原子物理教學中的實驗觀

余招賢

摘 要：原子物理教學中的核心問題是如何處理實驗和理論，經典和量子的關系。本文提出以原子物理中的基本實驗為主線，著重介紹原子物理實驗的背景、原理、現象、結果以及由此產生的原子物理學歷史上比較著名的幾個概念和實驗模型。

關鍵詞：原子物理；原子物理實驗；量子力學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

在大學物理專業的課程體系中，原子物理是定位于普通物理的基礎課程，同時又是量子力學的先導課程。從普通物理課程來看，自然要求在經典理論的框架內講解原子物理的現象和規律，但這是不太可能的，因為原子是一個典型的微觀對象，原則上必須嚴格遵守量子力學規律。從原子物理和量子力學的關系來看，原子物理是量子力學的實驗基礎，并且為量子力學提供了各種變革性的概念和模型。

通過多年的教學實踐和思考，我們認為在原子物理教學中，有一個核心問題必須得到明確的回答，即如何處理原子物理實驗和理論的關系，其實質涉及經典物理、原子物理與量子力學三者之間的關系。既無法在經典理論的框架內解決原子物理問題，同時受制于普通物理的課程定位，也不可能在嚴格的量子力學基礎上介紹原子物理知識，所以在原子物理的教學中，可以把著名的實驗作為主線，詳細介紹有關實驗的前因后果，使學生不僅接受原子物理的概念、模型和公式，而且能夠深刻體會科學家如何創造性地提出并解決問題，努力培養學生的創新意識和創新思維。

本文首先論述實驗在原子物理中的重要地位，然后選擇介紹原子物理早期的三個代表性實驗：陰極射線、盧瑟福散射、氫原子光譜，著重討論為什么要做這些實驗，這些實驗結果和哪些經典理論相矛盾，必須引進哪些新的概念和模型，從中我們得以建立新的理論。

1.原子物理中實驗的地位

物理學是一門實驗性很強的基礎學科，一切理論都應該以實驗為依據，原子物理的情況更是如此。因為原子的世界不能直接感知，只能通過實驗手段進行觀測，對觀察現象進行分析，揭示出經典理論無法解釋的微觀現象，經過邏輯思維形成概念和模型，最后通過數學表達成為新的理論。理論是否正確當然還要回到實驗中接受進一步的檢驗，從實驗上升到理論再回到實驗的科學原則在原子物理的發展過程中得到了反復的實踐和驗證。

原子物理中的許多著名實驗，展現了微觀對象的許多不同尋常的運動特征，標志著人類探索微觀世界的重大進展。在原子物理的教學中，自然要把這些著名實驗放在突出的位置，圍繞實驗及其相關理論解釋這條主線，充分說明實驗的背景知識、設計思路、觀測現象和結果分析，展示它在經典理論的框架內是如何矛盾無解的，揭示其背后隱藏的物理實質，尋找反映其運動規律的概念和模型，最終給我們帶來關于自然界的全新認識。

2.陰極射線實驗及湯姆遜模型

1897年，約瑟夫·約翰·湯姆遜通過陰極射線實驗，發現了電子存在的確切證據。其實早在在湯姆遜之前，人們就已經對陰極射線進行了長時間的研究，只是由于實驗條件的限制，一直沒有觀測到陰極射線在電磁場中的確定偏轉，許多科學家因此錯誤地認為陰極射線不帶電。隨著實驗條件的進步，湯姆遜和其他一些科學家差不多同時作出了非常精確的陰極射線實驗，但是只有湯姆遜敢于同傳統觀念決裂，第一個大膽地認為存在比原子更小的粒子，陰極射線即由電子組成。這個歷史事實表明，如果沒有大膽假設，小心求證的創新思維，就會成為恩格斯所說的“當真理碰到鼻子尖上的時候還是沒有得到真理”的人。

湯姆遜的電子發現不僅打破了人們對原子“不可分割”的固有思維，而且它還明白無誤地表明原子有內部的結構。電子帶負電而原子卻是電中性的，那么原子中一定有帶正電的部分，問題是原子中的正負電荷是如何分布的呢？湯姆遜繼續發揮科學想象力，在1898年提出原子的 “葡萄干面包”模型，設想原子的正電荷均勻分布在整個原子空間，電子則按一定的規律分散其中。湯姆遜原子模型在解釋當時的原子實驗和元素周期律取得了一定的成功。

