民國(guó)時(shí)期中學(xué)物理教科書中的原子物理學(xué)知識(shí)*

王春燕 尹曉冬*

(首都師范大學(xué)物理系 北京 100048)

民國(guó)時(shí)期中學(xué)物理教科書中的原子物理學(xué)知識(shí)*

王春燕 尹曉冬*

(首都師范大學(xué)物理系 北京 100048)

20世紀(jì)初原子物理學(xué)迅猛發(fā)展，新知識(shí)不斷傳入中國(guó)，對(duì)中國(guó)物理學(xué)的教學(xué)產(chǎn)生重要的影響．本文將梳理民國(guó)時(shí)期中學(xué)物理教科書中原子物理學(xué)知識(shí)的內(nèi)容，研究這些教材中有關(guān)原子(及核)的結(jié)構(gòu)及其成分的相關(guān)內(nèi)容,并對(duì)該內(nèi)容在民國(guó)時(shí)期中學(xué)物理教科書的演變歷史作出評(píng)析．隨著人類對(duì)微觀世界的探索，人們所獲得的微觀領(lǐng)域的知識(shí)尚在發(fā)展之中，與此同時(shí)，中國(guó)的科學(xué)教育也不斷發(fā)展著．這使得諸教科書的編者對(duì)原子結(jié)構(gòu)、核結(jié)構(gòu)及其成分的表達(dá)并不統(tǒng)一，甚至有些概念也有些含混，這導(dǎo)致教科書的內(nèi)容表現(xiàn)得有些混亂，這種自然科學(xué)的認(rèn)識(shí)規(guī)律的曲折性，竟也體現(xiàn)在中國(guó)教科書的編寫之中．

民國(guó)中學(xué)物理教科書 原子物理學(xué)教學(xué) 中國(guó)物理學(xué)史

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，一些新發(fā)現(xiàn)沖破原子不可分的觀念，并使原子物理學(xué)獲得迅猛的發(fā)展．在原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其成分的探索過程中，1897年J·J湯姆孫(Joseph John Thomson，1856-1940)根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下的軌跡確定了陰極射線為帶負(fù)電的電子流，打破了原子不可分的觀念．1911年盧瑟福(Ernest Rutherford，1871-1937)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，肯定了原子核的存在，確立了原子的核式結(jié)構(gòu)．1913年，玻爾(Niels Bohr，1885-1962)在盧瑟福的行星模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用普朗克(Max K.E.L.Planck，1858-1947)的量子理論，提出了修正的原子模型．1919年盧瑟福再次利用α粒子進(jìn)行轟擊氮核實(shí)驗(yàn)，證明了氫核存在于所有原子的原子核中，并命名為質(zhì)子．1920年盧瑟福猜測(cè)中子的存在，1932年得到了查德威克(Sir James Chadwick，1891-1974)的證實(shí)．

1 電子發(fā)現(xiàn)在民國(guó)教科書中的反映

民國(guó)時(shí)期，在科學(xué)教學(xué)中，中學(xué)教師注重新的實(shí)驗(yàn)與理論的知識(shí)的介紹，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．在介紹陰極射線的性質(zhì)已經(jīng)加入電子發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容，教科書中陰極射線的性質(zhì)已經(jīng)很成熟，因此在介紹陰極射線性質(zhì)的時(shí)候采用了一些經(jīng)典的且難易程度適宜的實(shí)驗(yàn)，并附有插圖，這些實(shí)驗(yàn)共有6個(gè)：陰極射線之直進(jìn)、陰極射線之磁效應(yīng)、陰極射線之熱效應(yīng)、陰極射線之機(jī)械效應(yīng)、陰極射線之相互排斥、測(cè)量電子荷質(zhì)比之實(shí)驗(yàn)，不同教科書選入的實(shí)驗(yàn)不一樣．但是在加入電子發(fā)現(xiàn)的教科書中，作者發(fā)現(xiàn)電子的兩個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)：

(1)測(cè)量陰極射線電荷實(shí)驗(yàn)，確定陰極射線為帶負(fù)電粒子；

(2)測(cè)量陰極射線的荷質(zhì)比，確定陰極射線是由比原子更深層次更小粒子的組成.

