从原子物理学的发展看原子物理学的特点及其教学任务_金蓉.pdf

第 29卷湖北师范学院学报 自然科学版 Vol 129 第 1期Journal ofHubeiNor malUniversity N aturalScience No11 2009 从原子物理学的发展 看原子物理学的特点及其教学任务 金 蓉 西华大学理化学院物理系 四川 成都 610039 摘要 介绍原子物理学的发展概况 指出原子物理学的特点 探讨了原子物理学的教学任务 关键词 原子物理学 发展概况 特点 教学 中图分类号 O571 文献标识码 A 文章编号 1009 2714 2009 01 0092 04 原子物理学是研究原子的结构 运动规律及相互作用的物理学分支 原子物理学理论的形成和 发展主要发生在 19世纪末至 20世纪二十年代中叶 它的发展同时促进了量子力学这门反映微观粒 子运动规律的理论的的诞生 此后原子物理在量子力学理论的指导下进一步发展 并同时推动着其他 相关学科的发展 如今它在天体物理 光物理 凝聚态物理 量子物理 等离子体物理 大气物理 化学 生命科学 计量科学 材料科学 能源科学 考古学 地质学 矿物学等方面的重要作用 无不向世人彰 显其在理论和应用领域中的重要价值 因此 它理应作为物理专业的一门专业基础课 了解原子物 理学的发展概况 认识其特点将有利于我们更好地搞好原子物理学的教学 1 原子物理学的发展概况 原子物理的迅猛发展 始于 19世纪末人类关于 X射线 放射性和电子的发现 特别是后两个发 现向人们充分表明原子具有其内部结构 彻底粉碎了原子不可分的理论 1898年 汤姆逊大胆地提 出了原子的 枣糕模型 0 原子的带正电部分是一个原子那么大的 具有弹性的冻胶状球体 正电荷均 匀分布在这球内或球面上 有负电子镶嵌着 这些电子在其平衡位置上作简谐振动 原子发光频率即 为电子振动频率 此模型能解释原子的稳定性和原子的电中性问题 但是在对原子光谱和放射性问 题进行解释时遇到困难 随着 1909年马斯顿和盖革两人作了著名的 A粒子散射实验0后 汤姆逊模 型遇到了难以克服的困难 即它无法解释有 1 8000几率的 A粒子被靶物质 反弹 0的现象 因而该模 型被推翻 1911年 3月 英国物理学家卢瑟夫在曼彻斯特经过长期探索以及上述实验结果的提示 确定原子中有高密度的核 据此提出了全新的原子核式结构模型 该模型被后人形象地称为 行星模 型 0 其内容是在原子的中心存在一个带正电的 占有原子绝大多数的质量 体积非常小的原子核 电 子在其外绕核做高速圆周运动 原子的发光频率即为电子的运动频率 但是 当人们试图用经典物理 学对原子结构以及原子光谱等现象进行说明时遇到了不能克服的困难 因为按照经典电磁理论 电 子绕核运转要对外辐射电磁波 形成连续光谱 同时电子因失去能量而沿螺旋线落向原子核 这与原 子的线状光谱和原子的稳定性事实相违背 为解决原子结构带来的上述困难 1913年 年仅 28岁的 丹麦人尼耳斯 玻尔博士 在普朗克能量子概念和爱因斯坦光量子假设的基础上 基于原子的稳定性 和原子光谱的实验定律 提出的三条著名的假设 建立了原子的 玻尔模型0 也是在 1913年 英国的 物 理学家莫塞莱发表了关于 x射线谱的研究工作 建立了莫塞莱定律 引入了原子序数的概念 1914 收稿日期 2008 11 08 作者简介 金蓉 1964 女 四川彭州人 硕士 副教授 从事基础物理教学与研究 1 92 年德国物理学家夫兰克和赫兹利用电子碰撞汞原子 并使汞原子被激发的实验证实了玻尔理论 1916年德国物理学家索末菲引入椭圆轨道概念发展了玻尔理论 使原子光谱的精细结构和塞曼效应 得到初步的解释 至此原子中电子分层排布的 原子模型 0得以建立 就在人类对原子的认识还在不断完善的同时 一些物理学家已着手认识原子核的内部结构 通 过对放射性现象的研究 居里夫人证实镭原子能发出高能 A粒子 显然 A粒子不可能来自原子核 外 而只能从原子核中发射出 这表明原子核有更为复杂的内部结构 为此卢瑟夫提出了 质子 0假 说 他认为 原子核是带正电的 而最轻的核为氢原子核 那么它可能是组成其它原子核的基础 卢瑟 福称氢原子核为 质子 0 1919年 卢瑟夫在剑桥大学用高速 A粒子轰击氮元素的原子核 