如何理解與學(xué)好中學(xué)原子物理

黃書(shū)鵬

(漳州一中 福建 漳州 363000)

高中原子和原子核物理在新教材[1]中，包括原子結(jié)構(gòu)、原子核結(jié)構(gòu)、核能及波粒二象性共四章．這部分內(nèi)容在中學(xué)物理中占的比重不大，但對(duì)學(xué)生了解和掌握近代物理學(xué)的發(fā)展卻很重要，教學(xué)中切不可掉以輕心．其中玻爾理論、能級(jí)概念、核能的計(jì)算、光電效應(yīng)和波粒二象性為重點(diǎn)，也是學(xué)生最難掌握的內(nèi)容．本文擬就如何學(xué)好原子物理，分別從教材特點(diǎn)、光電效應(yīng)與波粒二象性、能級(jí)概念和物理模型的建立與應(yīng)用幾個(gè)方面分析探討．

1 教材與知識(shí)特點(diǎn)分析

原子物理的知識(shí)與我們前面學(xué)習(xí)過(guò)的經(jīng)典物理學(xué)知識(shí)有較大區(qū)別．一是物理觀念上，這部分主要探討微觀領(lǐng)域的知識(shí)，其學(xué)習(xí)方法與宏觀領(lǐng)域的研究方法有很大不同.二是這部分知識(shí)在我們的生活中，缺少與之對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)感性認(rèn)識(shí)，缺乏理解這些知識(shí)的素材，這給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)思維上的困難.三是受先入為主的思想禁錮，習(xí)慣于用經(jīng)典理論方法分析問(wèn)題，一旦要用量子化觀點(diǎn)，就覺(jué)得很別扭．針對(duì)這種情況，首先要從思想上重視.這部分在新高考中屬選考內(nèi)容，要求不高，但教學(xué)上不能走過(guò)場(chǎng).其次教學(xué)上一定要抓住物理實(shí)驗(yàn)(事實(shí))—建立物理模型(理論)—解釋物理現(xiàn)象(運(yùn)用)一條線索進(jìn)行，而且不要忽視物理學(xué)史教學(xué)．再者筆者以為如能將第五章“波粒二象性”提到“原子結(jié)構(gòu)”之前來(lái)上，知識(shí)系統(tǒng)會(huì)顯得更緊湊，邏輯性會(huì)更強(qiáng)，更有利于教學(xué)．

2 如何理解掌握光電效應(yīng)和波粒二象性

光子說(shuō)和光電效應(yīng)方程是這部分的重點(diǎn)．具體講：

(1)要理解什么是光電效應(yīng)，其四個(gè)特點(diǎn)是什么．

(2)光子說(shuō)的內(nèi)容，如何用光子說(shuō)解釋光電效應(yīng)．

(3) 從能量的角度對(duì)發(fā)生光電效應(yīng)的光子、光電子進(jìn)行定量描繪．在此基礎(chǔ)上理解光的波粒二象性．為后面理解物質(zhì)波打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)．

學(xué)生經(jīng)常會(huì)提出一個(gè)問(wèn)題，到底光(光子)是粒子還是波？在他們思想深處，光要么是粒子，要么是波，對(duì)光同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性接受不了．這涉及物理觀念的轉(zhuǎn)化問(wèn)題．可以說(shuō)，光在傳播過(guò)程中呈波動(dòng)性，在發(fā)生相互作用時(shí)顯粒子性，這就是光的波粒二象性．在相互作用時(shí)將光當(dāng)成粒子，滿足動(dòng)量守恒，能量守恒也只是考慮了作用前后的效果，至于作用過(guò)程是不是真的是彈性剛球，在中學(xué)階段完全可以不必細(xì)究．如果從微觀角度看，光子與其他粒子的作用如“碰撞”“轟擊”(如人工核反應(yīng))實(shí)際上是“俘獲”的過(guò)程，是能量轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化的過(guò)程．它們的作用可能是波的共振吸收[3]，也可能是電磁力間的作用，但決非是簡(jiǎn)單的機(jī)械作用．