3.盧瑟福散射實驗和盧瑟福原子模型

1909年盧瑟福和學生在實驗室進行了關于原子的散射實驗。他們用粒子轟擊金箔，試圖通過測量散射粒子的角度分布確定原子的大小和內部結構。觀察結果出乎大家預料：大約有八千分之一的粒子散射角超過九十度，這和當時所有的原子理論都是相矛盾的，例如湯姆遜的“葡萄干面包”模型就預言觀測到大角度散射粒子的概率是極低的，遠遠小于盧瑟福的實驗觀測結果。

盧瑟福是當時的理論權威湯姆遜的學生，在科學面前他選擇尊重實驗事實，不受恩師權威的束縛，根據粒子散射的實驗結果，推想既然觀測到粒子的反射，必定是和金箔原子中的某種硬核發生碰撞反彈，這個硬核應該帶正電，而且包含原子的絕大部分質量，同時大角度散射粒子占比很少，說明原子內部很空，硬核占據的體積很小。經過仔細分析實驗數據，并輔以大膽的科學想象和嚴謹的數學推理，盧瑟福于1911年正式提出原子的“核式結構”模型：原子中心為帶正電且占有原子絕大部分質量的“原子核”，電子在原子核周圍的特定的軌道上運動。

盧瑟福的原子模型雖然在解釋粒子散射實驗上取得了巨大的成功，但是很快發現它存在一個致命的弱點。根據經典電磁理論，電子繞原子核運動時會發射電磁波，從而損失部分能量，直至電子“墜落”在原子核上，這說明盧瑟福的原子模型是不穩定的，實際情況是理論預言的原子坍縮并未發生，自然萬物中的各種原子都是穩定地存在著。

4.氫原子光譜實驗和玻爾量子理論

盧瑟福原子模型的不穩定，可以說是一個非常嚴重的物理問題。當時還有一些實驗表明，原子的行為好像受到一種物理上非常古怪的神秘規律支配。實驗觀測到每種元素都會產生特定的線狀光譜，這些復雜的譜線滿足一定的規律，例如確定氫原子譜線位置的巴爾末公式，當時只能作為一個經驗公式對待，包括盧瑟福模型在內的原子理論既無法解釋線狀光譜的存在，更談不上推導巴爾末公式。玻爾并沒有因為盧瑟福原子模型的困難而放棄這個模型，相反他開始懷疑經典電磁理論是否適用于原子的系統。1912年玻爾發表了他在原子結構方面的第一篇論文，玻爾以深刻的洞察力預見到在原子層次，經典理論可能不再適用，只有引進量子概念并結合盧瑟福的原子模型，才能解決原子穩定性困難和光譜公式來源之謎。

玻爾的關鍵一步是他抓住巴爾末公式這個毫不起眼但卻是獨一無二的線索，巴爾末公式中出現的自然數n令人難以理解，直覺告訴他這是一種量子化的表現，進而推斷原子內部只能以特定的量吸收或發出能量，電子也只能處在具有特定能量的定態軌道，原子的特定譜線自然就對應著電子在這些軌道之間的躍遷。于是玻爾在1913年提出定態，躍遷和量子化三大假設，建立了完整的氫原子理論，雖然它還帶有經典理論的痕跡，但它產生的影響卻是巨大而深遠，不僅動搖了經典理論在物理學中的統治地位，而且把人們對原子現象的認識推進到量子力學的水平。

綜上所述，原子物理是一門普通物理課程，同時又是經典和量子相互交叉，理論和實驗高度結合的綜合性課程。在原子物理的教學中，要牢牢把握原子物理基本實驗的這條主線，仔細處理好實驗和理論的關系，經典理論和量子力學的關系，引導學生掌握原子物理基本實驗的原理，方法和結論，為量子力學的學習打好基礎，同時大力培養學生勇于探索和敢于創新的科學精神。

參考文獻：

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