实现了人 类历史上第一次人工核反应 发现被打出的粒子是质子 由此证明质子的确是组成原子核的基础 但是如果认为原子核完全由质子组成 又与莫塞莱确立的原子序数与核电荷数的恒定关系以及元素 的原子量相矛盾 在 1920 1927年卢瑟福又提出了 中子 0假说 原子核里还存在一种不带电的中 子 其质量也是一个质量单位 1932英国物理学家查德维克证实了中子的存在 同时也说明原子核是 由质子和中子两种核子组成的紧密整体 至此一幅较完整的原子图形已展现在人们面前 物质是由原 子组成的 原子由原子核与核外电子组成 电子绕核做着大小不一的圆或椭圆的轨道运动 原子核由 质子和中子组成 原子发光是由电子跃迁产生的 同样是在 20世纪 20年代 经过德布罗意 薛定谔 玻恩等物理学家的共同努力新量子论 量 子力学的诞生 量子力学给核外电子的分布和运动规律赋予了统计思想的含义 使原子理论得到了进 一步的发展和完善 形成了今天比较完整的原子结构模型理论 2 原子物理学的特点 2 1 原子物理学的发展体现了求真唯实的科学精髓 原子物理学的形成是一个引人入胜的发现之旅 是一个充满艰辛的探求过程 最终的目标是微观 世界的客观律 探求的准则是实事求事 从汤姆孙模型y卢瑟福模型y玻尔模型 y量子力学描述的原 子图境 都使得人类的认识不断地逼近微观世界的客观实际 而每一阶段的人类认识成果 既来源于 客观事实 又不断地接受客观事实的检验 如在 1897年 汤姆逊在研究稀薄气体放电现象的实验中就 发现了电子 为揭示原子内部结构迈出了第一步 这表明 原子中除了电子之外 一定还存在着正电 荷 由此汤姆逊提出了他的原子模型 尔后卢瑟福和他的合作者盖革 马斯顿进行的 a粒子散射实验 一方面证明了汤姆逊的原子模型不可取 另一方面又为原子核式模型的建立奠定了基础 由于原子 的核式模型是建立在经典理论的基础之上 故在讨论原子的稳定性和原子光谱的规律性时显得矛盾 重重 大量光谱实验所积累的光谱资料直接促进了玻尔的氢原子模型的建立 使氢原子光谱的实验规 律从理论上获得了满意的解释 原子物理学就是在这种求真唯实的历程中不断发展起来的 2 2 原子物理学是人类认识领域创新成果的荟萃 原子物理学是人类认识的触角由宏观伸向微观领域诞生的认识成果 在人类认识领域 他们既前 所末有往往又开启未来 例如电子的发现既打破了原子不可分的传统观 又开启了原子物理学崭新的 篇章 X射线的发现直接导致了放射性的发现 因为从认识发展的角度来看后者的发现是前者的一种 合乎逻辑的历史继续 同时 由于对其本性和性质的研究在确定原子序数 原子内层电子的分布情况 问题方面完善了人们对原子的认识 为波粒二象性提供了重要证据 并打开了研究晶体结构的大门 普朗克提出的能量子概念动摇了经典物理的根基 它的推广促进了光量子理论的诞生 导致了量子论 的原子结构模型的提出 并导致描述微观粒子运动的量子力学在 1920年以后逐步完善 在一个 多世纪的时间内 原子物理学成就辉煌 据统计从 1901年到 2002年的 99项诺贝尔物理学奖项中 有 近 70项是原子物理学发展过程中的重要成果和重大进展 这足以说明原子物理学成果的重大社会价 值与历史价值 所以我们可以毫不夸张地说原子物理学是人类认识领域中最具创新成份的人类知识 成果的荟萃 93 2 3 原子物理学是物理学研究方法集结之宝库 在物理学史上人们把原子物理学 包括相对论 建立和发展的时期称为物理学发展的黄金时代 曾经有人饱含激情地写到 这是一个激动人心的年代 是一个需要巨人而且产生了巨人的年代 0如 果说研究者因为作出了重要的科学发现而成为巨人的话 那么在科学发现的艰苦历程中研究者正确 的思想方法 研究方法则是成就巨人的关键之所在 如 1930年 波特和贝克用 a粒子轰击铍核时 发 现从铍中发射出一种贯穿力很强的中性射线 他自认为是高能 g光子 一时间大家都在重复他们的实 验 其中约里奥 居里夫妇于 1931年用这射线轰击石腊 发现能打出强质子束 可惜他们把这一现象 解释为 g光子同质子的康普顿散射 失去了发现中子的机会 查德威克则反复实验 并比较这些实验 中的反冲 进而估算出未知射线粒子的质量与质子质量几乎相等 否定了 g光子的说法 发现了中子 在这里促使他走向成功彼岸的是比较方法的使用 