物理实验在原子物理教学的贡献

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摘要：本文探讨了原子物理的课程教学及近代物理实验的改革，分析讨论了近代物理实验在原子物理教学中的贡献，教学过程中以实验—理论—新的实验—新的理论或理论修正为线索，向学生揭示了微观物理的研究历程以及微观世界的物理规律，以期能有效地提高学生的综合素质和专业从教能力，使其能更好地适应基础教育的教学实际。

关键词：近代物理实验；素质教育；原子物理教学

一、引言

1923年物理学家密立根在获得诺贝尔奖时曾说过：“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验，有时一条腿走在前面，有时另一条腿走在前面，但只有两条腿才能前进。”［1］原子物理是物理学专业的基础必修课，它与经典物理中的力、热、光、电等课程有所不同，这些课程都有成熟完美的理论体系，运用严密的数学演绎方法，可以推演公式计算出结果并解决实际问题，但原子物理既没有经典物理中的力、热、光、电完美，也没有量子力学的严谨，核心是半经典半量子的内容，因此是联系经典物理和近代量子物理的重要桥梁，其建立和发展与近一百多年的近代物理实验发现密切相关［2,3,4］。在原子物理的教学中，通过实验现象的分析归纳总结，逐步建立发展原子的理论模型，揭示原子结构及运动规律，例如通过原子物理的一系列重大实验发现过程诱导学生模拟先人建立研究微观领域的物理思想，通过α粒子散射、分立光谱和电磁相互作用等原子物理的分析方法使学生掌握研究和解决微观物理问题的方法，实验结果与分析可以更加清晰地让学生看到科学探索的过程，在实验过程中发现更多新的信息修正理论然后再在实践中加以检验，进而提高学生的综合素质和专业能力［5，6，7］。近代物理实验在原子物理教学中的主要贡献我们归纳为：①近代物理实验可以发现新的实验现象，探索新的物理规律；②近代物理实验还可以检验理论模型的正确性，判断理论假设的成立条件，给出理论的适用范围；③近代物理实验更可以使理论得到推广应用，并开拓新的研究领域。但是，现阶段“近代物理实验”课与专业基础理论课“原子物理”不能很好地相对应，理论课程相对于实验课滞后或滞前，这就导致实验与理论课教学不能同步，其结果是学生在没有相应基础知识的情况下进行实验，学生无法深入理解实验中所包含的原子理论，只能简单机械地完成实验步骤，获得实验结果。本文将着重以氢氘光谱实验和塞曼效应实验讨论近代物理实验课与原子物理理论教学的融合，这不仅可加深对原子物理理论的理解，还可学习如何用实验手段，再现物理现象，并通过现象认识其物理规律。

二、氢氘光谱实验与玻尔氢原子理论的建立及发展

近代原子理论是从氢原子光谱实验开始的，整个发展过程很好的诠释了近代物理实验在原子物理中的贡献，通过原子物理理论教学可以让学生了解近代物理发展的精彩一幕［8,9］。到1885年光谱实验已观测到14条氢光谱线，巴耳末分析研究后提出了一个经验公式，而里德伯在1889年又独立凭经验凑出了一个更普遍的方程。新的实验现象意味着新的物理规律的萌芽、发展和完善。年轻的丹麦物理学家玻尔发展和完善了汤姆孙和洛伦兹的研究方法，创造性地把普朗克提出的量子假说应用于当时人们持怀疑的卢瑟福核式结构模型，并把原子光谱的离散线状谱的物理机制和原子结构联系起来，非常完美地解释了困惑物理学家们近30年的光谱实验之谜。随后玻尔理论的拓展又成功地解释了类氢光谱的实验现象，并证实了氢的同位素“氘”的存在（实验检验了理论模型的正确性）。爱因斯坦心悦诚服地称玻尔的理论是一个“伟大的发现”。原子物理作为普通物理最后一门课程，通常安排在大二下学期进行，“原子的玻尔—索末菲理论”在第二章中讲授，而“氢氘光谱实验”为近代物理实验的第一部分，为了理论课与实验课融合以及近代物理实验改革，我院做出了同步安排，但实验课教师通常仅简单地向学生说明实验原理，主要侧重于实验步骤和实验仪器的操作使用，对此我们让原子物理课程团队成员担任实验课教学的教师参与到近代物理实验的教学中，将近代物理实验作为专业基础理论课在实验方面的延伸，让实验与专业基础知识紧密联系，取得了很好的教学效果。另外，我们还告诉学生随着科学技术的发展和光谱仪分辨率的提高，在实验中又观察到了新的实验现象（例如氢光谱的精细结构），这些实验结果和哪些原有理论相矛盾，必须引进哪些新的概念和模型，进而拓展原子理论。迈克尔逊和莫雷在1896年就发现氢原子光谱巴耳末系的第一条谱线（Hα）是双线，后来在高分辨率光谱仪中呈现出三线。玻尔猜测这可能是由于电子在椭圆轨道上运动时作进动所引起的。索末菲便于1916年提出修正理论：一是把玻尔的圆形轨道推广为椭圆轨道，二是引入了相对论修正。定量计算出了三条Hα线，与实验完全符合。不过，这一“完全符合”纯粹是一种巧合。实际上，在高分辨率谱仪中，一条Hα线将呈现出七条精细结构谱线（兰姆移位）。对此，玻尔－索末菲模型就完全无能为力了。1926年海森伯运用量子力学对索末菲的修正进行了严格推导，1928年狄喇克的相对论量子力学自然地计入了电子的自旋，并依此算出电子的自旋与轨道相互作用，玻尔的理论才得到升华。另外，兰姆移位和反常电子磁矩的实验发现，导致了量子电动力学的蓬勃发展。