光電效應(yīng)方程則是能量守恒的具體體現(xiàn)．將方程寫(xiě)成

hν=Ek+W

更容易理解．式中左邊為光子的能量，即入射總能量，右邊為光電子的總能量．方程表示光子將能量轉(zhuǎn)移給光電子．重點(diǎn)理解Ek，它是光電子獲得光子能量并在克服逸出功后直接脫離金屬表面具有的動(dòng)能，以區(qū)別克服逸出功后又與周?chē)姾?離子)作用再逸出金屬表面后的動(dòng)能，也不是逸出后經(jīng)加速電場(chǎng)加速后的動(dòng)能．其次光電效應(yīng)又分為內(nèi)光電效應(yīng)[3]與外光電效應(yīng)兩種(中學(xué)主要學(xué)習(xí)后者).前者被光子打擊的光電子并不逸出，只是形成自由電子，增加自由電子濃度．光電池就是其應(yīng)用[4]．后者產(chǎn)生的光電子將逸出金屬形成光電流．光電管就是其應(yīng)用．最后還要考慮到微觀領(lǐng)域的機(jī)會(huì)均等與測(cè)不準(zhǔn)原理，所以光子和電子作用是一一對(duì)應(yīng)的．一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子，同樣一個(gè)光子也不能同時(shí)打在兩個(gè)電子上．(這里不考慮多光子效應(yīng))

3 如何理解掌握能級(jí)和能級(jí)躍遷

能級(jí)的概念是玻爾受普朗克能量量子化和愛(ài)因斯坦光子說(shuō)啟發(fā)而提出的，認(rèn)為原子處于穩(wěn)定狀態(tài)能量是不連續(xù)的、分立的，這些分立的能量狀態(tài)稱為能級(jí)．當(dāng)原子的能量發(fā)生變化時(shí)，其相應(yīng)的能級(jí)就發(fā)生改變，稱為原子能級(jí)躍遷．玻爾理論的三個(gè)量子化假設(shè)中重點(diǎn)是能量量子化(定態(tài)假設(shè))和躍遷量子化(躍遷假設(shè))．

在能級(jí)躍遷中，有時(shí)講原子躍遷，有時(shí)又講電子躍遷．這又如何理解呢？其實(shí)講原子躍遷與電子躍遷是等效的．原子能級(jí)是原子核和核外電子組成的原子系統(tǒng)所具有的，是它們相對(duì)位置的電勢(shì)能及電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能的總和．電子在不同軌道上，系統(tǒng)就具有不同的能量．因此，講原子躍遷，通常是指原子在不同能級(jí)間的躍遷；講電子的躍遷是指電子在不同軌道的躍遷，其實(shí)質(zhì)都是原子系統(tǒng)能量發(fā)生變化．

原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷需要吸收能量．其能量的來(lái)源有兩個(gè)途徑，一是吸收入射光子的能量hν．在這種情況下，又分成兩類(lèi)躍遷.

(1)不同定態(tài)間的躍遷，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，或從一個(gè)激發(fā)態(tài)躍遷到另一激發(fā)態(tài)．這時(shí)就要求光子的能量滿足一定條件，即光子能量等于躍遷能級(jí)之差hν=E末-E初．這時(shí)我們更愿意將光當(dāng)成電磁波，這種吸收實(shí)質(zhì)就是波的共振吸收，從而形成共振躍遷[6]．

(2)電子從定態(tài)躍遷到無(wú)窮遠(yuǎn)處，就是通常講的原子電離．這時(shí)只要光子能量大于原子所處的能級(jí)即hν≥En就行．此時(shí)電子從該軌道躍遷到無(wú)窮遠(yuǎn)后，仍可具有部分動(dòng)能Ek．寫(xiě)成式子有hν=En+Ek．

躍遷第二途徑是有粒子碰撞傳遞能量，如電子入射．這時(shí)原子可吸收部分能量而躍遷，其值仍為兩能級(jí)之差，而剩余的能量為入射粒子具有．這種情形不要求粒子的能量等于兩能級(jí)之差，且過(guò)程可視為彈性碰撞，滿足動(dòng)量守恒和能量守恒．

