物理實(shí)驗(yàn)在原子物理教學(xué)的貢獻(xiàn)

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摘要：本文探討了原子物理的課程教學(xué)及近代物理實(shí)驗(yàn)的改革，分析討論了近代物理實(shí)驗(yàn)在原子物理教學(xué)中的貢獻(xiàn)，教學(xué)過程中以實(shí)驗(yàn)—理論—新的實(shí)驗(yàn)—新的理論或理論修正為線索，向?qū)W生揭示了微觀物理的研究歷程以及微觀世界的物理規(guī)律，以期能有效地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和專業(yè)從教能力，使其能更好地適應(yīng)基礎(chǔ)教育的教學(xué)實(shí)際。

關(guān)鍵詞：近代物理實(shí)驗(yàn)；素質(zhì)教育；原子物理教學(xué)

一、引言

1923年物理學(xué)家密立根在獲得諾貝爾獎時曾說過：“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實(shí)驗(yàn)，有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面，但只有兩條腿才能前進(jìn)。”［1］原子物理是物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，它與經(jīng)典物理中的力、熱、光、電等課程有所不同，這些課程都有成熟完美的理論體系，運(yùn)用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)演繹方法，可以推演公式計(jì)算出結(jié)果并解決實(shí)際問題，但原子物理既沒有經(jīng)典物理中的力、熱、光、電完美，也沒有量子力學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)，核心是半經(jīng)典半量子的內(nèi)容，因此是聯(lián)系經(jīng)典物理和近代量子物理的重要橋梁，其建立和發(fā)展與近一百多年的近代物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)［2,3,4］。在原子物理的教學(xué)中，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析歸納總結(jié)，逐步建立發(fā)展原子的理論模型，揭示原子結(jié)構(gòu)及運(yùn)動規(guī)律，例如通過原子物理的一系列重大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過程誘導(dǎo)學(xué)生模擬先人建立研究微觀領(lǐng)域的物理思想，通過α粒子散射、分立光譜和電磁相互作用等原子物理的分析方法使學(xué)生掌握研究和解決微觀物理問題的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析可以更加清晰地讓學(xué)生看到科學(xué)探索的過程，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)更多新的信息修正理論然后再在實(shí)踐中加以檢驗(yàn)，進(jìn)而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和專業(yè)能力［5，6，7］。近代物理實(shí)驗(yàn)在原子物理教學(xué)中的主要貢獻(xiàn)我們歸納為：①近代物理實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探索新的物理規(guī)律；②近代物理實(shí)驗(yàn)還可以檢驗(yàn)理論模型的正確性，判斷理論假設(shè)的成立條件，給出理論的適用范圍；③近代物理實(shí)驗(yàn)更可以使理論得到推廣應(yīng)用，并開拓新的研究領(lǐng)域。但是，現(xiàn)階段“近代物理實(shí)驗(yàn)”課與專業(yè)基礎(chǔ)理論課“原子物理”不能很好地相對應(yīng)，理論課程相對于實(shí)驗(yàn)課滯后或滯前，這就導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)與理論課教學(xué)不能同步，其結(jié)果是學(xué)生在沒有相應(yīng)基礎(chǔ)知識的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無法深入理解實(shí)驗(yàn)中所包含的原子理論，只能簡單機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)步驟，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文將著重以氫氘光譜實(shí)驗(yàn)和塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)討論近代物理實(shí)驗(yàn)課與原子物理理論教學(xué)的融合，這不僅可加深對原子物理理論的理解，還可學(xué)習(xí)如何用實(shí)驗(yàn)手段，再現(xiàn)物理現(xiàn)象，并通過現(xiàn)象認(rèn)識其物理規(guī)律。

