民国时期中学物理教科书中的原子物理学知识*

王春燕 尹晓冬*

(首都师范大学物理系 北京 100048)

民国时期中学物理教科书中的原子物理学知识*

王春燕 尹晓冬*

(首都师范大学物理系 北京 100048)

20世纪初原子物理学迅猛发展，新知识不断传入中国，对中国物理学的教学产生重要的影响．本文将梳理民国时期中学物理教科书中原子物理学知识的内容，研究这些教材中有关原子(及核)的结构及其成分的相关内容,并对该内容在民国时期中学物理教科书的演变历史作出评析．随着人类对微观世界的探索，人们所获得的微观领域的知识尚在发展之中，与此同时，中国的科学教育也不断发展着．这使得诸教科书的编者对原子结构、核结构及其成分的表达并不统一，甚至有些概念也有些含混，这导致教科书的内容表现得有些混乱，这种自然科学的认识规律的曲折性，竟也体现在中国教科书的编写之中．

民国中学物理教科书 原子物理学教学 中国物理学史

19世纪末20世纪初，一些新发现冲破原子不可分的观念，并使原子物理学获得迅猛的发展．在原子内部结构及其成分的探索过程中，1897年J·J汤姆孙(Joseph John Thomson，1856-1940)根据阴极射线在电场和磁场作用下的轨迹确定了阴极射线为带负电的电子流，打破了原子不可分的观念．1911年卢瑟福(Ernest Rutherford，1871-1937)α粒子散射实验，肯定了原子核的存在，确立了原子的核式结构．1913年，玻尔(Niels Bohr，1885-1962)在卢瑟福的行星模型基础上，运用普朗克(Max K.E.L.Planck，1858-1947)的量子理论，提出了修正的原子模型．1919年卢瑟福再次利用α粒子进行轰击氮核实验，证明了氢核存在于所有原子的原子核中，并命名为质子．1920年卢瑟福猜测中子的存在，1932年得到了查德威克(Sir James Chadwick，1891-1974)的证实．

1 电子发现在民国教科书中的反映

民国时期，在科学教学中，中学教师注重新的实验与理论的知识的介绍，以培养学生的科学素养．在介绍阴极射线的性质已经加入电子发现的内容，教科书中阴极射线的性质已经很成熟，因此在介绍阴极射线性质的时候采用了一些经典的且难易程度适宜的实验，并附有插图，这些实验共有6个：阴极射线之直进、阴极射线之磁效应、阴极射线之热效应、阴极射线之机械效应、阴极射线之相互排斥、测量电子荷质比之实验，不同教科书选入的实验不一样．但是在加入电子发现的教科书中，作者发现电子的两个关键实验：

(1)测量阴极射线电荷实验，确定阴极射线为带负电粒子；

(2)测量阴极射线的荷质比，确定阴极射线是由比原子更深层次更小粒子的组成.

这两个实验特别是测量电子荷质比的实验没有很好地应用到教科书中，笔者在收集的资料中，唯一发现运用了荷质比实验的有周昌寿1930年的《新时代高中教科书物理学》(下册)以及1937年的《复兴高级中学物理学》(下册)．

在《新时代高中教科书物理学》(下册，1930年版)中，作者引入的实验是汤姆孙利用电场、磁场偏转法，测出阴极射线先后在匀强电场和匀强磁场中穿过一定距离时的偏转以测定阴极射线荷质比．该实验介绍非常详细，且笔者认为该内容有电磁学的知识即可理解．周昌寿在该书编辑大意中表明：“物理学于晚近30年来之进步最速，且极重要．理论方面，如放射性、原子构造、相对性原理及量子论等；应用方面、如无线电、传真电报，远视及有声电影等，均其荦荦大者．此类问题，如欲涉及详细，诚非专书不办，然若言其原理，则高中程度之学生，似亦应得知其概略．否则现势尚不明瞭，安能在此新领域中求得发展其天才之机会哉．”[1]而其他教科书编者如仲光然等认为太过于高深的内容，应留到大学学习[2]．周昌寿一直倡导对于深度相对较大的内容以及比较前沿的内容也要让中学生略知一二，以求得更好的学习和发展．