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)特別是測(cè)量電子荷質(zhì)比的實(shí)驗(yàn)沒有很好地應(yīng)用到教科書中，筆者在收集的資料中，唯一發(fā)現(xiàn)運(yùn)用了荷質(zhì)比實(shí)驗(yàn)的有周昌壽1930年的《新時(shí)代高中教科書物理學(xué)》(下冊(cè))以及1937年的《復(fù)興高級(jí)中學(xué)物理學(xué)》(下冊(cè))．

在《新時(shí)代高中教科書物理學(xué)》(下冊(cè)，1930年版)中，作者引入的實(shí)驗(yàn)是湯姆孫利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)法，測(cè)出陰極射線先后在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中穿過一定距離時(shí)的偏轉(zhuǎn)以測(cè)定陰極射線荷質(zhì)比．該實(shí)驗(yàn)介紹非常詳細(xì)，且筆者認(rèn)為該內(nèi)容有電磁學(xué)的知識(shí)即可理解．周昌壽在該書編輯大意中表明：“物理學(xué)于晚近30年來之進(jìn)步最速，且極重要．理論方面，如放射性、原子構(gòu)造、相對(duì)性原理及量子論等；應(yīng)用方面、如無線電、傳真電報(bào)，遠(yuǎn)視及有聲電影等，均其犖犖大者．此類問題，如欲涉及詳細(xì)，誠(chéng)非專書不辦，然若言其原理，則高中程度之學(xué)生，似亦應(yīng)得知其概略．否則現(xiàn)勢(shì)尚不明瞭，安能在此新領(lǐng)域中求得發(fā)展其天才之機(jī)會(huì)哉．”[1]而其他教科書編者如仲光然等認(rèn)為太過于高深的內(nèi)容，應(yīng)留到大學(xué)學(xué)習(xí)[2]．周昌壽一直倡導(dǎo)對(duì)于深度相對(duì)較大的內(nèi)容以及比較前沿的內(nèi)容也要讓中學(xué)生略知一二，以求得更好的學(xué)習(xí)和發(fā)展．

2 原子核內(nèi)容在民國(guó)教科書中的反映

隨著原子結(jié)構(gòu)及其成分的不斷發(fā)現(xiàn)，該內(nèi)容在民國(guó)的中學(xué)物理教科書中呈現(xiàn)了逐步增加的趨勢(shì)．如1918年，陳愰在《適用教科書物理學(xué)》闡述原子組成成分：“近來學(xué)者，謂物質(zhì)之原子，為陰陽二種電子所集合而成．”[3]吳傳紱在《新制物理學(xué)教本 》也完整地闡述了原子的成分，他闡述到：“謂陰極線系帶有陰電氣之微粒子．發(fā)出于陰極者也．此微粒子曰陰電子．其質(zhì)量約當(dāng)輕素原子二千分之一．同樣由陽極發(fā)出帶有陽電氣之微粒子．亦已發(fā)現(xiàn)．此曰陽極線．此微粒子曰陽粒子．其質(zhì)量與輕素原子相匹……凡物質(zhì)之原子．概由陽粒子與陰電子所成．是曰電子說．”[4]由于盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)剛發(fā)表不久，編者們對(duì)于該內(nèi)容掌握還不夠，對(duì)原子核的翻譯與定名出現(xiàn)比較混亂的現(xiàn)象(表1為民國(guó)中學(xué)教科書中“原子核”的譯名)，而且對(duì)于“原子核”這一概念也并未完全接受．如屠坤華在1921年將密立根(Robert Andrews Millikan,1868-1953)的《A First Caurse in Physics》翻譯為《漢譯密爾根物理學(xué)》的教科書中，把原子核譯為正感電子：“謂正感電子，實(shí)為原子之核”，且認(rèn)為“不必奉為金科玉律．”[5]

