原子物理學(xué)教學(xué)改革的初步思考

張玉廣 王庭太 劉生滿 葛向紅 張 明 李 林

（中原工學(xué)院 河南 鄭州 450007）

原子物理學(xué)是物理專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課，是在二十世紀(jì)初開始形成的一門學(xué)科,主要研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個層次,它介于分子和原子核之間,主要研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)中線度為10-10米的層次。在課程內(nèi)容的描述上,原子物理學(xué)采用普通物理的描述風(fēng)格,講述原子的基本概念和物理圖象以及支配原子內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動和變化的基本相互作用,并在此基礎(chǔ)上討論原子核以及基本粒子等層次的性質(zhì)、特點(diǎn)和規(guī)律。它是在經(jīng)典物理與近代物理之間起著橋梁紐帶作用的不可缺少的課程，它既是普通物理的一部分，也是學(xué)習(xí)近代物理的開始，是進(jìn)一步學(xué)習(xí)理論物理和從事材料、信息、光學(xué)、化學(xué)等相關(guān)學(xué)科研究的基礎(chǔ)，很多其他重要的基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展也都離不開原子物理學(xué)的知識。并且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是激光技術(shù)、納米技術(shù)等的研究也需要原子物理學(xué)的相關(guān)知識，因此學(xué)習(xí)原子物理學(xué)有著十分重要的理論意義和實(shí)踐意義，該課程教學(xué)質(zhì)量的好壞不僅關(guān)系著后續(xù)的物理課程能否學(xué)好，而且對學(xué)生從事相關(guān)工作也很重要。隨著科技的發(fā)展和對大學(xué)生素質(zhì)教育的日益重視，為更好的適應(yīng)新形勢，各門課程都在進(jìn)行教學(xué)改革，原子物理學(xué)的改革也在不斷推進(jìn)，針對原子物理學(xué)的教學(xué)及改革，筆者結(jié)合多年來的親身實(shí)踐，談幾點(diǎn)看法。

1 以實(shí)驗(yàn)為主線，掌握原子物理學(xué)的內(nèi)容體系

縱觀原子物理的發(fā)展史，可以清楚的看到，人類對原子認(rèn)識的每一次進(jìn)步都是與一些重要實(shí)驗(yàn)相聯(lián)系的。而且，隨著實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的逐漸深入，人類對原子的認(rèn)識也越來越清晰。例如，盧瑟福的散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無法用當(dāng)時(shí)的西瓜原子模型來解釋，于是盧瑟福大膽的提出了核式結(jié)構(gòu)模型。再比如，由于反常塞曼效應(yīng)及原子光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)等實(shí)驗(yàn)無法用已有理論解釋，從而迫使人們考慮當(dāng)時(shí)對原子的描述是不完全的，這樣在1925年烏侖貝克和古茲米特提出了電子自旋的假設(shè)。在原子物理學(xué)中，這樣的事例在原子物理學(xué)中還有不少?？梢哉f，幾乎在原子物理學(xué)的每一章中，都有一兩個典型的實(shí)驗(yàn)，而正是這些實(shí)驗(yàn)，推動著原子物理學(xué)的發(fā)展，引導(dǎo)著學(xué)生逐漸深入原子的內(nèi)部，對原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)識越來越清楚。因此，實(shí)驗(yàn)在原子物理學(xué)中具有特殊重要的作用，掌握了關(guān)鍵的幾個實(shí)驗(yàn)，對原子物理學(xué)的認(rèn)識基本上也就清楚了。

2 通過對原子物理學(xué)的學(xué)習(xí)，為量子力學(xué)的學(xué)習(xí)做好思想準(zhǔn)備

量子力學(xué)的發(fā)展成熟與人們對微觀物理世界的認(rèn)識相伴隨。在量子力學(xué)中，一般用很少的篇幅來探討在微觀世界中經(jīng)典物理的失效和無力，而在原子物理學(xué)中，雖然對很多實(shí)驗(yàn)的解釋依然是用經(jīng)典的理論加上一些硬性的條件來解釋，有時(shí)甚至是不加解釋的給出一些結(jié)論，但是正是通過對這些實(shí)驗(yàn)的這樣勉強(qiáng)的解釋，使同學(xué)們認(rèn)識到經(jīng)典物理的勉為其難和新的量子理論的必要性。而且在原子物理學(xué)中，對微觀粒子波粒二象性、波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋及薛定諤方程的引入等，都做了非常詳盡的探討，從而使同學(xué)們從內(nèi)心深處能夠接受量子力學(xué)，并希望早點(diǎn)開始學(xué)習(xí)量子力學(xué)。因此，通過原子物理學(xué)的學(xué)習(xí)，為后續(xù)課程做了充分的思想準(zhǔn)備，使同學(xué)們從經(jīng)典物理的思維方式逐漸轉(zhuǎn)向量子物理的思維，為同學(xué)們從事更深入的物理學(xué)習(xí)和研究提供條件。

