原子物理教学中的几个热点问题解析

余招贤

【摘要】本文对原子物理教学中的几个热点问题，包括原子物理课程的定位，玻尔理论的教学方法，原子物理中实验和理论的关系，进行了分析探讨，并提出了自己的一些看法。

【关键词】原子物理  玻尔理论  量子力学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）05-0160-02

原子物理是最重要的物理基础课之一，它与经典物理中的力学，电磁学等课程有很大的不同，这些课程都有成熟的理论体系，运用严密的数学演绎方法，可以推演公式并解决实际问题。原子物理作为从经典物理过渡到量子力学的桥梁，充满了各种变革性的概念和思想，同时它又是一门非常年轻而又充满活力的物理学科，仍然处在科学研究和技术创新的前沿，这从至今有几十位物理学家因为从事原子物理相关的工作获得诺贝尔物理学奖得到证明。由于原子物理的内容繁杂，核心知识难以把握，毫无疑问它是一门难教难学的课程。关于原子物理的教学内容和方法一直存在着不同的意见[1-3]，本文针对这些讨论中的热点问题进行了分析。

1.如何处理原子物理和量子力学的关系

从19世纪末到 20 世纪初， X射线，放射性，电子三大发现揭开了原子物理的序幕，随后卢瑟福提出的原子核模型，玻尔为解释氢原子光谱建立的原子量子理论，开创了原子物理的新篇章。随着原子物理研究的进一步深入和发展，直接导致了全新的量子力学的诞生，现在量子力学是我们对包括原子在内的微观对象进行研究的主要工具，所以说原子物理和量子力学是一脉相承。那么在原子物理的教学中，如何处理原子物理和量子力学的关系呢？有一种比较激进的做法是以量子力学为主，把原子物理看成量子力学的初步，或者说原子物理是量子力学理论的应用。在这种指导思想下，在原子物理中大讲量子力学基本原理和基本方法，通过严格的量子力学理论和公式，解释各种原子有关的物理现象。虽然从一开始就立足于正确的理论基础之上，知识结构严谨，处理问题有效，但是课程的难度显著增加，学生如果没有任何量子力学的数理基础，接受起来相当困难。更重要的是它已经越俎代庖地做了后续量子力学课程的工作，明显超出了原子物理课程应有的范围。上面这种做法是不恰当的，其实这里有一个基本问题需要明确，那就是原子物理课程的定位。现在普遍认同的做法还是把原子物理定位为一门普通物理课程，是从经典物理到近代物理的过渡课程，因此采用以原子物理为主，量子力学为辅的教学模式为妥。从历史上看，原子物理曾经为量子力学的建立提供实验基础，而现在量子力学和相对论作为近代物理的两大理论支柱，自然成为研究原子现象及其运动规律的理论依据。那么在原子物理教学中， 我们应该还原在原子物理的发展过程中，那一段从实验事实出发， 不断地否定旧理论同时建立新理论的精彩历史进程。这就要求我们讲清楚对原子物理发展起重大作用的一些最基本的实验事实，展示各种实验事实和新概念新模型之间的逻辑联系，帮助学生牢固建立微观世界量子化的观念，为后续的量子力学课程的学习打下坚实的基础，这才是原子物理课程的立足之本。

2.如何处理玻尔理论和原子物理的关系

在确定了原子物理的定位后，需要明确玻尔理论在原子物理教学中所处的位置。玻尔理论是量子物理发展的重要阶段，它的出发点是经典力学，通过附加与经典理论不相容的量子化条件，建立了第一个有关原子结构的量子理论，非常完美地解释了氢原子的能级结构和光谱实验。很多教材用了大量篇幅介绍各类原子的结构和光谱，然后是通过各种对玻尔理论的修正和推广，试图解释氢原子光谱的精细结构，以及其它更复杂的原子光谱，这样把原子物理讲成了光谱学，玻尔理论成为了原子物理的主线。但是玻尔理论毕竟是以经典物理为基础，人为地加入量子假设形成的半经典量子理论，理论本身就是不自洽的，无法解释一般原子的结构和光谱，无法处理微观世界的大量实际问题，所以玻尔理论具有很大的局限性。如果过多地介绍玻尔理论，则可能使学生产生疑惑：现在量子理论已经完全取代了玻尔理论，能够更准确地描述微观体系的实验规律，为什么还要花费大量篇幅介绍呢？所以玻尔理论讲授的内容不宜过多，更不能作为原子物理的主线。同时也应看到玻尔理论在定性处理一些问题时，具有形象直观，物理图像清晰的特点，而这是采用量子力学的解决方法无法比拟的。玻尔理论的意义不仅在于对经典规律不能适用的微观领域取得了对原子现象的成功解释，而且更重要的是玻尔为此大胆引进的定态，跃迁，量子化概念，继续在量子力学理论中发挥关键作用。学生通过玻尔理论的学习，将会看出经典物理一步一步的破产，看到量子物理诞生的必然性，是一次系统的科学思维训练，所以对玻尔理论的教学内容篇幅需要适当控制，但任何轻视或取消玻尔理论的做法都将失去原子物理独特的教学魅力。