表1 民國(guó)中學(xué)教科書中“原子核”的譯名

3 原子結(jié)構(gòu)模型在民國(guó)教科書中的反映

原子由電子和原子核構(gòu)成，他們是如何相處才使得原子是穩(wěn)定的？民國(guó)中學(xué)物理教科書中用的原子結(jié)構(gòu)模型主要是影響比較大的盧瑟福有核行星模型或建立在盧瑟福行星模型基礎(chǔ)上的玻爾原子模型，但部分教科書也采用了其他原子模型．表2呈現(xiàn)出民國(guó)中學(xué)教科書中采用的核式結(jié)構(gòu)，以下對(duì)這些模型分析．

表2 民國(guó)中學(xué)教科書中核式結(jié)構(gòu)

(1)盧瑟福行星模型的引入．如屠坤華的譯著里運(yùn)用了盧瑟福的行星結(jié)構(gòu)模型：“今既未有實(shí)據(jù)，證明正感電子可以離分子而獨(dú)立．則惟有持尚吾生氏之理想．謂正感電子，實(shí)為原子之核．而負(fù)感電子，則繞此心疾轉(zhuǎn)耳．據(jù)此理想原子殆如一種極小之太陽系，其電子各元．與原子直徑之比，不過如地球與其軌道直徑之比．”[5]文中講述的是盧瑟福的行星模型，卻將其稱為“尚吾生氏”(J.JThomson)之理想．但隨著編者對(duì)該原子模型認(rèn)識(shí)的不斷深入，所引入在知識(shí)也更加準(zhǔn)確，1941年仲光然的《高中物理學(xué)》(下冊(cè))就正確的描述了盧瑟福的有核行星模型：“1911年英人刺德福氏提出一原子構(gòu)造說，他說道：原子恰像一個(gè)太陽系，核和太陽相當(dāng)，電子和周圍運(yùn)動(dòng)的行星相當(dāng)．”[2]

(2)玻爾原子模型的引入．從表2中看到引用了玻爾原子模型的有周昌壽的《新時(shí)代高中教科書物理學(xué) 》(下冊(cè)1930年版)，作者詳細(xì)描述了玻爾的原子模型．玻爾原子模型在當(dāng)時(shí)屬于比較前沿且難度比較大的知識(shí)．如上所述，不同的編者對(duì)于內(nèi)容的選定有自己的見解，周昌壽一直倡導(dǎo)對(duì)于深度相對(duì)較大的內(nèi)容以及比較前沿的內(nèi)容也要讓中學(xué)生略知一二，以求得在物理領(lǐng)域更好的學(xué)習(xí)和發(fā)展，因此周昌壽在中學(xué)教材就加入了該內(nèi)容．

(3)其他原子模型結(jié)構(gòu)的介紹．在科學(xué)家猜測(cè)出各種原子結(jié)構(gòu)的時(shí)候，除了影響較大的盧瑟福的行星模型以外，還有其他的模型也在中學(xué)教科書得到介紹．如沈星五提到的2種結(jié)構(gòu)模型:

1)Thomas氏與Bohr氏之說法——負(fù)電子環(huán)繞原子核如行星繞日，每一電子，繞行于一定軌道，所謂電子軌道也．圖1表示，數(shù)種原子中擬想之電子軌道．圖中(1)指氦，(2)指鋰，(3)指氖，(4)指鈉，(5)指鐳．

圖1 原子擬想電子軌道

2)Lewis氏與Langmier氏之說法——八合論——原子核外之負(fù)電子各守定位，所占之地位適可成一正方形，負(fù)電子即占其角點(diǎn)．此種理論對(duì)于原子價(jià)與化學(xué)作用上似較確切，但不能解釋光譜中各原子所表現(xiàn)之帶線現(xiàn)象．圖2表示數(shù)個(gè)不同原子之八合論之構(gòu)造[6]．

