物理實驗在原子物理教學的貢獻

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摘要：本文探討了原子物理的課程教學及近代物理實驗的改革，分析討論了近代物理實驗在原子物理教學中的貢獻，教學過程中以實驗—理論—新的實驗—新的理論或理論修正為線索，向學生揭示了微觀物理的研究歷程以及微觀世界的物理規律，以期能有效地提高學生的綜合素質和專業從教能力，使其能更好地適應基礎教育的教學實際。

關鍵詞：近代物理實驗；素質教育；原子物理教學

一、引言

1923年物理學家密立根在獲得諾貝爾獎時曾說過：“科學靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗，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。”［1］原子物理是物理學專業的基礎必修課，它與經典物理中的力、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，運用嚴密的數學演繹方法，可以推演公式計算出結果并解決實際問題，但原子物理既沒有經典物理中的力、熱、光、電完美，也沒有量子力學的嚴謹，核心是半經典半量子的內容，因此是聯系經典物理和近代量子物理的重要橋梁，其建立和發展與近一百多年的近代物理實驗發現密切相關［2,3,4］。在原子物理的教學中，通過實驗現象的分析歸納總結，逐步建立發展原子的理論模型，揭示原子結構及運動規律，例如通過原子物理的一系列重大實驗發現過程誘導學生模擬先人建立研究微觀領域的物理思想，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生掌握研究和解決微觀物理問題的方法，實驗結果與分析可以更加清晰地讓學生看到科學探索的過程，在實驗過程中發現更多新的信息修正理論然后再在實踐中加以檢驗，進而提高學生的綜合素質和專業能力［5，6，7］。近代物理實驗在原子物理教學中的主要貢獻我們歸納為：①近代物理實驗可以發現新的實驗現象，探索新的物理規律；②近代物理實驗還可以檢驗理論模型的正確性，判斷理論假設的成立條件，給出理論的適用范圍；③近代物理實驗更可以使理論得到推廣應用，并開拓新的研究領域。但是，現階段“近代物理實驗”課與專業基礎理論課“原子物理”不能很好地相對應，理論課程相對于實驗課滯后或滯前，這就導致實驗與理論課教學不能同步，其結果是學生在沒有相應基礎知識的情況下進行實驗，學生無法深入理解實驗中所包含的原子理論，只能簡單機械地完成實驗步驟，獲得實驗結果。本文將著重以氫氘光譜實驗和塞曼效應實驗討論近代物理實驗課與原子物理理論教學的融合，這不僅可加深對原子物理理論的理解，還可學習如何用實驗手段，再現物理現象，并通過現象認識其物理規律。

二、氫氘光譜實驗與玻爾氫原子理論的建立及發展

近代原子理論是從氫原子光譜實驗開始的，整個發展過程很好的詮釋了近代物理實驗在原子物理中的貢獻，通過原子物理理論教學可以讓學生了解近代物理發展的精彩一幕［8,9］。到1885年光譜實驗已觀測到14條氫光譜線，巴耳末分析研究后提出了一個經驗公式，而里德伯在1889年又獨立憑經驗湊出了一個更普遍的方程。新的實驗現象意味著新的物理規律的萌芽、發展和完善。年輕的丹麥物理學家玻爾發展和完善了湯姆孫和洛倫茲的研究方法，創造性地把普朗克提出的量子假說應用于當時人們持懷疑的盧瑟福核式結構模型，并把原子光譜的離散線狀譜的物理機制和原子結構聯系起來，非常完美地解釋了困惑物理學家們近30年的光譜實驗之謎。隨后玻爾理論的拓展又成功地解釋了類氫光譜的實驗現象，并證實了氫的同位素“氘”的存在（實驗檢驗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“偉大的發現”。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期進行，“原子的玻爾—索末菲理論”在第二章中講授，而“氫氘光譜實驗”為近代物理實驗的第一部分，為了理論課與實驗課融合以及近代物理實驗改革，我院做出了同步安排，但實驗課教師通常僅簡單地向學生說明實驗原理，主要側重于實驗步驟和實驗儀器的操作使用，對此我們讓原子物理課程團隊成員擔任實驗課教學的教師參與到近代物理實驗的教學中，將近代物理實驗作為專業基礎理論課在實驗方面的延伸，讓實驗與專業基礎知識緊密聯系，取得了很好的教學效果。另外，我們還告訴學生隨著科學技術的發展和光譜儀分辨率的提高，在實驗中又觀察到了新的實驗現象（例如氫光譜的精細結構），這些實驗結果和哪些原有理論相矛盾，必須引進哪些新的概念和模型，進而拓展原子理論。邁克爾遜和莫雷在1896年就發現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出三線。玻爾猜測這可能是由于電子在橢圓軌道上運動時作進動所引起的。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。定量計算出了三條Hα線，與實驗完全符合。不過，這一“完全符合”純粹是一種巧合。實際上，在高分辨率譜儀中，一條Hα線將呈現出七條精細結構譜線（蘭姆移位）。對此，玻爾－索末菲模型就完全無能為力了。1926年海森伯運用量子力學對索末菲的修正進行了嚴格推導，1928年狄喇克的相對論量子力學自然地計入了電子的自旋，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驗發現，導致了量子電動力學的蓬勃發展。

