物理實(shí)驗(yàn)的美麗
——以盧瑟福原子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)為例

朱 錦 鄭淵方

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院 福建 福州 350117)

我國(guó)的教育長(zhǎng)期以來存在著忽視美育的現(xiàn)象，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍缺乏審美教育.美育的根本任務(wù)是，提高學(xué)生的審美能力，培養(yǎng)學(xué)生的審美情趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造美的能力，引導(dǎo)學(xué)生逐步形成科學(xué)的審美觀.廖伯琴教授在《物理教育學(xué)》一書中提到：“實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的重要特性，也是物理學(xué)文化的顯著特征，物理學(xué)的育人功能更多地通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程來體現(xiàn)”[1].

近年來關(guān)于物理學(xué)中表現(xiàn)的和諧奇異美、 多樣統(tǒng)一美及簡(jiǎn)單有序美有諸多討論，但關(guān)于物理實(shí)驗(yàn)中的美育并不多. 在《美和理論物理》一文中，楊振寧教授把物理之美概括為“物理現(xiàn)象之美”“理論結(jié)構(gòu)之美”“理論描述之美”，原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展是物理學(xué)中重要組成部分，它打開了微觀世界的大門，開創(chuàng)了原子物理和原子核物理學(xué)的新領(lǐng)域[2,3].但是由于原子結(jié)構(gòu)在高中物理教材中描述較為簡(jiǎn)略和淺顯，這可能導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展和原子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的了解只是淺嘗輒止.本文在實(shí)際教學(xué)需求的基礎(chǔ)上結(jié)合楊振寧教授對(duì)物理美的認(rèn)識(shí)，從原子結(jié)構(gòu)研究歷程、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、物理規(guī)律、學(xué)者精神和實(shí)驗(yàn)延伸6個(gè)方面發(fā)掘美，從不同深度分析，引導(dǎo)學(xué)生掌握知識(shí)的同時(shí)，逐步形成科學(xué)的審美觀.

1 研究歷程的勞動(dòng)美

科學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)與發(fā)展歷程就是一個(gè)勞動(dòng)過程，勞動(dòng)美的本質(zhì)就在于不斷發(fā)現(xiàn) 、不斷創(chuàng)造 ，凝聚著科學(xué)家辛勤的汗水，凝結(jié)著勞動(dòng)者智慧結(jié)晶[4].以時(shí)間為主線梳理科學(xué)家們不斷完善原子結(jié)構(gòu)模型的歷史軌跡,如表1所示[5].一百多年來，隨著思維能力的不斷提高，科學(xué)家對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)層次也在逐漸深入，學(xué)生在掌握原子結(jié)構(gòu)學(xué)說的同時(shí)，更有助于啟迪學(xué)生心智成長(zhǎng)和培養(yǎng)學(xué)生吃苦耐勞的能力.

表1 原子結(jié)構(gòu)模型演變

續(xù)表1

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的精巧美

物理實(shí)驗(yàn)運(yùn)用簡(jiǎn)單而精密的實(shí)驗(yàn)儀器，就可以展現(xiàn)出美麗的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和探究本質(zhì)的、科學(xué)的物理概念，這并不是輕而易舉的事情，需要科學(xué)家對(duì)物理實(shí)驗(yàn)認(rèn)真專研和精心設(shè)計(jì).α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)共有放射源、金箔、熒光屏和顯微鏡4個(gè)儀器，裝置十分簡(jiǎn)單,但每個(gè)儀器都缺一不可，從材料到儀器的選擇都需要盧瑟福團(tuán)隊(duì)多次嘗試和深思熟慮.左側(cè)鉛盒內(nèi)裝有少量的放射性元素釙構(gòu)成放射源，從鉛盒的小孔射出一束很細(xì)的α射線到金箔上，α粒子穿過金箔后，射到熒光屏上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)個(gè)的閃光點(diǎn)，這是因?yàn)棣亮Ｗ哟虻酵坑辛蚧\的熒光屏上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微弱的閃光，顯微鏡用于觀察光點(diǎn)[6].為了避免粒子和空氣中的原子碰撞而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)實(shí)驗(yàn)都安排在真空中進(jìn)行.

使用α粒子的原因：(1)α粒子帶正電，穿透能力弱，容易與原子內(nèi)帶正電的原子核相排斥；(2)α粒子還能與涂有硫化鋅熒光屏產(chǎn)生微弱的閃光，通過觀察光點(diǎn)，就能判斷粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡.