圖2 原子八合論構(gòu)造

托馬斯(LlewellynThomas,1903—1992)是英國(guó)物理學(xué)家和應(yīng)用數(shù)學(xué)家，在原子物理學(xué)的研究中，他提出了：托馬斯進(jìn)動(dòng)、托馬斯-費(fèi)米方程、托馬斯少體物理學(xué)崩塌效應(yīng)．他的成就基本上是在1925年到1926年博士畢業(yè)獲獎(jiǎng)學(xué)金赴玻爾研究所學(xué)習(xí)所完成的，而此時(shí)離玻爾提出原子模型(1913年)12年．再從圖中的模型來看，這些圖像所體現(xiàn)的電子軌道猜測(cè)，沈星五將盧瑟福-玻爾模型寫成了托馬斯-玻爾模型．路易斯(GilbertNewtonLewis，1875—1946)是美國(guó)物理化學(xué)家，是共價(jià)鍵理論和電子對(duì)概念的提出者，他的路易斯結(jié)構(gòu)和價(jià)鍵理論塑造了現(xiàn)代理論化學(xué)鍵．朗繆爾(IrvingLangmuir，1881-1957)美國(guó)物理化學(xué)家，在1932年因原子結(jié)

構(gòu)和化學(xué)表面理論的突出貢獻(xiàn)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他在多方面的貢獻(xiàn)，其中就包括物質(zhì)結(jié)構(gòu)如：分子、原子、晶體等物質(zhì)的結(jié)構(gòu)．八合論(Cubicaloctetatom)是朗繆爾發(fā)展路易斯結(jié)構(gòu)(Cubicalatom)的一個(gè)原子模型，路易斯結(jié)構(gòu)是早期的一個(gè)原子模型，該理論于1902年提出，1916年發(fā)表在他的文章TheAtomandtheMolecule[7]，他提出該理論主要是為了解釋化合價(jià)現(xiàn)象，認(rèn)為電子被定位在原子殼層(立方體)八個(gè)角上．1919年朗繆爾發(fā)表TheArrangementofElectronsinAtomsandMolecules[8]進(jìn)一步發(fā)展為“八合論”．隨著子理論的發(fā)展，人們放棄了該模型，但早期對(duì)化學(xué)鍵的理解還是有價(jià)值的．該理論將前兩個(gè)電子放于體內(nèi)，剩下的電子定位于立方體的八個(gè)角上，角上有幾個(gè)電子就說明顯幾價(jià)，如圖中的He元素，因?yàn)榻巧蠜]有電子，所以化合價(jià)為零，而Li元素角上有一個(gè)電子，所以顯1價(jià)．

4 質(zhì)子內(nèi)容在民國(guó)教科書中的反映

盧瑟福利用α粒子打開了原子的大門，1919年盧瑟福再次利用α粒子發(fā)現(xiàn)氫核存在于所有原子的原子核中，并命名為質(zhì)子．民國(guó)時(shí)期中學(xué)教科書也及時(shí)反映了這些發(fā)展．

表3為民國(guó)時(shí)期質(zhì)子傳入后在中學(xué)教科書中的反映.

表3 民國(guó)時(shí)期“質(zhì)子”的譯名

從圖表中可以發(fā)現(xiàn)科學(xué)知識(shí)是極為迅速的．從1919年質(zhì)子的提出到1926年質(zhì)子反映在中學(xué)教科書僅僅7年．周昌壽的《新撰初級(jí)中學(xué)教科書物理學(xué)》(1926年)：“據(jù)種種電現(xiàn)象及陽線研究之結(jié)果，知失去一個(gè)電子之氫原子，其質(zhì)量及電荷均為最小，在此以下之陽粒子，未曾為人發(fā)現(xiàn)，故可用之作為陽電之單元，而稱之曰質(zhì)子(Proton).”[9]但部分編者對(duì)于質(zhì)子的翻譯尚不準(zhǔn)確，如把質(zhì)子稱為“電核”：“原子組織，氫為最簡(jiǎn)，除一個(gè)電子外，所謂原子核者，即為電核”．[10]此外，還有將質(zhì)子和原子核混淆，將原子核稱之為“正電子(原子核)”，但又描述道：“原子核之質(zhì)量大于負(fù)電子1 845倍，故所謂一物體之質(zhì)量實(shí)即原子核之質(zhì)量也”，[6]該句子應(yīng)指的是質(zhì)子．

