原子物理教学中的实验观

余招贤

摘 要：原子物理教学中的核心问题是如何处理实验和理论，经典和量子的关系。本文提出以原子物理中的基本实验为主线，着重介绍原子物理实验的背景、原理、现象、结果以及由此产生的原子物理学历史上比较著名的几个概念和实验模型。

关键词：原子物理；原子物理实验；量子力学

中图分类号：G642 文献标识码：A

在大学物理专业的课程体系中，原子物理是定位于普通物理的基础课程，同时又是量子力学的先导课程。从普通物理课程来看，自然要求在经典理论的框架内讲解原子物理的现象和规律，但这是不太可能的，因为原子是一个典型的微观对象，原则上必须严格遵守量子力学规律。从原子物理和量子力学的关系来看，原子物理是量子力学的实验基础，并且为量子力学提供了各种变革性的概念和模型。

通过多年的教学实践和思考，我们认为在原子物理教学中，有一个核心问题必须得到明确的回答，即如何处理原子物理实验和理论的关系，其实质涉及经典物理、原子物理与量子力学三者之间的关系。既无法在经典理论的框架内解决原子物理问题，同时受制于普通物理的课程定位，也不可能在严格的量子力学基础上介绍原子物理知识，所以在原子物理的教学中，可以把著名的实验作为主线，详细介绍有关实验的前因后果，使学生不仅接受原子物理的概念、模型和公式，而且能够深刻体会科学家如何创造性地提出并解决问题，努力培养学生的创新意识和创新思维。

本文首先论述实验在原子物理中的重要地位，然后选择介绍原子物理早期的三个代表性实验：阴极射线、卢瑟福散射、氢原子光谱，着重讨论为什么要做这些实验，这些实验结果和哪些经典理论相矛盾，必须引进哪些新的概念和模型，从中我们得以建立新的理论。

1.原子物理中实验的地位

物理学是一门实验性很强的基础学科，一切理论都应该以实验为依据，原子物理的情况更是如此。因为原子的世界不能直接感知，只能通过实验手段进行观测，对观察现象进行分析，揭示出经典理论无法解释的微观现象，经过逻辑思维形成概念和模型，最后通过数学表达成为新的理论。理论是否正确当然还要回到实验中接受进一步的检验，从实验上升到理论再回到实验的科学原则在原子物理的发展过程中得到了反复的实践和验证。

原子物理中的许多著名实验，展现了微观对象的许多不同寻常的运动特征，标志着人类探索微观世界的重大进展。在原子物理的教学中，自然要把这些著名实验放在突出的位置，围绕实验及其相关理论解释这条主线，充分说明实验的背景知识、设计思路、观测现象和结果分析，展示它在经典理论的框架内是如何矛盾无解的，揭示其背后隐藏的物理实质，寻找反映其运动规律的概念和模型，最终给我们带来关于自然界的全新认识。

2.阴极射线实验及汤姆逊模型

1897年，约瑟夫·约翰·汤姆逊通过阴极射线实验，发现了电子存在的确切证据。其实早在在汤姆逊之前，人们就已经对阴极射线进行了长时间的研究，只是由于实验条件的限制，一直没有观测到阴极射线在电磁场中的确定偏转，许多科学家因此错误地认为阴极射线不带电。随着实验条件的进步，汤姆逊和其他一些科学家差不多同时作出了非常精确的阴极射线实验，但是只有汤姆逊敢于同传统观念决裂，第一个大胆地认为存在比原子更小的粒子，阴极射线即由电子组成。这个历史事实表明，如果没有大胆假设，小心求证的创新思维，就会成为恩格斯所说的“当真理碰到鼻子尖上的时候还是没有得到真理”的人。

汤姆逊的电子发现不仅打破了人们对原子“不可分割”的固有思维，而且它还明白无误地表明原子有内部的结构。电子带负电而原子却是电中性的，那么原子中一定有带正电的部分，问题是原子中的正负电荷是如何分布的呢？汤姆逊继续发挥科学想象力，在1898年提出原子的 “葡萄干面包”模型，设想原子的正电荷均匀分布在整个原子空间，电子则按一定的规律分散其中。汤姆逊原子模型在解释当时的原子实验和元素周期律取得了一定的成功。

