原子物理教學(xué)中的幾個熱點問題解析

余招賢

【摘要】本文對原子物理教學(xué)中的幾個熱點問題，包括原子物理課程的定位，玻爾理論的教學(xué)方法，原子物理中實驗和理論的關(guān)系，進行了分析探討，并提出了自己的一些看法。

【關(guān)鍵詞】原子物理 ?玻爾理論 ?量子力學(xué)

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）05-0160-02

原子物理是最重要的物理基礎(chǔ)課之一，它與經(jīng)典物理中的力學(xué)，電磁學(xué)等課程有很大的不同，這些課程都有成熟的理論體系，運用嚴密的數(shù)學(xué)演繹方法，可以推演公式并解決實際問題。原子物理作為從經(jīng)典物理過渡到量子力學(xué)的橋梁，充滿了各種變革性的概念和思想，同時它又是一門非常年輕而又充滿活力的物理學(xué)科，仍然處在科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新的前沿，這從至今有幾十位物理學(xué)家因為從事原子物理相關(guān)的工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎得到證明。由于原子物理的內(nèi)容繁雜，核心知識難以把握，毫無疑問它是一門難教難學(xué)的課程。關(guān)于原子物理的教學(xué)內(nèi)容和方法一直存在著不同的意見[1-3]，本文針對這些討論中的熱點問題進行了分析。

1.如何處理原子物理和量子力學(xué)的關(guān)系

從19世紀末到 20 世紀初， X射線，放射性，電子三大發(fā)現(xiàn)揭開了原子物理的序幕，隨后盧瑟福提出的原子核模型，玻爾為解釋氫原子光譜建立的原子量子理論，開創(chuàng)了原子物理的新篇章。隨著原子物理研究的進一步深入和發(fā)展，直接導(dǎo)致了全新的量子力學(xué)的誕生，現(xiàn)在量子力學(xué)是我們對包括原子在內(nèi)的微觀對象進行研究的主要工具，所以說原子物理和量子力學(xué)是一脈相承。那么在原子物理的教學(xué)中，如何處理原子物理和量子力學(xué)的關(guān)系呢？有一種比較激進的做法是以量子力學(xué)為主，把原子物理看成量子力學(xué)的初步，或者說原子物理是量子力學(xué)理論的應(yīng)用。在這種指導(dǎo)思想下，在原子物理中大講量子力學(xué)基本原理和基本方法，通過嚴格的量子力學(xué)理論和公式，解釋各種原子有關(guān)的物理現(xiàn)象。雖然從一開始就立足于正確的理論基礎(chǔ)之上，知識結(jié)構(gòu)嚴謹，處理問題有效，但是課程的難度顯著增加，學(xué)生如果沒有任何量子力學(xué)的數(shù)理基礎(chǔ)，接受起來相當困難。更重要的是它已經(jīng)越俎代庖地做了后續(xù)量子力學(xué)課程的工作，明顯超出了原子物理課程應(yīng)有的范圍。上面這種做法是不恰當?shù)?，其實這里有一個基本問題需要明確，那就是原子物理課程的定位?，F(xiàn)在普遍認同的做法還是把原子物理定位為一門普通物理課程，是從經(jīng)典物理到近代物理的過渡課程，因此采用以原子物理為主，量子力學(xué)為輔的教學(xué)模式為妥。從歷史上看，原子物理曾經(jīng)為量子力學(xué)的建立提供實驗基礎(chǔ)，而現(xiàn)在量子力學(xué)和相對論作為近代物理的兩大理論支柱，自然成為研究原子現(xiàn)象及其運動規(guī)律的理論依據(jù)。那么在原子物理教學(xué)中， 我們應(yīng)該還原在原子物理的發(fā)展過程中，那一段從實驗事實出發(fā)， 不斷地否定舊理論同時建立新理論的精彩歷史進程。這就要求我們講清楚對原子物理發(fā)展起重大作用的一些最基本的實驗事實，展示各種實驗事實和新概念新模型之間的邏輯聯(lián)系，幫助學(xué)生牢固建立微觀世界量子化的觀念，為后續(xù)的量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，這才是原子物理課程的立足之本。

