幾個(gè)方面進(jìn)行回顧闡述，供各位教育界同仁參考.

2 同步輻射光源發(fā)展回顧

同步輻射(Synchrotron Radiation)，是指能量很高的相對(duì)論性帶電粒子，在磁場(chǎng)中沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)放出的電磁輻射.19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，利納德、斯格特等科學(xué)家預(yù)言了這種輻射，并從理論上計(jì)算了該輻射的能量輻射率、頻率角分布等參數(shù).但由于產(chǎn)生輻射所需的加速器能量很高，所以直到30多年后的1947年，美國(guó)GE公司的科學(xué)家，才首次在70 MeV的同步回旋加速器上觀(guān)測(cè)到這種電磁輻射，“同步輻射”也因此得名.

自然界也存在同步輻射.1054年，宋朝科學(xué)家觀(guān)察到金牛座M1星系超新星爆發(fā)的遺跡并做了記錄.1946—1947年，在英國(guó)留學(xué)的中國(guó)學(xué)者朱洪元先生研究了宇宙射線(xiàn)中的高能粒子在地磁場(chǎng)中的輻射，為同步輻射的初期研究做出了貢獻(xiàn).

高能物理學(xué)家們?cè)鵀榧铀倨髦械哪芰繐p失和輻射倍感苦惱，同步輻射并不是他們希望出現(xiàn)的東西.但很快，其他領(lǐng)域的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，同步輻射光源是一臺(tái)高品質(zhì)的巨型X光機(jī)和超級(jí)顯微鏡，具有高亮度、高準(zhǔn)直性、波長(zhǎng)可調(diào)等不可替代的優(yōu)點(diǎn).

(1)亮度高：普通的X光機(jī)，是用幾千伏特的電壓將帶電粒子(如電子)加速到高能量，然后轟擊靶材(如金屬銅靶)，通過(guò)碰撞的方式，讓銅原子內(nèi)層電子躍遷，產(chǎn)生X光.高速電子的能量，99%都轉(zhuǎn)化成了熱量，效率和亮度都有局限.而同步輻射光源產(chǎn)生的電磁輻射，亮度可達(dá)普通X光機(jī)的上億倍.

(2)波段寬：氣體放電管和X光管只能在一個(gè)很弱的連續(xù)本底區(qū)域產(chǎn)生若干條分立的特征X譜線(xiàn).但在同步輻射中，可通過(guò)調(diào)節(jié)電子能量，產(chǎn)生從紅外到X波段的連續(xù)光譜，并且在整個(gè)區(qū)域保持高輻射強(qiáng)度.

(3)高準(zhǔn)直性：同步輻射光源中電子以接近光速運(yùn)行，輻射沿運(yùn)動(dòng)電荷的切向發(fā)出，并集中于以電子瞬間位置為頂點(diǎn)的、開(kāi)口極小的錐體內(nèi)(約為10-4rad),其準(zhǔn)直程度類(lèi)似激光.一個(gè)形象的比喻是，下雨天時(shí)高速旋轉(zhuǎn)雨傘把手，輻射光子就像水滴一樣沿著雨傘邊緣被甩出去.

(4)高偏振：同步輻射的振蕩電場(chǎng)主要在電子軌道平面內(nèi)振動(dòng).

(5)以脈沖形式發(fā)射，周期短、重復(fù)性好.

(6)高純凈：在超高真空(10-4～10-7Pa)的環(huán)境中產(chǎn)生，雜質(zhì)少，作為測(cè)試手段能獲取更精確的結(jié)果

……

20世紀(jì)70年代后，隨著人們對(duì)新型光源的需求與日俱增，同步輻射光源進(jìn)入了大發(fā)展時(shí)代.具體來(lái)說(shuō)，經(jīng)歷了如下四代的演化.

第一代同步輻射光源，只是高能物理研究的副產(chǎn)物，在加速器上“寄生”運(yùn)行.我國(guó)的代表機(jī)構(gòu)為北京高能物理研究所的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，于1988年按照“一機(jī)兩用”的方針建成，并于1991年對(duì)用戶(hù)開(kāi)放.但其作為“兼職光源”，各性能參數(shù)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足高端用戶(hù)的需求.

第二代專(zhuān)用同步輻射光源，以日本東京大學(xué)SOR、美國(guó)NSLS、中國(guó)合肥光源為代表，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，輻射亮度有了幾十到幾千倍的提高，并且用光時(shí)間充裕、效率高，極大促進(jìn)了交叉學(xué)科的發(fā)展交流.