2 原子核内容在民国教科书中的反映

随着原子结构及其成分的不断发现，该内容在民国的中学物理教科书中呈现了逐步增加的趋势．如1918年，陈愰在《适用教科书物理学》阐述原子组成成分：“近来学者，谓物质之原子，为阴阳二种电子所集合而成．”[3]吴传绂在《新制物理学教本 》也完整地阐述了原子的成分，他阐述到：“谓阴极线系带有阴电气之微粒子．发出于阴极者也．此微粒子曰阴电子．其质量约当轻素原子二千分之一．同样由阳极发出带有阳电气之微粒子．亦已发现．此曰阳极线．此微粒子曰阳粒子．其质量与轻素原子相匹……凡物质之原子．概由阳粒子与阴电子所成．是曰电子说．”[4]由于卢瑟福的原子核式结构刚发表不久，编者们对于该内容掌握还不够，对原子核的翻译与定名出现比较混乱的现象(表1为民国中学教科书中“原子核”的译名)，而且对于“原子核”这一概念也并未完全接受．如屠坤华在1921年将密立根(Robert Andrews Millikan,1868-1953)的《A First Caurse in Physics》翻译为《汉译密尔根物理学》的教科书中，把原子核译为正感电子：“谓正感电子，实为原子之核”，且认为“不必奉为金科玉律．”[5]

表1 民国中学教科书中“原子核”的译名

3 原子结构模型在民国教科书中的反映

原子由电子和原子核构成，他们是如何相处才使得原子是稳定的？民国中学物理教科书中用的原子结构模型主要是影响比较大的卢瑟福有核行星模型或建立在卢瑟福行星模型基础上的玻尔原子模型，但部分教科书也采用了其他原子模型．表2呈现出民国中学教科书中采用的核式结构，以下对这些模型分析．

表2 民国中学教科书中核式结构

(1)卢瑟福行星模型的引入．如屠坤华的译著里运用了卢瑟福的行星结构模型：“今既未有实据，证明正感电子可以离分子而独立．则惟有持尚吾生氏之理想．谓正感电子，实为原子之核．而负感电子，则绕此心疾转耳．据此理想原子殆如一种极小之太阳系，其电子各元．与原子直径之比，不过如地球与其轨道直径之比．”[5]文中讲述的是卢瑟福的行星模型，却将其称为“尚吾生氏”(J.JThomson)之理想．但随着编者对该原子模型认识的不断深入，所引入在知识也更加准确，1941年仲光然的《高中物理学》(下册)就正确的描述了卢瑟福的有核行星模型：“1911年英人刺德福氏提出一原子构造说，他说道：原子恰像一个太阳系，核和太阳相当，电子和周围运动的行星相当．”[2]

(2)玻尔原子模型的引入．从表2中看到引用了玻尔原子模型的有周昌寿的《新时代高中教科书物理学 》(下册1930年版)，作者详细描述了玻尔的原子模型．玻尔原子模型在当时属于比较前沿且难度比较大的知识．如上所述，不同的编者对于内容的选定有自己的见解，周昌寿一直倡导对于深度相对较大的内容以及比较前沿的内容也要让中学生略知一二，以求得在物理领域更好的学习和发展，因此周昌寿在中学教材就加入了该内容．

(3)其他原子模型结构的介绍．在科学家猜测出各种原子结构的时候，除了影响较大的卢瑟福的行星模型以外，还有其他的模型也在中学教科书得到介绍．如沈星五提到的2种结构模型:

1)Thomas氏与Bohr氏之说法——负电子环绕原子核如行星绕日，每一电子，绕行于一定轨道，所谓电子轨道也．图1表示，数种原子中拟想之电子轨道．图中(1)指氦，(2)指锂，(3)指氖，(4)指钠，(5)指镭．

图1 原子拟想电子轨道

2)Lewis氏与Langmier氏之说法——八合论——原子核外之负电子各守定位，所占之地位适可成一正方形，负电子即占其角点．此种理论对于原子价与化学作用上似较确切，但不能解释光谱中各原子所表现之带线现象．图2表示数个不同原子之八合论之构造[6]．