3.卢瑟福散射实验和卢瑟福原子模型

1909年卢瑟福和学生在实验室进行了关于原子的散射实验。他们用粒子轰击金箔，试图通过测量散射粒子的角度分布确定原子的大小和内部结构。观察结果出乎大家预料：大约有八千分之一的粒子散射角超过九十度，这和当时所有的原子理论都是相矛盾的，例如汤姆逊的“葡萄干面包”模型就预言观测到大角度散射粒子的概率是极低的，远远小于卢瑟福的实验观测结果。

卢瑟福是当时的理论权威汤姆逊的学生，在科学面前他选择尊重实验事实，不受恩师权威的束缚，根据粒子散射的实验结果，推想既然观测到粒子的反射，必定是和金箔原子中的某种硬核发生碰撞反弹，这个硬核应该带正电，而且包含原子的绝大部分质量，同时大角度散射粒子占比很少，说明原子内部很空，硬核占据的体积很小。经过仔细分析实验数据，并辅以大胆的科学想象和严谨的数学推理，卢瑟福于1911年正式提出原子的“核式结构”模型：原子中心为带正电且占有原子绝大部分质量的“原子核”，电子在原子核周围的特定的轨道上运动。

卢瑟福的原子模型虽然在解释粒子散射实验上取得了巨大的成功，但是很快发现它存在一个致命的弱点。根据经典电磁理论，电子绕原子核运动时会发射电磁波，从而损失部分能量，直至电子“坠落”在原子核上，这说明卢瑟福的原子模型是不稳定的，实际情况是理论预言的原子坍缩并未发生，自然万物中的各种原子都是稳定地存在着。

4.氢原子光谱实验和玻尔量子理论

卢瑟福原子模型的不稳定，可以说是一个非常严重的物理问题。当时还有一些实验表明，原子的行为好像受到一种物理上非常古怪的神秘规律支配。实验观测到每种元素都会产生特定的线状光谱，这些复杂的谱线满足一定的规律，例如确定氢原子谱线位置的巴尔末公式，当时只能作为一个经验公式对待，包括卢瑟福模型在内的原子理论既无法解释线状光谱的存在，更谈不上推导巴尔末公式。玻尔并没有因为卢瑟福原子模型的困难而放弃这个模型，相反他开始怀疑经典电磁理论是否适用于原子的系统。1912年玻尔发表了他在原子结构方面的第一篇论文，玻尔以深刻的洞察力预见到在原子层次，经典理论可能不再适用，只有引进量子概念并结合卢瑟福的原子模型，才能解决原子稳定性困难和光谱公式来源之谜。

玻尔的关键一步是他抓住巴尔末公式这个毫不起眼但却是独一无二的线索，巴尔末公式中出现的自然数n令人难以理解，直觉告诉他这是一种量子化的表现，进而推断原子内部只能以特定的量吸收或发出能量，电子也只能处在具有特定能量的定态轨道，原子的特定谱线自然就对应着电子在这些轨道之间的跃迁。于是玻尔在1913年提出定态，跃迁和量子化三大假设，建立了完整的氢原子理论，虽然它还带有经典理论的痕迹，但它产生的影响却是巨大而深远，不仅动摇了经典理论在物理学中的统治地位，而且把人们对原子现象的认识推进到量子力学的水平。

综上所述，原子物理是一门普通物理课程，同时又是经典和量子相互交叉，理论和实验高度结合的综合性课程。在原子物理的教学中，要牢牢把握原子物理基本实验的这条主线，仔细处理好实验和理论的关系，经典理论和量子力学的关系，引导学生掌握原子物理基本实验的原理，方法和结论，为量子力学的学习打好基础，同时大力培养学生勇于探索和敢于创新的科学精神。

参考文献：

[1] 董向成，郭中华，郑小平.对原子物理教学若干问题的分析[J].甘肃高师学报，2008（2）.

[2]张之麟.原子物理教学的三条主线[J].陇东学院学报（自然科学版），2007（2）：71-74.