第三代同步輻射光源，電子能量更高、束流發(fā)射度更小、光源亮度比二代至少高出100倍，可以實(shí)現(xiàn)如X射線(xiàn)衍射/相干成像、全息成像、光子吸收治療、穆斯保爾譜學(xué)等一、二代光源無(wú)法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，進(jìn)行更加細(xì)微的物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究.以上海光源、英國(guó)DIAMOND、法國(guó)SOLEIL、西班牙ALBA、日本SPRING-8等為代表，目前全球正在運(yùn)行和在建的三代光源已經(jīng)超過(guò)70臺(tái).

第四代發(fā)展中的同步輻射光源，基于自由電子激光技術(shù)，懷柔科學(xué)城正在建設(shè)中的“北京光源”，以“世界上最高的光譜亮度”為目標(biāo)，建成后將為基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)等領(lǐng)域的原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新研究提供重要支撐平臺(tái).

圖1展示了同步輻射光源基本結(jié)構(gòu).

圖1 同步輻射光源基本結(jié)構(gòu)(圖片來(lái)自“上海光源”)

3 同步輻射光源應(yīng)用舉例

同步輻射光源的研究領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋了物理、化學(xué)化工、材料科學(xué)、能源、環(huán)境、考古、納米、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等，并且還在持續(xù)擴(kuò)展中.

下面討論一些可以和中學(xué)物理知識(shí)掛靠的同步輻射應(yīng)用案例.

案例1：成像

X射線(xiàn)成像(以我們熟知的醫(yī)用透視和安檢機(jī)為例)的基本原理，是不同材料對(duì)X光的穿透性和吸收能力有差異.如果待測(cè)樣品對(duì)X光的穿透/吸收能力差異不大，則普通X光成像技術(shù)的分辨率就會(huì)受到限制.同步輻射具有高亮度、高準(zhǔn)直、高偏振的特點(diǎn)，因此特定頻率的同步輻射可以作為“準(zhǔn)激光”使用.利用電磁波入射到物體不同部位上引起的相位差異(而不是強(qiáng)度差異)，可以實(shí)現(xiàn)成像的高分辨、高襯度.如圖2顯示了一只小昆蟲(chóng)的內(nèi)部器官結(jié)構(gòu).

圖2 利用同步輻射對(duì)昆蟲(chóng)內(nèi)部器官結(jié)構(gòu)成像(圖片來(lái)自“上海光源”)

案例2：光譜分析

通過(guò)玻爾模型可以知道，每種元素都有和原子結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的特征譜線(xiàn)，光譜分析可用于鑒別未知物質(zhì)的化學(xué)組成.而同步輻射光源因其波段寬、亮度高，可以精確檢測(cè)出含量極其微量的化學(xué)成分，最低可達(dá)10-15g.

案例3：物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析

測(cè)量物質(zhì)晶格常數(shù)的常見(jiàn)方法是X射線(xiàn)衍射(XRD)，從中學(xué)生可以理解的角度出發(fā)，可以將XRD中典型的θ～2θ掃描基本原理簡(jiǎn)化如下(圖3)：X光斜入射到晶體上，在兩層晶面間反射，兩束反射光存在光程差(相位差)，若光程差恰好為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，則干涉加強(qiáng)，在反射光角度上會(huì)測(cè)到一個(gè)光強(qiáng)的峰值.干涉加強(qiáng)的條件為2dsinθ=kλ.其中，d為晶面間距，k為整數(shù).

圖3 XRD技術(shù)測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)原理示意圖

實(shí)際情況，光強(qiáng)峰值其實(shí)是入射X光經(jīng)晶體中各分立的原子分子散射后再疊加的結(jié)果，但可以證明，以上公式在計(jì)算晶格常數(shù)時(shí)仍然成立，被稱(chēng)作布拉格條件.

顯然，衍射峰的信號(hào)強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度呈正相關(guān).若所探測(cè)的物質(zhì)含量很少，就需要更強(qiáng)的入射光，才能探測(cè)到代表性的信號(hào).例如在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，大分子蛋白具有晶體脆弱、分子量大、晶體衍射各向異性差別大等特點(diǎn)，為得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，對(duì)衍射光源的準(zhǔn)直性、光斑尺寸、穩(wěn)定性等有很高要求.傳統(tǒng)的XRD技術(shù)，有入射光頻率固定、亮度有限的局限性，而同步輻射光源的出現(xiàn)，完美解決了這一難題.