图2 原子八合论构造

托马斯(LlewellynThomas,1903—1992)是英国物理学家和应用数学家，在原子物理学的研究中，他提出了：托马斯进动、托马斯-费米方程、托马斯少体物理学崩塌效应．他的成就基本上是在1925年到1926年博士毕业获奖学金赴玻尔研究所学习所完成的，而此时离玻尔提出原子模型(1913年)12年．再从图中的模型来看，这些图像所体现的电子轨道猜测，沈星五将卢瑟福-玻尔模型写成了托马斯-玻尔模型．路易斯(GilbertNewtonLewis，1875—1946)是美国物理化学家，是共价键理论和电子对概念的提出者，他的路易斯结构和价键理论塑造了现代理论化学键．朗缪尔(IrvingLangmuir，1881-1957)美国物理化学家，在1932年因原子结

构和化学表面理论的突出贡献获得诺贝尔化学奖，他在多方面的贡献，其中就包括物质结构如：分子、原子、晶体等物质的结构．八合论(Cubicaloctetatom)是朗缪尔发展路易斯结构(Cubicalatom)的一个原子模型，路易斯结构是早期的一个原子模型，该理论于1902年提出，1916年发表在他的文章TheAtomandtheMolecule[7]，他提出该理论主要是为了解释化合价现象，认为电子被定位在原子壳层(立方体)八个角上．1919年朗缪尔发表TheArrangementofElectronsinAtomsandMolecules[8]进一步发展为“八合论”．随着子理论的发展，人们放弃了该模型，但早期对化学键的理解还是有价值的．该理论将前两个电子放于体内，剩下的电子定位于立方体的八个角上，角上有几个电子就说明显几价，如图中的He元素，因为角上没有电子，所以化合价为零，而Li元素角上有一个电子，所以显1价．

4 质子内容在民国教科书中的反映

卢瑟福利用α粒子打开了原子的大门，1919年卢瑟福再次利用α粒子发现氢核存在于所有原子的原子核中，并命名为质子．民国时期中学教科书也及时反映了这些发展．

表3为民国时期质子传入后在中学教科书中的反映.

表3 民国时期“质子”的译名

从图表中可以发现科学知识是极为迅速的．从1919年质子的提出到1926年质子反映在中学教科书仅仅7年．周昌寿的《新撰初级中学教科书物理学》(1926年)：“据种种电现象及阳线研究之结果，知失去一个电子之氢原子，其质量及电荷均为最小，在此以下之阳粒子，未曾为人发现，故可用之作为阳电之单元，而称之曰质子(Proton).”[9]但部分编者对于质子的翻译尚不准确，如把质子称为“电核”：“原子组织，氢为最简，除一个电子外，所谓原子核者，即为电核”．[10]此外，还有将质子和原子核混淆，将原子核称之为“正电子(原子核)”，但又描述道：“原子核之质量大于负电子1 845倍，故所谓一物体之质量实即原子核之质量也”，[6]该句子应指的是质子．

5 民国时期质子-电子模型内容在教科书中的反映

卢瑟福在1920年提出了两个猜测，一个猜测是原子中有一个中性粒子(即中子)，但是中子呈电中性，且由于微观领域无法直观以及没有坚固的实验直接检测，另外，当时人们认识到的基本粒子只有电子、质子以及光子，当时普遍的看法是：“一切元素之原子，均由质子与电子合成．”[1]关于原子核结构的代表性的表述如下：

正电之电荷，根据原子蜕变之事实，位于原子中央，与一部分电子，组成原子核(AtomicNucleus)是即所谓原子中心也．其余电子，在核外四周，旋转不息．故原子核中，不特有核正电之若干电荷，且有核负电之若干电子，特前之总电量多，后者之总电量少，故就整个原子核言，遂荷正电．但原子核中所余之正电量，又与绕原子核旋转之电子，所荷之总负电量相等，故就整个原子而言，不带电性．

氦之原子量为4，适等于氢原子量之4倍．可知氦之原子，必含有4个电核，又因电性中和，4个电核之外，必再含有4个电子．但自第11节所述，α微粒自质射元素射出者，与氦原子等量，所荷正电，计有两个单位，故即为氦原子之失去二个电子者也，内部组织，十分稳固．由此推想，α微粒必为氦原子之原子核，含有4个电核，并有2个电子．兹为设想便利起见，以氢原子，氦原子与α微粒之结构，图表之如图3所示．图中黑点代表电核，小圈代表电子，虚线圆周，代表电子运行之轨道．惟须注意者，图仅为代表氢氦二原子结构之大概，并未示其实行．[10]