5 民國(guó)時(shí)期質(zhì)子-電子模型內(nèi)容在教科書中的反映

盧瑟福在1920年提出了兩個(gè)猜測(cè)，一個(gè)猜測(cè)是原子中有一個(gè)中性粒子(即中子)，但是中子呈電中性，且由于微觀領(lǐng)域無法直觀以及沒有堅(jiān)固的實(shí)驗(yàn)直接檢測(cè)，另外，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)識(shí)到的基本粒子只有電子、質(zhì)子以及光子，當(dāng)時(shí)普遍的看法是：“一切元素之原子，均由質(zhì)子與電子合成．”[1]關(guān)于原子核結(jié)構(gòu)的代表性的表述如下：

正電之電荷，根據(jù)原子蛻變之事實(shí)，位于原子中央，與一部分電子，組成原子核(AtomicNucleus)是即所謂原子中心也．其余電子，在核外四周，旋轉(zhuǎn)不息．故原子核中，不特有核正電之若干電荷，且有核負(fù)電之若干電子，特前之總電量多，后者之總電量少，故就整個(gè)原子核言，遂荷正電．但原子核中所余之正電量，又與繞原子核旋轉(zhuǎn)之電子，所荷之總負(fù)電量相等，故就整個(gè)原子而言，不帶電性．

氦之原子量為4，適等于氫原子量之4倍．可知氦之原子，必含有4個(gè)電核，又因電性中和，4個(gè)電核之外，必再含有4個(gè)電子．但自第11節(jié)所述，α微粒自質(zhì)射元素射出者，與氦原子等量，所荷正電，計(jì)有兩個(gè)單位，故即為氦原子之失去二個(gè)電子者也，內(nèi)部組織，十分穩(wěn)固．由此推想，α微粒必為氦原子之原子核，含有4個(gè)電核，并有2個(gè)電子．茲為設(shè)想便利起見，以氫原子，氦原子與α微粒之結(jié)構(gòu)，圖表之如圖3所示．圖中黑點(diǎn)代表電核，小圈代表電子，虛線圓周，代表電子運(yùn)行之軌道．惟須注意者，圖僅為代表氫氦二原子結(jié)構(gòu)之大概，并未示其實(shí)行．[10]

圖3 質(zhì)子-電子模型

這就是19世紀(jì)20年代到30年代有名的質(zhì)子-電子模型，即假定原子量為N，且原子序數(shù)為Z的核由N個(gè)質(zhì)子和N—Z個(gè)電子組成的，因此原子核的電量正好與核外電子形成電中性的原子．如以圖中氦原子為例，氦的原子量為4，原子序數(shù)為2，因此軌道(虛線)中間4個(gè)質(zhì)子(實(shí)心圓表示)，原子核內(nèi)有4-2個(gè)電子(兩個(gè)空心圓表示)，軌道上有2個(gè)電子(兩個(gè)空心圓表示)．

質(zhì)子-電子模型一直被沿用，直到1932年查德威克證實(shí)了中子的存在，并傳入了中國(guó)，如嚴(yán)濟(jì)慈(1948年)所編的《高中物理學(xué)(下冊(cè))》：“原子序數(shù)為Z之原子核中，除Z個(gè)質(zhì)子外，尚有A-Z個(gè)中子(Neutron)．中子為不顯電性，而呈中和之質(zhì)點(diǎn)，其質(zhì)量與質(zhì)子相等．”[11]