使用金箔的原因：(1)金箔純度很高，可以消除雜質(zhì)原子對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾；(2)純金延展性好，容易延展成非常薄的金箔，保證絕大多數(shù)的粒子穿過金箔后仍是保持原來的方向前進(jìn)[7]；(3)金的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易與熒光粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；(4)金的原子序數(shù)大，所帶正電荷就多，對(duì)α粒子的庫(kù)侖斥力大，α粒子與金原子碰撞后的散射角也就增大.顯微鏡可以圍繞金箔在圓周上移動(dòng)，通過觀察閃光便可記下某一時(shí)間內(nèi)在某一方向散射的α粒子數(shù).

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的邏輯美

4 物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔美

人類對(duì)于物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)總是由現(xiàn)象到本質(zhì)，現(xiàn)象層面的內(nèi)容是紛繁復(fù)雜的，而現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律則揭示了多樣性的統(tǒng)一，這就是物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔美.原子行星模型構(gòu)造連接了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)與宇宙的對(duì)稱與和諧，體現(xiàn)了大小宇宙的和諧統(tǒng)一.盧瑟福認(rèn)為原子的全部正電荷在原子核內(nèi)，且?guī)缀跞抠|(zhì)量均集中在原子核內(nèi)部，帶負(fù)電的電子在核空間進(jìn)行繞核運(yùn)動(dòng).盧瑟福和他的學(xué)生從上萬個(gè)粒子中發(fā)現(xiàn)幾個(gè)甚至一個(gè)偏轉(zhuǎn)角度較大的粒子，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量計(jì)算推導(dǎo)，工作量繁重，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繁多，最終歸納為精煉簡(jiǎn)潔的物理規(guī)律.

5 學(xué)者探究的精神美

比起物理知識(shí)，物理學(xué)家的人格魅力和獻(xiàn)身科學(xué)的精神之美雖然潤(rùn)物細(xì)無聲，但更具震撼人心的教育效果，利于培養(yǎng)學(xué)生真善美.盧瑟福勇于求新，打破常規(guī)，有很強(qiáng)的直覺敏銳性、先驗(yàn)?zāi)芰鸵龑?dǎo)學(xué)生的能力，他敢于突破束縛,進(jìn)行開創(chuàng)性工作[8].盧瑟福很早就有用粒子探索原子結(jié)構(gòu)的想法，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)α粒子穿過云母會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所以,對(duì)α粒子的特點(diǎn)進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀察現(xiàn)象，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理和構(gòu)思都是盧瑟福提出的.盧瑟福敏銳地認(rèn)識(shí)到大角度散射對(duì)于了解原子周圍或原子內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度的重要性.當(dāng)然科研團(tuán)隊(duì)之間的配合和實(shí)驗(yàn)人員的科學(xué)素養(yǎng)也是至關(guān)重要的，蓋革和馬斯登在實(shí)驗(yàn)上的細(xì)致、敏銳、務(wù)實(shí)和創(chuàng)造能力，也是實(shí)驗(yàn)得以成功的重要因素.

6 物理實(shí)驗(yàn)的延伸美

盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)是近代科學(xué)發(fā)展史上具有重要地位的物理實(shí)驗(yàn)之一，他的實(shí)驗(yàn)方法和相關(guān)理論為正確研究原子結(jié)構(gòu)開辟出一條新的途徑.不僅為建立原子的核式結(jié)構(gòu)模型奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，大膽肯定了高密度原子核的存在，而且還開創(chuàng)了一種重要的研究微觀世界的科學(xué)方法——用高速粒子“轟擊”，直至現(xiàn)在，量子力學(xué)和相對(duì)論的研究都離不開這一方法，依賴于粒子加速器的高能物理學(xué)依然是較為尖端的學(xué)科.α粒子散射實(shí)驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展史上具有里程碑式的意義，它打開了微觀世界的大門，開創(chuàng)了原子物理和原子核物理學(xué)的新領(lǐng)域.

物理實(shí)驗(yàn)中的美處處可見，例如發(fā)現(xiàn)歷程的堅(jiān)持不懈，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的構(gòu)思，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的處理方法，物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔統(tǒng)一，學(xué)者探究的科學(xué)精神，物理實(shí)驗(yàn)的延伸應(yīng)用都能使學(xué)生在美的熏陶中提高自身的美學(xué)修養(yǎng)[9].引用物理實(shí)驗(yàn)的美，使物理美感與知識(shí)傳授產(chǎn)生共振效應(yīng)，一方面加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握，提高學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，另一方面啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究和創(chuàng)造性學(xué)習(xí).