图3 质子-电子模型

这就是19世纪20年代到30年代有名的质子-电子模型，即假定原子量为N，且原子序数为Z的核由N个质子和N—Z个电子组成的，因此原子核的电量正好与核外电子形成电中性的原子．如以图中氦原子为例，氦的原子量为4，原子序数为2，因此轨道(虚线)中间4个质子(实心圆表示)，原子核内有4-2个电子(两个空心圆表示)，轨道上有2个电子(两个空心圆表示)．

质子-电子模型一直被沿用，直到1932年查德威克证实了中子的存在，并传入了中国，如严济慈(1948年)所编的《高中物理学(下册)》：“原子序数为Z之原子核中，除Z个质子外，尚有A-Z个中子(Neutron)．中子为不显电性，而呈中和之质点，其质量与质子相等．”[11]

6 结论

回首民国时期的物理教科书，众多编者们有选择地增加一些物理学前沿的内容，目的在于增长学生的见识或扩展学生的视野．此外，原子物理学作为现代物理学的基础内容之一，加入到中学教科书也有益于中学与大学课程的衔接．

也正是由于该内容属于比较前沿的物理学知识，它在中学教科书中呈现出以下几个特点：

(1)重视理论与实验相结合．如阴极射线性质的实验等介绍了实验并附有插图．

(2)在描述原子(及核)的结构及其成分的内容时有些属于猜测，尚难以实证．所以有些作者认为原子为“一种玄论”，对“原子核”称“不必奉为金科玉律”．

(3)科技名词的翻译与定名比较混乱．如原子核，吴传绂称为“阳粒子”，屠坤华称为“正感电子”，王季烈、周昌寿称为“阳核”等．

(4)也许有些知识并没有完全掌握．如将卢瑟福模型称为尚吾生(J.J.Thomson)的模型，将卢瑟福-玻尔原子模型称为托马斯-玻尔原子模型．

(5)内容的深度不一．

(6)编者所涉及的新知识存在不确定性、不完备性，随着科学的不断发展，编者对教科书的编著也逐步走向深化和完善．如介绍质子电子模型，以解释原子的电中性．

随着人类对微观世界的探索，人们所获得的微观领域的知识尚在发展之中，与此同时，中国的科学教育也不断发展着．这使得诸教科书的编者对原子结构、核结构及其成分的表达尚难以统一，甚至有些概念也有些含混，这导致教科书的内容表现得有些混乱，这反映了自然科学的认识的曲折性，而这也体现在中国教科书的编写之中，这是我们所未能预料的．

致谢：本文得到了尹晓冬老师的悉心指导，此外，在写作过程中，刘树勇老师给出了宝贵修改意见，刘辛味、张辉同学亦给了我很大启发，特此感谢．

1 周昌寿. 新时代高中教科书物理学 下册.上海：商务印书馆，1930

2 仲光然. 高中物理学(下册).上海：中华书局，1941

3 陈愰. 适用教科书物理学.上海：商务印书馆，1918

4 吴传绂. 新制物理学教本.上海：中华书局，1918

5 密尔根，盖尔. 汉译密尔根盖尔物理学.屠坤华，译.上海：商务印书馆，1921

6 沈星五. 文化高中教科书高中物理.北平：文化学社，1934

7Lewis,GilbertN.(1916-04-01)."TheAtomandtheMolecule.".JournaloftheAmericanChemicalSociety38 (4): 762～785

8Langmuir,Irving(1919-06-01)."TheArrangementofElectronsinAtomsandMolecules.".JournaloftheAmericanChemicalSociety41 (6):868～934

9 周昌寿. 新撰初级中学教科书物理学.上海：商务印书馆，1926

10 倪尚达. 高中物理学(下册).南京：钟山书局，1933

11 严济慈. 高中物理学(下册).中国科学图书仪器公司印行，1948

**北京市教育委员会科技计划一般项目，项目编号：KM201610028003；2015年北京市属高等学校青年拔尖人才培育计划；首都师范大学教改项目“光学实验教学中物理学史应用研究”.

2016-06-30)