3 通過原子物理學(xué)的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新精神

科學(xué)精神是人們在長期的科學(xué)實(shí)踐活動中形成的共同信念、價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)和行為規(guī)范的總稱?？茖W(xué)精神就是指由科學(xué)性質(zhì)所決定并貫穿于科學(xué)活動之中的基本的精神狀態(tài)和思維方式，是體現(xiàn)在科學(xué)知識中的思想或理念?？茖W(xué)精神就是堅(jiān)持以科學(xué)的態(tài)度看待問題、評價(jià)問題而不借用非科學(xué)或者偽科學(xué)的手段。創(chuàng)新精神是指要具有能夠綜合運(yùn)用已有的知識、信息、技能和方法，提出新方法、新觀點(diǎn)的思維能力和進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、改革、革新的意志、信心、勇氣和智慧。創(chuàng)新精神是科學(xué)精神的精髓。創(chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，是國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新精神是素質(zhì)教育的重大課題。在原子物理學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生會不斷地接觸到在經(jīng)典物理中無法解釋的新實(shí)驗(yàn)、新現(xiàn)象，而對這些新實(shí)驗(yàn)新現(xiàn)象的解釋，是需要科學(xué)精神和創(chuàng)新精神的。例如在盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型遭遇到經(jīng)典物理解釋的困難時(shí)，玻爾沒有懷疑核式結(jié)構(gòu)，而是在相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的支持下，對經(jīng)典物理在原子結(jié)構(gòu)層次上的適用性提出了改進(jìn)，玻爾大膽地提出了經(jīng)典軌道加定態(tài)條件，頻率條件和角動量量子化，即認(rèn)為氫原子中的電子繞原子核作圓周運(yùn)動 （經(jīng)典軌道）時(shí)只能處于一些分立的軌道上，它只能在這些軌道上繞核轉(zhuǎn)動，且不產(chǎn)生電磁輻射，這就是玻爾定態(tài)條件；當(dāng)電子從一個定態(tài)軌道躍遷到另一個定態(tài)軌道時(shí)，會以電磁波的形式放出（或吸收）能量；處于定態(tài)軌道上運(yùn)動的電子的角動量是量子化的。

在經(jīng)典物理思想依然深深根植在人們的頭腦中，而量子概念還是一個全新的事物時(shí)，提出氫原子的量子理論是何等的大膽和具有創(chuàng)新性，但玻爾在大膽假設(shè)、小心求證后還是提出來了，并且很快就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，這是對玻爾的最大肯定，也是玻爾的科學(xué)精神和創(chuàng)新精神的完美體現(xiàn)。當(dāng)然，原子物理學(xué)中，這樣的創(chuàng)新例子還有很多，通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生們切身體會到在科學(xué)上，山窮水盡之時(shí)，創(chuàng)新精神對于科學(xué)的發(fā)展的重要性，起到柳暗花明又一村的重要推動作用。因此，可以說，創(chuàng)新是科學(xué)研究的靈魂。而原子物理學(xué)正是很難得的對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新教育的課程。

4 實(shí)事求是，不迷信權(quán)威的獨(dú)立人格的培養(yǎng)

科學(xué)不迷信權(quán)威，這句話很多學(xué)生都聽過，而對這句話的深刻理解，在原子物理學(xué)習(xí)中才能深刻體會。例如，1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，并在次年提出了原子的西瓜模型，該模型能夠解釋當(dāng)時(shí)的元素周期性，以及簡單的原子光譜等實(shí)驗(yàn)，可以說湯姆孫是原子物理研究的權(quán)威。但是，當(dāng)作為學(xué)生的盧瑟福在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)中，大角散射的比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于按照湯姆孫原子模型計(jì)算的結(jié)果時(shí)，盡管盧瑟福感到很驚奇，他甚至說：“就像一枚15英寸的炮彈打在一張紙上又被反彈回來一樣”但是，盧瑟福充分尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏评碇螅€是于1911年提出了核式結(jié)構(gòu)模型。從而，使人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識大大深入了一步。同樣，盧瑟福的原子模型也不是一個終極的理論，它從提出之時(shí)就面臨著嚴(yán)重困難，因?yàn)樗鼰o法解釋原子的穩(wěn)定性，同一性和再生性，正是對這些困難的努力解釋，才使得玻爾提出了氫原子理論，使人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識又前進(jìn)了一步?？梢哉f，在原子物理的發(fā)展中，無時(shí)無刻不充滿著對已有思想觀念的顛覆和新思想的建立，這些都需要科學(xué)懷疑和批判精神，這也說明科學(xué)沒有絕對的權(quán)威，科學(xué)懷疑精神和獨(dú)立思考是科學(xué)進(jìn)步的動力。這種敢于在實(shí)驗(yàn)結(jié)果面前不受傳統(tǒng)的科學(xué)觀念和理論的束縛，大膽地對現(xiàn)有理論進(jìn)行質(zhì)疑的精神正是我們國家的素質(zhì)教育苦苦追尋的學(xué)生所應(yīng)具有的素質(zhì)，也是我們創(chuàng)建創(chuàng)新型國家所最缺乏的人才的能力，這也是在原子物理學(xué)的學(xué)習(xí)過程中能夠給學(xué)生帶來的巨大收獲。

5 小結(jié)

原子物理學(xué)是物理專業(yè)的本科生從經(jīng)典物理邁入近代物理殿堂的非常重要的課程，該課程的學(xué)習(xí)為后續(xù)相關(guān)課程打好基礎(chǔ)，并且為學(xué)生從事相關(guān)方面的工作提供必要的知識，同時(shí)該課程還對學(xué)生多方面素質(zhì)的培養(yǎng)起到重要作用，本文是作者在長期的原子物理學(xué)教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)的一部分，也是原子物理學(xué)教學(xué)中所應(yīng)該強(qiáng)調(diào)和努力做到的，當(dāng)然原子物理學(xué)能夠給學(xué)生帶來的益處遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。同時(shí)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對原子物理學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系進(jìn)行改革的呼聲也有不少，不過不管怎么樣，原子物理學(xué)能夠帶給學(xué)生的好的方面都應(yīng)該得到堅(jiān)持和發(fā)揚(yáng)，為我們國家的人才培養(yǎng)和學(xué)生素質(zhì)的全面提高服務(wù)。

［1］楊福家.原子物理學(xué)[M].4版.高等教育出版社,2010,3.

［2］褚圣麟.原子物理學(xué)[M].高等教育出版社,2005,1.