原子物理教學(xué)中的實驗觀

余招賢

摘 要：原子物理教學(xué)中的核心問題是如何處理實驗和理論，經(jīng)典和量子的關(guān)系。本文提出以原子物理中的基本實驗為主線，著重介紹原子物理實驗的背景、原理、現(xiàn)象、結(jié)果以及由此產(chǎn)生的原子物理學(xué)歷史上比較著名的幾個概念和實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

關(guān)鍵詞：原子物理；原子物理實驗；量子力學(xué)

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

在大學(xué)物理專業(yè)的課程體系中，原子物理是定位于普通物理的基礎(chǔ)課程，同時又是量子力學(xué)的先導(dǎo)課程。從普通物理課程來看，自然要求在經(jīng)典理論的框架內(nèi)講解原子物理的現(xiàn)象和規(guī)律，但這是不太可能的，因為原子是一個典型的微觀對象，原則上必須嚴格遵守量子力學(xué)規(guī)律。從原子物理和量子力學(xué)的關(guān)系來看，原子物理是量子力學(xué)的實驗基礎(chǔ)，并且為量子力學(xué)提供了各種變革性的概念和模型。

通過多年的教學(xué)實踐和思考，我們認為在原子物理教學(xué)中，有一個核心問題必須得到明確的回答，即如何處理原子物理實驗和理論的關(guān)系，其實質(zhì)涉及經(jīng)典物理、原子物理與量子力學(xué)三者之間的關(guān)系。既無法在經(jīng)典理論的框架內(nèi)解決原子物理問題，同時受制于普通物理的課程定位，也不可能在嚴格的量子力學(xué)基礎(chǔ)上介紹原子物理知識，所以在原子物理的教學(xué)中，可以把著名的實驗作為主線，詳細介紹有關(guān)實驗的前因后果，使學(xué)生不僅接受原子物理的概念、模型和公式，而且能夠深刻體會科學(xué)家如何創(chuàng)造性地提出并解決問題，努力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。

本文首先論述實驗在原子物理中的重要地位，然后選擇介紹原子物理早期的三個代表性實驗：陰極射線、盧瑟福散射、氫原子光譜，著重討論為什么要做這些實驗，這些實驗結(jié)果和哪些經(jīng)典理論相矛盾，必須引進哪些新的概念和模型，從中我們得以建立新的理論。

1.原子物理中實驗的地位

物理學(xué)是一門實驗性很強的基礎(chǔ)學(xué)科，一切理論都應(yīng)該以實驗為依據(jù)，原子物理的情況更是如此。因為原子的世界不能直接感知，只能通過實驗手段進行觀測，對觀察現(xiàn)象進行分析，揭示出經(jīng)典理論無法解釋的微觀現(xiàn)象，經(jīng)過邏輯思維形成概念和模型，最后通過數(shù)學(xué)表達成為新的理論。理論是否正確當(dāng)然還要回到實驗中接受進一步的檢驗，從實驗上升到理論再回到實驗的科學(xué)原則在原子物理的發(fā)展過程中得到了反復(fù)的實踐和驗證。

原子物理中的許多著名實驗，展現(xiàn)了微觀對象的許多不同尋常的運動特征，標志著人類探索微觀世界的重大進展。在原子物理的教學(xué)中，自然要把這些著名實驗放在突出的位置，圍繞實驗及其相關(guān)理論解釋這條主線，充分說明實驗的背景知識、設(shè)計思路、觀測現(xiàn)象和結(jié)果分析，展示它在經(jīng)典理論的框架內(nèi)是如何矛盾無解的，揭示其背后隱藏的物理實質(zhì)，尋找反映其運動規(guī)律的概念和模型，最終給我們帶來關(guān)于自然界的全新認識。

2.陰極射線實驗及湯姆遜模型

1897年，約瑟夫·約翰·湯姆遜通過陰極射線實驗，發(fā)現(xiàn)了電子存在的確切證據(jù)。其實早在在湯姆遜之前，人們就已經(jīng)對陰極射線進行了長時間的研究，只是由于實驗條件的限制，一直沒有觀測到陰極射線在電磁場中的確定偏轉(zhuǎn)，許多科學(xué)家因此錯誤地認為陰極射線不帶電。隨著實驗條件的進步，湯姆遜和其他一些科學(xué)家差不多同時作出了非常精確的陰極射線實驗，但是只有湯姆遜敢于同傳統(tǒng)觀念決裂，第一個大膽地認為存在比原子更小的粒子，陰極射線即由電子組成。這個歷史事實表明，如果沒有大膽假設(shè)，小心求證的創(chuàng)新思維，就會成為恩格斯所說的“當(dāng)真理碰到鼻子尖上的時候還是沒有得到真理”的人。