4 思考與展望

基礎(chǔ)物理教育以牛頓力學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)為主體進(jìn)行深入應(yīng)用和擴(kuò)展，對(duì)熱學(xué)、光學(xué)、原子物理相關(guān)知識(shí)以了解理解為主，模型理想化，具有普適性，符合學(xué)生日常生活經(jīng)驗(yàn)；而前沿科技主要基于近代物理中的量子力學(xué)和相對(duì)論得以發(fā)展，內(nèi)容艱深、往往與常識(shí)相悖，一旦涉及技術(shù)領(lǐng)域，又細(xì)節(jié)繁多.兩者看似天差地別，但很多時(shí)候也會(huì)共享一些基本原理.通過(guò)提煉本質(zhì)、有所取舍，把前沿科技素材納入中學(xué)物理教學(xué)，符合新課改、新高考的方向.

通過(guò)前面兩部分的介紹，可以梳理出高中物理與同步輻射情境進(jìn)行掛靠的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)(圖4)，分成如下3大類(lèi).

圖4 高中物理知識(shí)點(diǎn)與同步輻射情境的掛靠

以上素材，可以適當(dāng)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，讓學(xué)生在實(shí)際情景下對(duì)概念規(guī)律進(jìn)行深入的理解、應(yīng)用和遷移，另一方面，也可以以科技文閱讀的形式，培養(yǎng)學(xué)生從材料中提取信息、并利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析推理的能力.2021年的高考物理北京卷，就是一個(gè)有益的嘗試.

另一方面，同步輻射光源也蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)-技術(shù)-社會(huì)-環(huán)境素材：

(1)同步輻射的發(fā)現(xiàn)歷史，遵循“理論預(yù)言—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—失敗—實(shí)驗(yàn)改進(jìn)—再驗(yàn)證—成功”的科學(xué)探究規(guī)律，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神、證據(jù)意識(shí)，學(xué)習(xí)科學(xué)先驅(qū)不屈不饒的精神品格.

(2)同步輻射從高能物理加速器能量損失的“罪魁禍?zhǔn)住保兂筛黝I(lǐng)域科學(xué)家心之所向的“夢(mèng)幻之光”，這一史實(shí)可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行辯證思考，科學(xué)發(fā)現(xiàn)如何能夠興利除弊，變“廢”為寶.

(3)以“上海光源”從提議到運(yùn)行近20年的歷史、從動(dòng)工到竣工經(jīng)歷6年的建造過(guò)程為素材，學(xué)生可以了解大型科學(xué)工程從立項(xiàng)、論證、奠基、建設(shè)、驗(yàn)收……整個(gè)流程會(huì)遇到的方方面面的問(wèn)題與困難，明白“國(guó)之重器”背后是千萬(wàn)人的努力，非一日之功.

(4)“上海光源”建成后，《自然》雜志以“中國(guó)加入世界級(jí)同步輻射俱樂(lè)部”為題進(jìn)行了宣傳和報(bào)道，各領(lǐng)域科學(xué)家匯集與此，各學(xué)科前沿成果不斷涌現(xiàn)……這一事實(shí)充分說(shuō)明了大型科研儀器不僅有力推動(dòng)了科技發(fā)展，也在提高綜合國(guó)力方面發(fā)揮了巨大作用.

(5)“上海光源”的外觀(guān)被設(shè)計(jì)為優(yōu)美的“鸚鵡螺”造型(出自凡爾納科幻小說(shuō)中的“鸚鵡螺號(hào)”潛艇)，為此不惜將項(xiàng)目預(yù)算增加了幾千萬(wàn).但此后，“上海光源”因其科學(xué)性與視覺(jué)藝術(shù)的完美融合，成為了上海市的地標(biāo)性建筑，也間接拉動(dòng)了當(dāng)?shù)芈糜涡袠I(yè)的發(fā)展.這一案例可以很好地體現(xiàn)科學(xué)與文化的相輔相成，引導(dǎo)學(xué)生在物理—地理—人文學(xué)科的交叉領(lǐng)域進(jìn)行思考.

以上素材，有助于學(xué)生全方位了解人類(lèi)科技進(jìn)步的曲折性、辯證看待科學(xué)與技術(shù)的相互作用，培養(yǎng)“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的核心素養(yǎng)，滲透學(xué)科德育，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷和民族自豪感.