余招賢

【摘要】本文對(duì)原子物理教學(xué)中的幾個(gè)熱點(diǎn)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(shí)驗(yàn)和理論的關(guān)系，進(jìn)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(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】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(yùn)用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)演繹方法，可以推演公式并解決實(shí)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(shí)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?yàn)閺氖略游锢硐嚓P(guān)的工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得到證明。由于原子物理的內(nèi)容繁雜，核心知識(shí)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(duì)這些討論中的熱點(diǎn)問題進(jìn)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(jì)末到 20 世紀(jì)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(jìn)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(duì)包括原子在內(nèi)的微觀對(duì)象進(jìn)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(jìn)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(yán)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(shí)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，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(dāng)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(dāng)?shù)模鋵?shí)這里有一個(gè)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(rèn)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，而現(xiàn)在量子力學(xué)和相對(duì)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(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)， 不斷地否定舊理論同時(shí)建立新理論的精彩歷史進(jìn)程。這就要求我們講清楚對(duì)原子物理發(fā)展起重大作用的一些最基本的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，展示各種實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(jiān)實(shí)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(diǎn)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(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)和光譜實(shí)驗(yàn)。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(duì)玻爾理論的修正和推廣，試圖解釋氫原子光譜的精細(xì)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(shí)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(zhǔn)確地描述微觀體系的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，為什么還要花費(fèi)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(shí)也應(yīng)看到玻爾理論在定性處理一些問題時(shí)，具有形象直觀，物理圖像清晰的特點(diǎn)，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(duì)經(jīng)典規(guī)律不能適用的微觀領(lǐng)域取得了對(duì)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(jìn)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(huì)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(duì)玻爾理論的教學(xué)內(nèi)容篇幅需要適當(dāng)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(dú)特的教學(xué)魅力。

3.如何處理實(shí)驗(yàn)和理論的關(guān)系

物理學(xué)實(shí)際上是一門實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，理論來源于實(shí)驗(yàn)，同時(shí)又要接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。原子物理的發(fā)展直至量子力學(xué)的建立，都是一個(gè)向我們展示怎樣通過實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步接受實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的生動(dòng)課堂，是引導(dǎo)學(xué)生利用歸納方法從實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(diǎn)還是應(yīng)該放在介紹微觀物理學(xué)最基本的實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)方法上面，并幫助學(xué)生理解從這些基本測(cè)量和實(shí)驗(yàn)觀察的事實(shí)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和怎么做那些實(shí)驗(yàn)，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(cè)定一個(gè)原子，電子，原子核的質(zhì)量，動(dòng)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(shí)踐中補(bǔ)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(shí)驗(yàn)，盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)確定了原子的有核模型。黑體輻射和光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，確證了電子的波動(dòng)性和德布羅意假設(shè)。氫原子的線狀光譜實(shí)驗(yàn)，直接催生了玻爾氫原子理論的建立。弗蘭克和赫茲實(shí)驗(yàn)直接確認(rèn)了原子內(nèi)部能量的量子化，也是對(duì)玻爾理論的有力支持。史特恩和蓋拉赫實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了軌道角動(dòng)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(shí)驗(yàn)，這些原子物理歷史上的重要實(shí)驗(yàn)，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(shí)的應(yīng)用價(jià)值，所以我們?cè)谠游锢淼慕虒W(xué)中，應(yīng)該充分重視對(duì)這些實(shí)驗(yàn)的講解，不僅要讓學(xué)生理解從實(shí)驗(yàn)歸納出的結(jié)論和建立的模型，還要真正知道這個(gè)實(shí)驗(yàn)怎么做，需要具備哪些實(shí)驗(yàn)條件才能實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)我在物理專業(yè)的原子物理教學(xué)實(shí)踐，這里特別強(qiáng)調(diào)兩個(gè)原子物理實(shí)驗(yàn)的重要性。量子力學(xué)的基本特征是微觀現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，它是微觀對(duì)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(gè)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)上得到全部的體現(xiàn)，所以應(yīng)該詳細(xì)講述對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的各種理解。雖然當(dāng)時(shí)它還是一個(gè)沒有做出來的“理想實(shí)驗(yàn)”，清晰的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)實(shí)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(gè)是關(guān)于盧瑟福散射的實(shí)驗(yàn)，我們要知道的不僅是它確定了原子核模型，從實(shí)驗(yàn)的角度更應(yīng)該幫助學(xué)生理解散射截面不是一個(gè)幾何的概念， 而是一個(gè)統(tǒng)計(jì)的概念，從測(cè)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(shí)際上微觀粒子的散射實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的課程。從上面的分析和我們的教學(xué)實(shí)踐看出，原子物理教學(xué)的著力點(diǎn)應(yīng)該是介紹原子物理學(xué)中最基本的實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)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(dá)到原子物理課程應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊福家.原子物理學(xué)[M]，北京：高等教育出版社，第四版，2008

[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）