二、氫氘光譜實(shí)驗(yàn)與玻爾氫原子理論的建立及發(fā)展

近代原子理論是從氫原子光譜實(shí)驗(yàn)開始的，整個發(fā)展過程很好的詮釋了近代物理實(shí)驗(yàn)在原子物理中的貢獻(xiàn)，通過原子物理理論教學(xué)可以讓學(xué)生了解近代物理發(fā)展的精彩一幕［8,9］。到1885年光譜實(shí)驗(yàn)已觀測到14條氫光譜線，巴耳末分析研究后提出了一個經(jīng)驗(yàn)公式，而里德伯在1889年又獨(dú)立憑經(jīng)驗(yàn)湊出了一個更普遍的方程。新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象意味著新的物理規(guī)律的萌芽、發(fā)展和完善。年輕的丹麥物理學(xué)家玻爾發(fā)展和完善了湯姆孫和洛倫茲的研究方法，創(chuàng)造性地把普朗克提出的量子假說應(yīng)用于當(dāng)時人們持懷疑的盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型，并把原子光譜的離散線狀譜的物理機(jī)制和原子結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，非常完美地解釋了困惑物理學(xué)家們近30年的光譜實(shí)驗(yàn)之謎。隨后玻爾理論的拓展又成功地解釋了類氫光譜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并證實(shí)了氫的同位素“氘”的存在（實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了理論模型的正確性）。愛因斯坦心悅誠服地稱玻爾的理論是一個“偉大的發(fā)現(xiàn)”。原子物理作為普通物理最后一門課程，通常安排在大二下學(xué)期進(jìn)行，“原子的玻爾—索末菲理論”在第二章中講授，而“氫氘光譜實(shí)驗(yàn)”為近代物理實(shí)驗(yàn)的第一部分，為了理論課與實(shí)驗(yàn)課融合以及近代物理實(shí)驗(yàn)改革，我院做出了同步安排，但實(shí)驗(yàn)課教師通常僅簡單地向?qū)W生說明實(shí)驗(yàn)原理，主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)儀器的操作使用，對此我們讓原子物理課程團(tuán)隊(duì)成員擔(dān)任實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的教師參與到近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，將近代物理實(shí)驗(yàn)作為專業(yè)基礎(chǔ)理論課在實(shí)驗(yàn)方面的延伸，讓實(shí)驗(yàn)與專業(yè)基礎(chǔ)知識緊密聯(lián)系，取得了很好的教學(xué)效果。另外，我們還告訴學(xué)生隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和光譜儀分辨率的提高，在實(shí)驗(yàn)中又觀察到了新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（例如氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)），這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果和哪些原有理論相矛盾，必須引進(jìn)哪些新的概念和模型，進(jìn)而拓展原子理論。邁克爾遜和莫雷在1896年就發(fā)現(xiàn)氫原子光譜巴耳末系的第一條譜線（Hα）是雙線，后來在高分辨率光譜儀中呈現(xiàn)出三線。玻爾猜測這可能是由于電子在橢圓軌道上運(yùn)動時作進(jìn)動所引起的。索末菲便于1916年提出修正理論：一是把玻爾的圓形軌道推廣為橢圓軌道，二是引入了相對論修正。定量計(jì)算出了三條Hα線，與實(shí)驗(yàn)完全符合。不過，這一“完全符合”純粹是一種巧合。實(shí)際上，在高分辨率譜儀中，一條Hα線將呈現(xiàn)出七條精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線（蘭姆移位）。對此，玻爾－索末菲模型就完全無能為力了。1926年海森伯運(yùn)用量子力學(xué)對索末菲的修正進(jìn)行了嚴(yán)格推導(dǎo)，1928年狄喇克的相對論量子力學(xué)自然地計(jì)入了電子的自旋，并依此算出電子的自旋與軌道相互作用，玻爾的理論才得到升華。另外，蘭姆移位和反常電子磁矩的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了量子電動力學(xué)的蓬勃發(fā)展。