因为正是比较法使他抓住了新射线与 g光子的本 质区别 从而作出了重大的科学发现 原子物理学中众多的科学成就中的每一个假设 每一个模型 每一个抽象或每一个概念的引入 新的规律的发现与总结都是各种方法的综合运用 甚至是方法论上 的创造 如玻尔在其原子模型建立的过程中 就系统地应用了分析 综合 模型 假说 演绎等一系列 方法 德国著名的物理学家玻恩说 1954年我荣膺诺贝尔奖金的那些工作 未曾包含某种新的自然 现象的发现 而是对观察自然现象的新方法的论证 0这个 新方法0后来发展为概率统计性思维方 式 成为现代自然科学的一大标志 所以 原子物理学不仅集自古以来物理学研究方法之大成 而且 体现了当代科学研究中最新的思维方式 3 原子物理学课程的教学 在原子物理教学中 人们往往认为原子物理学教学的主要任务是 通过学习 使学生掌握原子的 结构与性质及有关问题 并为理论物理中量子力学部分的学习打好基础 0没有根据原子物理学自身 的特点 把如下几方面内容作为原子物理教学不可或缺的任务 3 1 培养学生实事求事的科学观点 科学是以求真求实为天职和灵魂的 科学的本质也表现在它坚持真理这一品格上 一代代科学家 也正是坚守着求真求实的品格 才使人类突破了层层迷雾 越来越多地认识周围的种种真实存在和客 观规律 在教学中 通过原子物理学的发展可以使学生通过这一具体的科学过程 认识到求真与求实 的统一 认识到实事求是的伟大之所在 它是科学之所以是科学 科学区别于宗教迷信和伪科学的 唯一标准 从而树立实事求事的科学观点 3 2 培养学生创造性思维 创新能力 实际上原子物理学不仅仅是认识领域创新成果的荟萃 更是众多杰出科学工作者创造性思维 创 新能力的荟萃 许多典型人物和典型事例是引导与培养学生的创新意识 创新思维不可多得的范例 在原子物理学教学过程中 结合知识的传授 抓住典型事例 有目的 有意识地引导学生深入思考 从 中受到有益的启示 从而对学生进行创新意识 创新思维的培养 这也是实施素质教育的最好 最具体 的方式 3 3 进行物理学方法的教育 著名的物理学家 诺贝尔奖金的获得者理查德 费恩曼说过 科学是一种方法 它教导人们 一 些事情是怎样被人了解的 什么事情是己知的 现在了解到什么程度 因为没有什么事情是绝对已知 的 如何对待疑问和不确定性 证据服从什么法则 如何去思考事情 做出判断 如何区别真伪和表 面现象 0拉普拉斯说 认识一位天才的研究方法 对于科学的进步并不比发现本身更少用处 科学 研究的方法经常是极富兴趣的部分 0 爱因斯坦在介绍自己取得科学成功的秘诀时 总结了一个公 式 A 成功 X 艰苦的劳动 Y 正确的方法 Z 少说空话 从三位科学大师那里我们非常清 楚地看到 1 科学既包括知识又包括方法 2 科学方法具有重大的教育价值 3 科学方法是取得成功 的基本要素 所以 在原子物理教学中进行物理学方法的教育不仅十分必要的 而且物理学方法本身 94 也是原子物理知识内容的组成分 它为我们在教学中进行方法教育提供了丰富的素材和可行条件 4 结束语 全面认识原子物理学的特点 明确原子物理学的教学任务 是我们搞好这门课程教学的重要保 证 在今后的教学中 围绕上述任务 如何从原子物理教学的实际出发 根据原子物理学的特点 选择 教学内容 改革教学方法 构建较为完善的教学平台将是原子物理教学研究的一个主题 参考资料 1 申先甲 母国光 祁有龙 物理学史简编 M 济南 山东教育出版社 1985 2 陈其荣 曹志平 科学基础方法论 M 上海 复旦大学出版社 2004 3 费里德里希 赫尔内克 原子时代的先驱者 M 北京 科学技术文献出版社 1981 4 殷正坤 探幽入微之路 M 北京 人民出版社 1987 5 甘永超 李卓英 陈贻汉 原子物理学的学术战略地位与素质教育中的作用 J 1 国际物理教育通讯 2003 32 102 1051 Comment on characteristics and teaching tasks about atomic physics from angle of history JIN Rong Department of Physics College of Physical Chem ical Science XihuaUniver