湯姆遜的電子發(fā)現(xiàn)不僅打破了人們對原子“不可分割”的固有思維，而且它還明白無誤地表明原子有內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。電子帶負電而原子卻是電中性的，那么原子中一定有帶正電的部分，問題是原子中的正負電荷是如何分布的呢？湯姆遜繼續(xù)發(fā)揮科學(xué)想象力，在1898年提出原子的 “葡萄干面包”模型，設(shè)想原子的正電荷均勻分布在整個原子空間，電子則按一定的規(guī)律分散其中。湯姆遜原子模型在解釋當(dāng)時的原子實驗和元素周期律取得了一定的成功。

3.盧瑟福散射實驗和盧瑟福原子模型

1909年盧瑟福和學(xué)生在實驗室進行了關(guān)于原子的散射實驗。他們用粒子轟擊金箔，試圖通過測量散射粒子的角度分布確定原子的大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。觀察結(jié)果出乎大家預(yù)料：大約有八千分之一的粒子散射角超過九十度，這和當(dāng)時所有的原子理論都是相矛盾的，例如湯姆遜的“葡萄干面包”模型就預(yù)言觀測到大角度散射粒子的概率是極低的，遠遠小于盧瑟福的實驗觀測結(jié)果。

盧瑟福是當(dāng)時的理論權(quán)威湯姆遜的學(xué)生，在科學(xué)面前他選擇尊重實驗事實，不受恩師權(quán)威的束縛，根據(jù)粒子散射的實驗結(jié)果，推想既然觀測到粒子的反射，必定是和金箔原子中的某種硬核發(fā)生碰撞反彈，這個硬核應(yīng)該帶正電，而且包含原子的絕大部分質(zhì)量，同時大角度散射粒子占比很少，說明原子內(nèi)部很空，硬核占據(jù)的體積很小。經(jīng)過仔細分析實驗數(shù)據(jù)，并輔以大膽的科學(xué)想象和嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)推理，盧瑟福于1911年正式提出原子的“核式結(jié)構(gòu)”模型：原子中心為帶正電且占有原子絕大部分質(zhì)量的“原子核”，電子在原子核周圍的特定的軌道上運動。

盧瑟福的原子模型雖然在解釋粒子散射實驗上取得了巨大的成功，但是很快發(fā)現(xiàn)它存在一個致命的弱點。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞原子核運動時會發(fā)射電磁波，從而損失部分能量，直至電子“墜落”在原子核上，這說明盧瑟福的原子模型是不穩(wěn)定的，實際情況是理論預(yù)言的原子坍縮并未發(fā)生，自然萬物中的各種原子都是穩(wěn)定地存在著。

4.氫原子光譜實驗和玻爾量子理論

盧瑟福原子模型的不穩(wěn)定，可以說是一個非常嚴重的物理問題。當(dāng)時還有一些實驗表明，原子的行為好像受到一種物理上非常古怪的神秘規(guī)律支配。實驗觀測到每種元素都會產(chǎn)生特定的線狀光譜，這些復(fù)雜的譜線滿足一定的規(guī)律，例如確定氫原子譜線位置的巴爾末公式，當(dāng)時只能作為一個經(jīng)驗公式對待，包括盧瑟福模型在內(nèi)的原子理論既無法解釋線狀光譜的存在，更談不上推導(dǎo)巴爾末公式。玻爾并沒有因為盧瑟福原子模型的困難而放棄這個模型，相反他開始懷疑經(jīng)典電磁理論是否適用于原子的系統(tǒng)。1912年玻爾發(fā)表了他在原子結(jié)構(gòu)方面的第一篇論文，玻爾以深刻的洞察力預(yù)見到在原子層次，經(jīng)典理論可能不再適用，只有引進量子概念并結(jié)合盧瑟福的原子模型，才能解決原子穩(wěn)定性困難和光譜公式來源之謎。

玻爾的關(guān)鍵一步是他抓住巴爾末公式這個毫不起眼但卻是獨一無二的線索，巴爾末公式中出現(xiàn)的自然數(shù)n令人難以理解，直覺告訴他這是一種量子化的表現(xiàn)，進而推斷原子內(nèi)部只能以特定的量吸收或發(fā)出能量，電子也只能處在具有特定能量的定態(tài)軌道，原子的特定譜線自然就對應(yīng)著電子在這些軌道之間的躍遷。于是玻爾在1913年提出定態(tài)，躍遷和量子化三大假設(shè)，建立了完整的氫原子理論，雖然它還帶有經(jīng)典理論的痕跡，但它產(chǎn)生的影響卻是巨大而深遠，不僅動搖了經(jīng)典理論在物理學(xué)中的統(tǒng)治地位，而且把人們對原子現(xiàn)象的認識推進到量子力學(xué)的水平。

綜上所述，原子物理是一門普通物理課程，同時又是經(jīng)典和量子相互交叉，理論和實驗高度結(jié)合的綜合性課程。在原子物理的教學(xué)中，要牢牢把握原子物理基本實驗的這條主線，仔細處理好實驗和理論的關(guān)系，經(jīng)典理論和量子力學(xué)的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生掌握原子物理基本實驗的原理，方法和結(jié)論，為量子力學(xué)的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，同時大力培養(yǎng)學(xué)生勇于探索和敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

參考文獻：

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