2.如何處理玻爾理論和原子物理的關(guān)系

在確定了原子物理的定位后，需要明確玻爾理論在原子物理教學(xué)中所處的位置。玻爾理論是量子物理發(fā)展的重要階段，它的出發(fā)點是經(jīng)典力學(xué)，通過附加與經(jīng)典理論不相容的量子化條件，建立了第一個有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的量子理論，非常完美地解釋了氫原子的能級結(jié)構(gòu)和光譜實驗。很多教材用了大量篇幅介紹各類原子的結(jié)構(gòu)和光譜，然后是通過各種對玻爾理論的修正和推廣，試圖解釋氫原子光譜的精細結(jié)構(gòu)，以及其它更復(fù)雜的原子光譜，這樣把原子物理講成了光譜學(xué)，玻爾理論成為了原子物理的主線。但是玻爾理論畢竟是以經(jīng)典物理為基礎(chǔ)，人為地加入量子假設(shè)形成的半經(jīng)典量子理論，理論本身就是不自洽的，無法解釋一般原子的結(jié)構(gòu)和光譜，無法處理微觀世界的大量實際問題，所以玻爾理論具有很大的局限性。如果過多地介紹玻爾理論，則可能使學(xué)生產(chǎn)生疑惑：現(xiàn)在量子理論已經(jīng)完全取代了玻爾理論，能夠更準確地描述微觀體系的實驗規(guī)律，為什么還要花費大量篇幅介紹呢？所以玻爾理論講授的內(nèi)容不宜過多，更不能作為原子物理的主線。同時也應(yīng)看到玻爾理論在定性處理一些問題時，具有形象直觀，物理圖像清晰的特點，而這是采用量子力學(xué)的解決方法無法比擬的。玻爾理論的意義不僅在于對經(jīng)典規(guī)律不能適用的微觀領(lǐng)域取得了對原子現(xiàn)象的成功解釋，而且更重要的是玻爾為此大膽引進的定態(tài)，躍遷，量子化概念，繼續(xù)在量子力學(xué)理論中發(fā)揮關(guān)鍵作用。學(xué)生通過玻爾理論的學(xué)習(xí)，將會看出經(jīng)典物理一步一步的破產(chǎn)，看到量子物理誕生的必然性，是一次系統(tǒng)的科學(xué)思維訓(xùn)練，所以對玻爾理論的教學(xué)內(nèi)容篇幅需要適當控制，但任何輕視或取消玻爾理論的做法都將失去原子物理獨特的教學(xué)魅力。

3.如何處理實驗和理論的關(guān)系

物理學(xué)實際上是一門實驗的科學(xué)，理論來源于實驗，同時又要接受實驗的檢驗。原子物理的發(fā)展直至量子力學(xué)的建立，都是一個向我們展示怎樣通過實驗觀察新現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有理論無法解釋，形成新概念和建立新理論，新理論進一步接受實驗檢驗的生動課堂，是引導(dǎo)學(xué)生利用歸納方法從實驗上升形成理論，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維不可多得的范例。