3.如何处理实验和理论的关系

物理学实际上是一门实验的科学，理论来源于实验，同时又要接受实验的检验。原子物理的发展直至量子力学的建立，都是一个向我们展示怎样通过实验观察新现象，发现现有理论无法解释，形成新概念和建立新理论，新理论进一步接受实验检验的生动课堂，是引导学生利用归纳方法从实验上升形成理论，培养学生的创新思维不可多得的范例。

虽然物理实验，物理模型，数学方程都是构成原子物理理论体系的要素，但是基于原子物理课程的普通物理定位，教学的真正着力点还是应该放在介绍微观物理学最基本的实验手段和实验方法上面，并帮助学生理解从这些基本测量和实验观察的事实出发，我们能够创建什么样的物理模型，获得什么样的已知和未知的结论，并指导新的实验检验这些结论。学完原子物理后，学生应该知道在微观物理学的范围内，目前能够做哪些实验和怎么做那些实验，特别是那些觉得应该知道，但是操作起来不知从何下手的例子，例如怎样测定一个原子，电子，原子核的质量，动量，自旋，磁矩，寿命等，这些内容在目前的教材和教学中都较少涉及，我们可以考虑在教学实践中补充一些相关的内容。原子物理中还有很多非常著名的实验，卢瑟福的粒子散射实验确定了原子的有核模型。黑体辐射和光电效应的实验研究直接导致普朗克和爱因斯坦创造性地提出了光量子的概念。戴维孙和革末的电子在晶体的衍射实验，确证了电子的波动性和德布罗意假设。氢原子的线状光谱实验，直接催生了玻尔氢原子理论的建立。弗兰克和赫兹实验直接确认了原子内部能量的量子化，也是对玻尔理论的有力支持。史特恩和盖拉赫实验确认了轨道角动量的空间量子化和电子自旋的存在。还有塞曼效应和核磁共振实验，这些原子物理历史上的重要实验，不仅导致了新概念和新模型的产生，它还有许多现实的应用价值，所以我们在原子物理的教学中，应该充分重视对这些实验的讲解，不仅要让学生理解从实验归纳出的结论和建立的模型，还要真正知道这个实验怎么做，需要具备哪些实验条件才能实现。

根据我在物理专业的原子物理教学实践，这里特别强调两个原子物理实验的重要性。量子力学的基本特征是微观现象的统计规律性，它是微观对象波粒二象性的直接体现，这些与经典粒子和经典波完全不同的特征，就可以从一个电子双缝干涉实验上得到全部的体现，所以应该详细讲述对这个实验的各种理解。虽然当时它还是一个没有做出来的“理想实验”，清晰的电子双缝干涉实验实际是在1989年完成，但并不妨碍它在理解并建立正确的量子力学观念上起到至关重要的历史作用，这些都是应该在原子物理的教学中得到解决的问题， 而且不必用到量子力学的理论。另外一个是关于卢瑟福散射的实验，我们要知道的不仅是它确定了原子核模型，从实验的角度更应该帮助学生理解散射截面不是一个几何的概念， 而是一个统计的概念，从测量得到的散射截面数据，能够得到什么关于物质结构的信息，实际上微观粒子的散射实验方法已经成为确定材料物理和化学性质的重要手段。

4.结论

作为普通物理课程的原子物理，是一门经典物理和近代物理的交叉课程，也是一门理论和实验高度结合的课程。从上面的分析和我们的教学实践看出，原子物理教学的着力点应该是介绍原子物理学中最基本的实验手段和实验方法，尽量讲清楚量子力学的基本概念和基本原理，不应该过分忽视玻尔理论的作用，也不应该过分追求量子力学的手段和方法，这样才能达到原子物理课程应该实现的教学目标。

参考文献：

[1]杨福家.原子物理学[M]，北京：高等教育出版社，第四版，2008

[2]赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程：量子物理[M]，北京：高等教育出版社，2001

[3]王振华，姬广举，姜久兴.物理专业原子物理与量子力学新教学模式的研究，中国电力教育[J]，2009（04）