6 結(jié)論

回首民國(guó)時(shí)期的物理教科書，眾多編者們有選擇地增加一些物理學(xué)前沿的內(nèi)容，目的在于增長(zhǎng)學(xué)生的見識(shí)或擴(kuò)展學(xué)生的視野．此外，原子物理學(xué)作為現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容之一，加入到中學(xué)教科書也有益于中學(xué)與大學(xué)課程的銜接．

也正是由于該內(nèi)容屬于比較前沿的物理學(xué)知識(shí)，它在中學(xué)教科書中呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)重視理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合．如陰極射線性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)等介紹了實(shí)驗(yàn)并附有插圖．

(2)在描述原子(及核)的結(jié)構(gòu)及其成分的內(nèi)容時(shí)有些屬于猜測(cè)，尚難以實(shí)證．所以有些作者認(rèn)為原子為“一種玄論”，對(duì)“原子核”稱“不必奉為金科玉律”．

(3)科技名詞的翻譯與定名比較混亂．如原子核，吳傳紱稱為“陽粒子”，屠坤華稱為“正感電子”，王季烈、周昌壽稱為“陽核”等．

(4)也許有些知識(shí)并沒有完全掌握．如將盧瑟福模型稱為尚吾生(J.J.Thomson)的模型，將盧瑟福-玻爾原子模型稱為托馬斯-玻爾原子模型．

(5)內(nèi)容的深度不一．

(6)編者所涉及的新知識(shí)存在不確定性、不完備性，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，編者對(duì)教科書的編著也逐步走向深化和完善．如介紹質(zhì)子電子模型，以解釋原子的電中性．

隨著人類對(duì)微觀世界的探索，人們所獲得的微觀領(lǐng)域的知識(shí)尚在發(fā)展之中，與此同時(shí)，中國(guó)的科學(xué)教育也不斷發(fā)展著．這使得諸教科書的編者對(duì)原子結(jié)構(gòu)、核結(jié)構(gòu)及其成分的表達(dá)尚難以統(tǒng)一，甚至有些概念也有些含混，這導(dǎo)致教科書的內(nèi)容表現(xiàn)得有些混亂，這反映了自然科學(xué)的認(rèn)識(shí)的曲折性，而這也體現(xiàn)在中國(guó)教科書的編寫之中，這是我們所未能預(yù)料的．

致謝：本文得到了尹曉冬老師的悉心指導(dǎo)，此外，在寫作過程中，劉樹勇老師給出了寶貴修改意見，劉辛味、張輝同學(xué)亦給了我很大啟發(fā)，特此感謝．

1 周昌壽. 新時(shí)代高中教科書物理學(xué) 下冊(cè).上海：商務(wù)印書館，1930

2 仲光然. 高中物理學(xué)(下冊(cè)).上海：中華書局，1941

3 陳愰. 適用教科書物理學(xué).上海：商務(wù)印書館，1918

4 吳傳紱. 新制物理學(xué)教本.上海：中華書局，1918

5 密爾根，蓋爾. 漢譯密爾根蓋爾物理學(xué).屠坤華，譯.上海：商務(wù)印書館，1921

6 沈星五. 文化高中教科書高中物理.北平：文化學(xué)社，1934

7Lewis,GilbertN.(1916-04-01)."TheAtomandtheMolecule.".JournaloftheAmericanChemicalSociety38 (4): 762～785

8Langmuir,Irving(1919-06-01)."TheArrangementofElectronsinAtomsandMolecules.".JournaloftheAmericanChemicalSociety41 (6):868～934

9 周昌壽. 新撰初級(jí)中學(xué)教科書物理學(xué).上海：商務(wù)印書館，1926

10 倪尚達(dá). 高中物理學(xué)(下冊(cè)).南京：鐘山書局，1933

11 嚴(yán)濟(jì)慈. 高中物理學(xué)(下冊(cè)).中國(guó)科學(xué)圖書儀器公司印行，1948

**北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃一般項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：KM201610028003；2015年北京市屬高等學(xué)校青年拔尖人才培育計(jì)劃；首都師范大學(xué)教改項(xiàng)目“光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中物理學(xué)史應(yīng)用研究”.

2016-06-30)