雖然物理實驗，物理模型，數(shù)學(xué)方程都是構(gòu)成原子物理理論體系的要素，但是基于原子物理課程的普通物理定位，教學(xué)的真正著力點還是應(yīng)該放在介紹微觀物理學(xué)最基本的實驗手段和實驗方法上面，并幫助學(xué)生理解從這些基本測量和實驗觀察的事實出發(fā)，我們能夠創(chuàng)建什么樣的物理模型，獲得什么樣的已知和未知的結(jié)論，并指導(dǎo)新的實驗檢驗這些結(jié)論。學(xué)完原子物理后，學(xué)生應(yīng)該知道在微觀物理學(xué)的范圍內(nèi)，目前能夠做哪些實驗和怎么做那些實驗，特別是那些覺得應(yīng)該知道，但是操作起來不知從何下手的例子，例如怎樣測定一個原子，電子，原子核的質(zhì)量，動量，自旋，磁矩，壽命等，這些內(nèi)容在目前的教材和教學(xué)中都較少涉及，我們可以考慮在教學(xué)實踐中補充一些相關(guān)的內(nèi)容。原子物理中還有很多非常著名的實驗，盧瑟福的粒子散射實驗確定了原子的有核模型。黑體輻射和光電效應(yīng)的實驗研究直接導(dǎo)致普朗克和愛因斯坦創(chuàng)造性地提出了光量子的概念。戴維孫和革末的電子在晶體的衍射實驗，確證了電子的波動性和德布羅意假設(shè)。氫原子的線狀光譜實驗，直接催生了玻爾氫原子理論的建立。弗蘭克和赫茲實驗直接確認了原子內(nèi)部能量的量子化，也是對玻爾理論的有力支持。史特恩和蓋拉赫實驗確認了軌道角動量的空間量子化和電子自旋的存在。還有塞曼效應(yīng)和核磁共振實驗，這些原子物理歷史上的重要實驗，不僅導(dǎo)致了新概念和新模型的產(chǎn)生，它還有許多現(xiàn)實的應(yīng)用價值，所以我們在原子物理的教學(xué)中，應(yīng)該充分重視對這些實驗的講解，不僅要讓學(xué)生理解從實驗歸納出的結(jié)論和建立的模型，還要真正知道這個實驗怎么做，需要具備哪些實驗條件才能實現(xiàn)。

根據(jù)我在物理專業(yè)的原子物理教學(xué)實踐，這里特別強調(diào)兩個原子物理實驗的重要性。量子力學(xué)的基本特征是微觀現(xiàn)象的統(tǒng)計規(guī)律性，它是微觀對象波粒二象性的直接體現(xiàn)，這些與經(jīng)典粒子和經(jīng)典波完全不同的特征，就可以從一個電子雙縫干涉實驗上得到全部的體現(xiàn)，所以應(yīng)該詳細講述對這個實驗的各種理解。雖然當時它還是一個沒有做出來的“理想實驗”，清晰的電子雙縫干涉實驗實際是在1989年完成，但并不妨礙它在理解并建立正確的量子力學(xué)觀念上起到至關(guān)重要的歷史作用，這些都是應(yīng)該在原子物理的教學(xué)中得到解決的問題， 而且不必用到量子力學(xué)的理論。另外一個是關(guān)于盧瑟福散射的實驗，我們要知道的不僅是它確定了原子核模型，從實驗的角度更應(yīng)該幫助學(xué)生理解散射截面不是一個幾何的概念， 而是一個統(tǒng)計的概念，從測量得到的散射截面數(shù)據(jù)，能夠得到什么關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息，實際上微觀粒子的散射實驗方法已經(jīng)成為確定材料物理和化學(xué)性質(zhì)的重要手段。

4.結(jié)論

作為普通物理課程的原子物理，是一門經(jīng)典物理和近代物理的交叉課程，也是一門理論和實驗高度結(jié)合的課程。從上面的分析和我們的教學(xué)實踐看出，原子物理教學(xué)的著力點應(yīng)該是介紹原子物理學(xué)中最基本的實驗手段和實驗方法，盡量講清楚量子力學(xué)的基本概念和基本原理，不應(yīng)該過分忽視玻爾理論的作用，也不應(yīng)該過分追求量子力學(xué)的手段和方法，這樣才能達到原子物理課程應(yīng)該實現(xiàn)的教學(xué)目標。

參考文獻：

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[2]趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程：量子物理[M]，北京：高等教育出版社，2001

[3]王振華，姬廣舉，姜久興.物理專業(yè)原子物理與量子力學(xué)新教學(xué)模式的研究，中國電力教育[J]，2009（04）