三、塞曼效應與磁相互作用

塞曼效應實驗是近代物理實驗中非常著名的一個經典實驗，是繼法拉第1845年發現旋光效應，克爾1875年發現電光效應和1876年發現磁光效應之后，由荷蘭物理學家塞曼于1896年發現的又一個磁光效應，在原子物理和量子理論的發展中（原子結構、泡利原理、電子自旋、發光機制等）具有非常重要的地位。它不僅證實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比和g因子的數值，在歷史上引發和推動了量子理論的發展，至今它仍然是研究原子內部能級結構的重要方法之一［10,11］。因此，在原子物理和量子理論課程中，塞曼效應的原理和現象是教學的重點，也是近代物理實驗中必做的實驗項目，經常會出現在各種物理競賽中。“塞曼效應”在原子物理教學中是在第四章中講授的，而“塞曼效應實驗”為近代物理實驗的第一部分，通常與原子物理教學不同步，在原子物理教學時，學生不能親身感受，只能聽老師用文字和語言對實驗原理、實驗方法和測量結果進行描述，理解上必定存在一定困難，而等到做近代物理實驗時，課堂上學的那點理論知識也遺忘的差不多了，實驗時又需重新溫故，實驗效果不佳。為了理論課與實驗課融合以及近代物理實驗改革，我們在原子物理教學中增加了多媒體演示和計算機仿真，優化了教學內容，改善了教學結構，提高了學生分析解決物理問題的能力。隨著計算機軟件技術的發展，多媒體演示實驗可以對微觀和宏觀的、極快和極慢的物理實驗過程進行逼真的模擬，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在學生眼前，使學生對理論的理解更加透徹，對物理現象的了解更加直觀，減少了因缺乏感性認識而對物理理論難以理解的困難，增強了學生的學習興趣。在原子物理課程教學中，首先利用多媒體演示和計算機仿真，介紹塞曼發現鈉光譜D線（主線系第一條譜線）在磁場作用下明顯地變寬了（新的實驗事實），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。按照洛倫茲的經典電子理論預言，紹塞在實驗中用尼科耳棱鏡進行檢驗，證明在變寬的譜線兩側部分形成偏振光。隨后在足夠強的磁場中，增寬的譜線又分裂為兩條或三條為一組的偏振譜線（鎘藍譜線、太陽黑子譜線等），這一實驗現象被稱之為正常塞曼效應。但在其他一些實驗研究中，許多人卻發現了意外的分裂，例如普雷斯頓在1897年報告說，在很多實驗事例中，分裂的數目可以不是三個，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，雖經努力，但一直未能得到合理的解釋，從而被稱之為反常塞曼效應。1912年發現的帕邢－拜克效應（強磁場）使問題變得更加復雜。在研究反常塞曼效應的基礎上，同在1925年，泡利發現了不相容原理，烏倫貝克和古茲米特作出了電子自旋的假說，其后陸續發表了海森伯、狄拉克和薛定諤關于量子理論基礎研究成果的文章，從而導致了量子力學的發展，進而解釋了反常塞曼效應。在“塞曼效應”實驗教學中，除了講解實驗原理、實驗儀器和實驗步驟等外，著重比較“塞曼效應”實驗的三種觀測方法（目視測量望遠鏡法、照相拍攝法和微機采集CCD法）的優缺點。前二種方法是早期比較常用的傳統測量方法，在原子物理課程教學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”學生對膠片一無所知，另外這二種方法既浪費時間（相片沖洗），人為的視覺誤差又較大。比較先進現代的微機采集CCD法直接將采集到的實驗數據實時顯示在計算機屏幕上，并配有相關數據分析軟件，自動給出測量結果和不確定度。由于利用計算機讀數采集實驗數據，極大地減少了偶然誤差，觀察視場比原來大了很多，當實驗現象發生變化時，學生可以更加清晰地觀察、控制，準確地找到測量位置，減小了人為的視覺誤差，從而提高了實驗的精度。我們還特意分析講解了微機采集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，微機采集CCD法所得到的譜的峰的位置對應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譜線的相對強度，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、康普頓散射實驗與光的波粒二像性

