近代物理實(shí)驗(yàn)在原子物理教學(xué)中的貢獻(xiàn)

李明非 景士偉 崔士舉 劉昊迪

摘要：本文探討了原子物理的課程教學(xué)及近代物理實(shí)驗(yàn)的改革，分析討論了近代物理實(shí)驗(yàn)在原子物理教學(xué)中的貢獻(xiàn)，教學(xué)過程中以實(shí)驗(yàn)一理論一新的實(shí)驗(yàn)一新的理論或理論修正為線索，向?qū)W生揭示了微觀物理的研究歷程以及微觀世界的物理規(guī)律，以期能有效地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和專業(yè)從教能力，使其能更好地適應(yīng)基礎(chǔ)教育的教學(xué)實(shí)際。

關(guān)鍵詞：近代物理實(shí)驗(yàn);素質(zhì)教育;原子物理教學(xué)

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2019.05.020

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-1580（2019）05-0083-04

一、引言

1923年物理學(xué)家密立根在獲得諾貝爾獎時曾說過：“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實(shí)驗(yàn)，有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面，但只有兩條腿才能前進(jìn)?！痹游锢硎俏锢韺W(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，它與經(jīng)典物理中的力、熱、光、電等課程有所不同，這些課程都有成熟完美的理論體系，運(yùn)用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)演繹方法，可以推演公式計(jì)算出結(jié)果并解決實(shí)際問題，但原子物理既沒有經(jīng)典物理中的力、熱、光、電完美，也沒有量子力學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)，核心是半經(jīng)典半量子的內(nèi)容，因此是聯(lián)系經(jīng)典物理和近代量子物理的重要橋梁，其建立和發(fā)展與近一百多年的近代物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)心。在原子物理的教學(xué)中，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析歸納總結(jié)，逐步建立發(fā)展原子的理論模型，揭示原子結(jié)構(gòu)及運(yùn)動規(guī)律，例如通過原子物理的一系列重大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過程誘導(dǎo)學(xué)生模擬先人建立研究微觀領(lǐng)域的物理思想，通過α粒子散射、分立光譜和電磁相互作用等原子物理的分析方法使學(xué)生掌握研究和解決微觀物理問題的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析可以更加清晰地讓學(xué)生看到科學(xué)探索的過程，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)更多新的信息修正理論然后再在實(shí)踐中加以檢驗(yàn)，進(jìn)而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和專業(yè)能力。近代物理實(shí)驗(yàn)在原子物理教學(xué)中的主要貢獻(xiàn)我們歸納為：①近代物理實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探索新的物理規(guī)律;②近代物理實(shí)驗(yàn)還可以檢驗(yàn)理論模型的正確性，判斷理論假設(shè)的成立條件，給出理論的適用范圍;③近代物理實(shí)驗(yàn)更可以使理論得到推廣應(yīng)用，并開拓新的研究領(lǐng)域。但是，現(xiàn)階段“近代物理實(shí)驗(yàn)”課與專業(yè)基礎(chǔ)理論課“原子物理”不能很好地相對應(yīng)，理論課程相對于實(shí)驗(yàn)課滯后或滯前，這就導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)與理論課教學(xué)不能同步，其結(jié)果是學(xué)生在沒有相應(yīng)基礎(chǔ)知識的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無法深入理解實(shí)驗(yàn)中所包含的原子理論，只能簡單機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)步驟，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文將著重以氫氘光譜實(shí)驗(yàn)和塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)討論近代物理實(shí)驗(yàn)課與原子物理理論教學(xué)的融合，這不僅可加深對原子物理理論的理解，還可學(xué)習(xí)如何用實(shí)驗(yàn)手段，再現(xiàn)物理現(xiàn)象，并通過現(xiàn)象認(rèn)識其物理規(guī)律。