三、塞曼效應(yīng)與磁相互作用

塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)中非常著名的一個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，是繼法拉第1845年發(fā)現(xiàn)旋光效應(yīng)，克爾1875年發(fā)現(xiàn)電光效應(yīng)和1876年發(fā)現(xiàn)磁光效應(yīng)之后，由荷蘭物理學(xué)家塞曼于1896年發(fā)現(xiàn)的又一個磁光效應(yīng)，在原子物理和量子理論的發(fā)展中（原子結(jié)構(gòu)、泡利原理、電子自旋、發(fā)光機(jī)制等）具有非常重要的地位。它不僅證實(shí)了原子具有磁矩和和在磁場空間取向量子化，而且通過它能測定電子的荷質(zhì)比和g因子的數(shù)值，在歷史上引發(fā)和推動了量子理論的發(fā)展，至今它仍然是研究原子內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)的重要方法之一［10,11］。因此，在原子物理和量子理論課程中，塞曼效應(yīng)的原理和現(xiàn)象是教學(xué)的重點(diǎn)，也是近代物理實(shí)驗(yàn)中必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)常會出現(xiàn)在各種物理競賽中。“塞曼效應(yīng)”在原子物理教學(xué)中是在第四章中講授的，而“塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)”為近代物理實(shí)驗(yàn)的第一部分，通常與原子物理教學(xué)不同步，在原子物理教學(xué)時，學(xué)生不能親身感受，只能聽老師用文字和語言對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法和測量結(jié)果進(jìn)行描述，理解上必定存在一定困難，而等到做近代物理實(shí)驗(yàn)時，課堂上學(xué)的那點(diǎn)理論知識也遺忘的差不多了，實(shí)驗(yàn)時又需重新溫故，實(shí)驗(yàn)效果不佳。為了理論課與實(shí)驗(yàn)課融合以及近代物理實(shí)驗(yàn)改革，我們在原子物理教學(xué)中增加了多媒體演示和計(jì)算機(jī)仿真，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，改善了教學(xué)結(jié)構(gòu)，提高了學(xué)生分析解決物理問題的能力。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，多媒體演示實(shí)驗(yàn)可以對微觀和宏觀的、極快和極慢的物理實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行逼真的模擬，靈活地放大或縮小物理場景，突破時間和空間的束縛，將物理過程生動地展現(xiàn)在學(xué)生眼前，使學(xué)生對理論的理解更加透徹，對物理現(xiàn)象的了解更加直觀，減少了因缺乏感性認(rèn)識而對物理理論難以理解的困難，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在原子物理課程教學(xué)中，首先利用多媒體演示和計(jì)算機(jī)仿真，介紹塞曼發(fā)現(xiàn)鈉光譜D線（主線系第一條譜線）在磁場作用下明顯地變寬了（新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)），隨后又觀察到了其它光譜線的增寬，使他確信這一增寬是磁場作用的直接反映。