能級(jí)躍遷是個(gè)比較抽象的物理過(guò)程，這里用生活中常見(jiàn)的一種過(guò)程為物理模型，幫助理解躍遷問(wèn)題．比如我們要上一個(gè)高臺(tái)，有兩種選擇，一是沿某一斜坡而上，這時(shí)能量(高度差)變化是連續(xù)的，就如經(jīng)典理論中能量可以連續(xù)變化一樣．二是沿某一臺(tái)階而上，這時(shí)能量(高度差)是不連續(xù)的，這對(duì)應(yīng)于玻爾的能量量子化．在發(fā)生躍遷的時(shí)候，從低處跳到高處，所上升的高度差(所消耗的能量)應(yīng)剛好等于能上兩個(gè)臺(tái)階的高度差，這就對(duì)應(yīng)量子躍遷假設(shè)．至于用力很大一下子跳上高臺(tái)，還可往前沖，這就如同原子電離．

4 應(yīng)用與分析

圖1

解析:電子與氫原子發(fā)生碰撞，氫原子從中獲取能量產(chǎn)生躍遷．碰撞過(guò)程動(dòng)量與能量守恒．由于碰撞前總動(dòng)量為零，可知基態(tài)氫原子亦有初動(dòng)能．這樣碰撞前電子和原子的總動(dòng)能與碰撞后氫原子的躍遷能量ΔE及兩者保留的動(dòng)能相等(能量守恒)．設(shè)碰前電子和氫原子動(dòng)能分別為Eke和EkH，碰后電子和原子總動(dòng)能為Ek.由動(dòng)量守恒pe-pH=0,得

所以

5.445×10-4×12.89 eV=

0.007 eV

E總=Eke+EkH=

(12.89+0.007) eV≈12.90 eV

由能級(jí)圖1,原子躍遷吸收能量

ΔE=E4-E1=

(13.6-0.85) eV=12.75 eV

由能量守恒

Eke+EkH=ΔE+Ek

Ek=Eke+EkH-ΔE=

(12.90-12.75) eV=0.15 eV

點(diǎn)評(píng)：(1)本題應(yīng)注意原子能級(jí)與原子動(dòng)能的區(qū)別．原子能級(jí)是組成原子的原子核和電子系統(tǒng)的能量狀態(tài)，屬微觀領(lǐng)域的能量．而原子的動(dòng)能是指其機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能．與本題不同，在中學(xué)一般將原子視為靜止，故初動(dòng)能為零．

(2)若是光子入射使原子躍遷，則入射光子的能量必須是

E=hν=E4-E1=12.75 eV

且氫原子保持原有動(dòng)能．

5 物理模型的建立與應(yīng)用

從上面分析可看到建立物理模型對(duì)學(xué)好原子物理的作用．但是如何建立物理模型以及如何理解和應(yīng)用模型對(duì)學(xué)生來(lái)講并非易事．建立模型，就是要抓住問(wèn)題的重點(diǎn)，摒去枝節(jié)與次要因素．但學(xué)生更多是機(jī)械記憶和理解物理模型，將其視為不變的物理事實(shí)或過(guò)程而簡(jiǎn)單的套用．建立物理模型，不能機(jī)械化程序設(shè)計(jì)；每一個(gè)物理模型都是在特定的條件下成立，你只能用一個(gè)模型處理同一類(lèi)問(wèn)題，但不能用一個(gè)模型處理不同類(lèi)的問(wèn)題．在應(yīng)用中不必深究，也不能奢望有完滿或普適的物理模型．前面講的光子粒子模型就是一例，何時(shí)視為粒子,何時(shí)視成波，應(yīng)視具體情況而定，可不死摳模型.

總之，物理規(guī)律是物理模型的骨架，豐富的物理素材是模型的血與肉；占有越豐富的素材，其物理模型就越豐滿.靈活運(yùn)用是物理模型的靈魂．大量閱讀科普材料，細(xì)心領(lǐng)會(huì)模型的內(nèi)涵，才能建立并應(yīng)用好物理模型．

1 廖伯琴.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理·選修3-5. 濟(jì)南：山東科技出版社，2007

2 (美)F.W.Ssears，等，著.惲瑛，等，譯.大學(xué)物理學(xué)(第四冊(cè)).北京：人民教育出版社，1980

3 姜民.半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介.教育實(shí)踐與研究(中學(xué)版)，2007(1)

4 廖伯琴.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理·選修3-5教師用書(shū).濟(jì)南：山東科技出版社，2007

5 周世勛.量子力學(xué)教程. 北京：高等教育出版社，1979