康普頓實驗是近代物理學中一個非常重要的實驗，它不僅證實了光子的概念，而且還證明了光子具有質量、動量、能量等粒子的特性，同時證實了在微觀粒子的相互作用中，也嚴格遵守能量守恒和動量守恒定律。光在介質中和物質微粒相互作用時，可使得光向任何方向傳播，這種現象叫光的散射。1923年美國物理學家康普頓在研究X射線被輕物質（石墨、石蠟等）散射的實驗時，發現了一個新的現象，即散射光中除了有原波長的X光外，還產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］，用經典電磁學理論無法解釋這一現象。根據經典電磁學理論，當電磁（光）波通過物質時，被散射的電磁波應與入射電磁波具有相同的波長，這是因為入射的電磁波使物質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，經典電磁學理論已為大量的宏觀現象所證明。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驗現象給出了合理的解釋。根據光量子理論，康普頓散射是由于光子與原子外殼層電子發生相互作用而產生的。在康普頓散射實驗中所使用的X射線能量遠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，滿足動量守恒和能量守恒，據此推出的康普頓散射公式與實驗符合很好。由于我院在近代物理實驗中，不包含康普頓散射實驗，學生無法獲得直觀的實驗現象和數據，因此在原子物理教學過程中有的學生還會提出：為什么散射光中還存在與入射光波長相同的光呢?這是因為在光子與原子發生相互作用過程中，光子除了可與原子外殼層電子發生相互作用，也可能與原子內殼層電子發生相互作用。由于原子內殼層電子的結合能比較大，故不能再被視為自由電子。這時可視為光子與整個原子發生碰撞，由于原子質量遠大于光子，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驗的結果之后，贊揚了康普頓的散射實驗。同時還提醒注意：不要僅僅看到光的粒子性，康普頓在實驗中正是依靠了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，實驗上采用的是干涉方法，也就是檢測波的方法。康普頓當時非常困惑：“Themannerinwhichinterferenceoccurs,asforexampleinthecasesofexcessscatteringandX－rayreflection,isnotyetclear.”實際上按照量子理論，微觀粒子（包括光）都具有波粒二像性，其粒子性表現為整體性，不可分割，其波動性表現為是一種概率波，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為波動；對于時間的瞬間值光表現為粒子性。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，此時光體現出波動性，滿足光的干涉和衍射。

五、結論

綜上所述，原子物理是一門理論和實驗高度結合的綜合性課程，理論來源于實驗，同時又要接受實驗的檢驗，原子物理的發展及量子理論的建立，是一個向我們展示怎樣通過實驗觀察新現象，發現原有理論無法解釋，進而形成新的概念和建立新的物理理論，新的物理理論進一步接受實驗檢驗的生動課堂，是引導學生利用歸納方法從實驗上升形成理論，培養學生的創新思維不可多得的范例。在原子物理的教學中，要牢牢把握近代物理實驗這條主線，教學的真正著力點應該放在介紹近代物理實驗的手段和方法上面，處理好實驗和理論的關系，引導學生逐步掌握近代物理實驗的原理、方法和結論，充分認識到原子物理學這座大廈并不是憑空建造的，只有弄清楚學科發展的因果邏輯，才能夠將看似零散的知識構建為完整的知識體系，以期達到教學目的，獲得更好的教學和學習效果。

作者:李明非 景士偉 崔士舉 劉昊迪 單位:東北師范大學物理學院