按照洛倫茲的經(jīng)典電子理論預(yù)言，紹塞在實(shí)驗(yàn)中用尼科耳棱鏡進(jìn)行檢驗(yàn)，證明在變寬的譜線兩側(cè)部分形成偏振光。隨后在足夠強(qiáng)的磁場中，增寬的譜線又分裂為兩條或三條為一組的偏振譜線（鎘藍(lán)譜線、太陽黑子譜線等），這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象被稱之為正常塞曼效應(yīng)。但在其他一些實(shí)驗(yàn)研究中，許多人卻發(fā)現(xiàn)了意外的分裂，例如普雷斯頓在1897年報告說，在很多實(shí)驗(yàn)事例中，分裂的數(shù)目可以不是三個，間隔也不盡相同。這種意外的分裂是洛倫茲的經(jīng)典電子理論所不能解釋的，甚至連塞曼也聲稱這是“大自然給了我們大家一個意外的襲擊，其中包括對洛倫茲教授。”在以后近三十年內(nèi)，雖經(jīng)努力，但一直未能得到合理的解釋，從而被稱之為反常塞曼效應(yīng)。1912年發(fā)現(xiàn)的帕邢－拜克效應(yīng)（強(qiáng)磁場）使問題變得更加復(fù)雜。在研究反常塞曼效應(yīng)的基礎(chǔ)上，同在1925年，泡利發(fā)現(xiàn)了不相容原理，烏倫貝克和古茲米特作出了電子自旋的假說，其后陸續(xù)發(fā)表了海森伯、狄拉克和薛定諤關(guān)于量子理論基礎(chǔ)研究成果的文章，從而導(dǎo)致了量子力學(xué)的發(fā)展，進(jìn)而解釋了反常塞曼效應(yīng)。在“塞曼效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，除了講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)步驟等外，著重比較“塞曼效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)的三種觀測方法（目視測量望遠(yuǎn)鏡法、照相拍攝法和微機(jī)采集CCD法）的優(yōu)缺點(diǎn)。前二種方法是早期比較常用的傳統(tǒng)測量方法，在原子物理課程教學(xué)中給出的通常是采用照相拍攝法所得到的底片圖像，“零零后”學(xué)生對膠片一無所知，另外這二種方法既浪費(fèi)時間（相片沖洗），人為的視覺誤差又較大。比較先進(jìn)現(xiàn)代的微機(jī)采集CCD法直接將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，并配有相關(guān)數(shù)據(jù)分析軟件，自動給出測量結(jié)果和不確定度。由于利用計(jì)算機(jī)讀數(shù)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，極大地減少了偶然誤差，觀察視場比原來大了很多，當(dāng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生變化時，學(xué)生可以更加清晰地觀察、控制，準(zhǔn)確地找到測量位置，減小了人為的視覺誤差，從而提高了實(shí)驗(yàn)的精度。我們還特意分析講解了微機(jī)采集CCD法所得到的譜與照相拍攝法所得到的底片圖像之間的差異，微機(jī)采集CCD法所得到的譜的峰的位置對應(yīng)于照相拍攝法所得到的底片圖像中譜線的波長或頻率，峰下的面積表示相應(yīng)譜線的相對強(qiáng)度，也就是照相拍攝法所得到的底片圖像中譜線的相對黑度。