二、氫氘光譜實(shí)驗(yàn)與玻爾氫原子理論的建立及發(fā)展

近代原子理論是從氫原子光譜實(shí)驗(yàn)開始的，整個發(fā)展過程很好的詮釋了近代物理實(shí)驗(yàn)在原子物理中的貢獻(xiàn)，通過原子物理理論教學(xué)可以讓學(xué)生了解近代物理發(fā)展的精彩一幕。到1885年光譜實(shí)驗(yàn)已觀測到14條氫光譜線，巴耳末分析研究后提出了一個經(jīng)驗(yàn)公式，而里德伯在1889年又獨(dú)立憑經(jīng)驗(yàn)湊出了一個更普遍的方程。新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象意味著新的物理規(guī)律的萌芽、發(fā)展和完善。年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾發(fā)展和完善了湯姆孫和洛倫茲的研究方法，創(chuàng)造性地把普朗克提出的量子假說應(yīng)用于當(dāng)時人們持懷疑的盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型，并把原子光譜的離散線狀譜的物理機(jī)制和原子結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，非常完美地解釋了困惑物理學(xué)家們近30年的光譜實(shí)驗(yàn)之謎。隨后玻爾理論的拓展又成功地解釋了類氫光譜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并證實(shí)了氫的同位素“氘”的存在（實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了理論模型的正確性）。愛因斯坦心悅誠服地稱玻爾的理論是一個“偉大的發(fā)現(xiàn)”。

原子物理作為普通物理最后一門課程，通常安排在大二下學(xué)期進(jìn)行，“原子的玻爾一索末菲理論”在第二章中講授，而“氫氘光譜實(shí)驗(yàn)”為近代物理實(shí)驗(yàn)的第一部分，為了理論課與實(shí)驗(yàn)課融合以及近代物理實(shí)驗(yàn)改革，我院做出了同步安排，但實(shí)驗(yàn)課教師通常僅簡單地向?qū)W生說明實(shí)驗(yàn)原理，主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)儀器的操作使用，對此我們讓原子物理課程團(tuán)隊(duì)成員擔(dān)任實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的教師參與到近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，將近代物理實(shí)驗(yàn)作為專業(yè)基礎(chǔ)理論課在實(shí)驗(yàn)方面的延伸，讓實(shí)驗(yàn)與專業(yè)基礎(chǔ)知識緊密聯(lián)系，取得了很好的教學(xué)效果。另外，我們還告訴學(xué)生隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和光譜儀分辨率的提高，在實(shí)驗(yàn)中又觀察到了新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（例如氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)），這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果和哪些原有理論相矛盾，必須引進(jìn)哪些新的概念和模型，進(jìn)而拓展原子理論。邁克爾遜和莫雷在1896年就發(fā)現(xiàn)氫原子光譜巴耳末系的第一條譜線（Hα）是雙線，后來在高分辨率光譜儀中呈現(xiàn)出三線。玻爾猜測這可能是由于電子在橢圓軌道上運(yùn)動時作進(jìn)動所引起的。索末菲便于1916年提出修正理論：一是把玻爾的圓形軌道推廣為橢圓軌道，二是引入了相對論修正。定量計(jì)算出了三條Hα線，與實(shí)驗(yàn)完全符合。不過，這一“完全符合”純粹是一種巧合。實(shí)際上，在高分辨率譜儀中，一條Hα線將呈現(xiàn)出七條精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線（蘭姆移位）。對此，玻爾一索末菲模型就完全無能為力了。1926年海森伯運(yùn)用量子力學(xué)對索末菲的修正進(jìn)行了嚴(yán)格推導(dǎo)，1928年狄喇克的相對論量子力學(xué)自然地計(jì)入了電子的自旋，并依此算出電子的自旋與軌道相互作用，玻爾的理論才得到升華。另外，蘭姆移位和反常電子磁矩的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了量子電動力學(xué)的蓬勃發(fā)展。

三、塞曼效應(yīng)與磁相互作用

塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)中非常著名的一個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，是繼法拉第1845年發(fā)現(xiàn)旋光效應(yīng)，克爾1875年發(fā)現(xiàn)電光效應(yīng)和1876年發(fā)現(xiàn)磁光效應(yīng)之后，由荷蘭物理學(xué)家塞曼于1896年發(fā)現(xiàn)的又一個磁光效應(yīng)，在原子物理和量子理論的發(fā)展中（原子結(jié)構(gòu)、泡利原理、電子自旋、發(fā)光機(jī)制等）具有非常重要的地位。它不僅證實(shí)了原子具有磁矩和和在磁場空間取向量子化，而且通過它能測定電子的荷質(zhì)比和g因子的數(shù)值，在歷史上引發(fā)和推動了量子理論的發(fā)展，至今它仍然是研究原子內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)的重要方法之一。因此，在原子物理和量子理論課程中，塞曼效應(yīng)的原理和現(xiàn)象是教學(xué)的重點(diǎn)，也是近代物理實(shí)驗(yàn)中必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)常會出現(xiàn)在各種物理競賽中。