四、康普頓散射實(shí)驗(yàn)與光的波粒二像性

康普頓實(shí)驗(yàn)是近代物理學(xué)中一個非常重要的實(shí)驗(yàn)，它不僅證實(shí)了光子的概念，而且還證明了光子具有質(zhì)量、動量、能量等粒子的特性，同時證實(shí)了在微觀粒子的相互作用中，也嚴(yán)格遵守能量守恒和動量守恒定律。光在介質(zhì)中和物質(zhì)微粒相互作用時，可使得光向任何方向傳播，這種現(xiàn)象叫光的散射。1923年美國物理學(xué)家康普頓在研究X射線被輕物質(zhì)（石墨、石蠟等）散射的實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)了一個新的現(xiàn)象，即散射光中除了有原波長的X光外，還產(chǎn)生了波長比原入射波長略大的X光，其波長的增量隨散射角的不同而變化，這種波長改變的散射稱為康普頓散射［12,13］，用經(jīng)典電磁學(xué)理論無法解釋這一現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)典電磁學(xué)理論，當(dāng)電磁（光）波通過物質(zhì)時，被散射的電磁波應(yīng)與入射電磁波具有相同的波長，這是因?yàn)槿肷涞碾姶挪ㄊ刮镔|(zhì)中原子的電子受到一個周期變化的作用，迫使電子以入射波的頻率振蕩，振蕩電子必然要發(fā)射電磁波，其頻率與振蕩頻率相同，例如紫色的衣服在鏡子里決不會看到是黃色的，經(jīng)典電磁學(xué)理論已為大量的宏觀現(xiàn)象所證明。1923康普頓借助愛因斯坦的光量子理論，從光子與電子碰撞的角度對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給出了合理的解釋。根據(jù)光量子理論，康普頓散射是由于光子與原子外殼層電子發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的。在康普頓散射實(shí)驗(yàn)中所使用的X射線能量遠(yuǎn)大于原子外殼層電子的電離能，因此在研究X射線光子與電子相互作用時，完全可以把這些原子外殼層電子視為靜止的自由電子，在碰撞過程中，將光子和自由電子視為一個研究系統(tǒng)，滿足動量守恒和能量守恒，據(jù)此推出的康普頓散射公式與實(shí)驗(yàn)符合很好。由于我院在近代物理實(shí)驗(yàn)中，不包含康普頓散射實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無法獲得直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，因此在原子物理教學(xué)過程中有的學(xué)生還會提出：為什么散射光中還存在與入射光波長相同的光呢?這是因?yàn)樵诠庾优c原子發(fā)生相互作用過程中，光子除了可與原子外殼層電子發(fā)生相互作用，也可能與原子內(nèi)殼層電子發(fā)生相互作用。由于原子內(nèi)殼層電子的結(jié)合能比較大，故不能再被視為自由電子。這時可視為光子與整個原子發(fā)生碰撞，由于原子質(zhì)量遠(yuǎn)大于光子，碰撞過程中光子傳遞給原子的能量很小，因此光子幾乎能保持原有的能量不變，故散射光的波長幾乎與入射光的波長相等。愛因斯坦獲知康普頓散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果之后，贊揚(yáng)了康普頓的散射實(shí)驗(yàn)。同時還提醒注意：不要僅僅看到光的粒子性，康普頓在實(shí)驗(yàn)中正是依靠了X線的波動性測量其波長的。既然X射線是光子，是一種粒子，為什么在檢測X射線時，實(shí)驗(yàn)上采用的是干涉方法，也就是檢測波的方法。康普頓當(dāng)時非常困惑：“Themannerinwhichinterferenceoccurs,asforexampleinthecasesofexcessscatteringandX－rayreflection,isnotyetclear.”實(shí)際上按照量子理論，微觀粒子（包括光）都具有波粒二像性，其粒子性表現(xiàn)為整體性，不可分割，其波動性表現(xiàn)為是一種概率波，在空間的分布是一種概率波分布的形式。按照愛因斯坦對波粒二象性的理解，對于時間的平均值光表現(xiàn)為波動；對于時間的瞬間值光表現(xiàn)為粒子性。在康普頓散射中，光子與自由電子的碰撞過程是瞬間完成的，因此光體現(xiàn)出粒子性，遵從動量守恒和能量守恒；在探測X光的波長時，需要用屏接受X光，即確定光的空間分布，這是一個對時間的平均過程，此時光體現(xiàn)出波動性，滿足光的干涉和衍射。

五、結(jié)論

綜上所述，原子物理是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的綜合性課程，理論來源于實(shí)驗(yàn)，同時又要接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，原子物理的發(fā)展及量子理論的建立，是一個向我們展示怎樣通過實(shí)驗(yàn)觀察新現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)原有理論無法解釋，進(jìn)而形成新的概念和建立新的物理理論，新的物理理論進(jìn)一步接受實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的生動課堂，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。在原子物理的教學(xué)中，要牢牢把握近代物理實(shí)驗(yàn)這條主線，教學(xué)的真正著力點(diǎn)應(yīng)該放在介紹近代物理實(shí)驗(yàn)的手段和方法上面，處理好實(shí)驗(yàn)和理論的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握近代物理實(shí)驗(yàn)的原理、方法和結(jié)論，充分認(rèn)識到原子物理學(xué)這座大廈并不是憑空建造的，只有弄清楚學(xué)科發(fā)展的因果邏輯，才能夠?qū)⒖此屏闵⒌闹R構(gòu)建為完整的知識體系，以期達(dá)到教學(xué)目的，獲得更好的教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。

作者:李明非 景士偉 崔士舉 劉昊迪 單位:東北師范大學(xué)物理學(xué)院