三、塞曼效应与磁相互作用

塞曼效应实验是近代物理实验中非常著名的一个经典实验，是继法拉第1845年发现旋光效应，克尔1875年发现电光效应和1876年发现磁光效应之后，由荷兰物理学家塞曼于1896年发现的又一个磁光效应，在原子物理和量子理论的发展中（原子结构、泡利原理、电子自旋、发光机制等）具有非常重要的地位。它不仅证实了原子具有磁矩和和在磁场空间取向量子化，而且通过它能测定电子的荷质比和g因子的数值，在历史上引发和推动了量子理论的发展，至今它仍然是研究原子内部能级结构的重要方法之一［10,11］。因此，在原子物理和量子理论课程中，塞曼效应的原理和现象是教学的重点，也是近代物理实验中必做的实验项目，经常会出现在各种物理竞赛中。“塞曼效应”在原子物理教学中是在第四章中讲授的，而“塞曼效应实验”为近代物理实验的第一部分，通常与原子物理教学不同步，在原子物理教学时，学生不能亲身感受，只能听老师用文字和语言对实验原理、实验方法和测量结果进行描述，理解上必定存在一定困难，而等到做近代物理实验时，课堂上学的那点理论知识也遗忘的差不多了，实验时又需重新温故，实验效果不佳。为了理论课与实验课融合以及近代物理实验改革，我们在原子物理教学中增加了多媒体演示和计算机仿真，优化了教学内容，改善了教学结构，提高了学生分析解决物理问题的能力。随着计算机软件技术的发展，多媒体演示实验可以对微观和宏观的、极快和极慢的物理实验过程进行逼真的模拟，灵活地放大或缩小物理场景，突破时间和空间的束缚，将物理过程生动地展现在学生眼前，使学生对理论的理解更加透彻，对物理现象的了解更加直观，减少了因缺乏感性认识而对物理理论难以理解的困难，增强了学生的学习兴趣。在原子物理课程教学中，首先利用多媒体演示和计算机仿真，介绍塞曼发现钠光谱D线（主线系第一条谱线）在磁场作用下明显地变宽了（新的实验事实），随后又观察到了其它光谱线的增宽，使他确信这一增宽是磁场作用的直接反映。按照洛伦兹的经典电子理论预言，绍塞在实验中用尼科耳棱镜进行检验，证明在变宽的谱线两侧部分形成偏振光。随后在足够强的磁场中，增宽的谱线又分裂为两条或三条为一组的偏振谱线（镉蓝谱线、太阳黑子谱线等），这一实验现象被称之为正常塞曼效应。但在其他一些实验研究中，许多人却发现了意外的分裂，例如普雷斯顿在1897年报告说，在很多实验事例中，分裂的数目可以不是三个，间隔也不尽相同。这种意外的分裂是洛伦兹的经典电子理论所不能解释的，甚至连塞曼也声称这是“大自然给了我们大家一个意外的袭击，其中包括对洛伦兹教授。”在以后近三十年内，虽经努力，但一直未能得到合理的解释，从而被称之为反常塞曼效应。1912年发现的帕邢－拜克效应（强磁场）使问题变得更加复杂。在研究反常塞曼效应的基础上，同在1925年，泡利发现了不相容原理，乌伦贝克和古兹米特作出了电子自旋的假说，其后陆续发表了海森伯、狄拉克和薛定谔关于量子理论基础研究成果的文章，从而导致了量子力学的发展，进而解释了反常塞曼效应。在“塞曼效应”实验教学中，除了讲解实验原理、实验仪器和实验步骤等外，着重比较“塞曼效应”实验的三种观测方法（目视测量望远镜法、照相拍摄法和微机采集CCD法）的优缺点。前二种方法是早期比较常用的传统测量方法，在原子物理课程教学中给出的通常是采用照相拍摄法所得到的底片图像，“零零后”学生对胶片一无所知，另外这二种方法既浪费时间（相片冲洗），人为的视觉误差又较大。比较先进现代的微机采集CCD法直接将采集到的实验数据实时显示在计算机屏幕上，并配有相关数据分析软件，自动给出测量结果和不确定度。由于利用计算机读数采集实验数据，极大地减少了偶然误差，观察视场比原来大了很多，当实验现象发生变化时，学生可以更加清晰地观察、控制，准确地找到测量位置，减小了人为的视觉误差，从而提高了实验的精度。我们还特意分析讲解了微机采集CCD法所得到的谱与照相拍摄法所得到的底片图像之间的差异，微机采集CCD法所得到的谱的峰的位置对应于照相拍摄法所得到的底片图像中谱线的波长或频率，峰下的面积表示相应谱线的相对强度，也就是照相拍摄法所得到的底片图像中谱线的相对黑度。

四、康普顿散射实验与光的波粒二像性

康普顿实验是近代物理学中一个非常重要的实验，它不仅证实了光子的概念，而且还证明了光子具有质量、动量、能量等粒子的特性，同时证实了在微观粒子的相互作用中，也严格遵守能量守恒和动量守恒定律。光在介质中和物质微粒相互作用时，可使得光向任何方向传播，这种现象叫光的散射。1923年美国物理学家康普顿在研究X射线被轻物质（石墨、石蜡等）散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长的X光外，还产生了波长比原入射波长略大的X光，其波长的增量随散射角的不同而变化，这种波长改变的散射称为康普顿散射［12,13］，用经典电磁学理论无法解释这一现象。根据经典电磁学理论，当电磁（光）波通过物质时，被散射的电磁波应与入射电磁波具有相同的波长，这是因为入射的电磁波使物质中原子的电子受到一个周期变化的作用，迫使电子以入射波的频率振荡，振荡电子必然要发射电磁波，其频率与振荡频率相同，例如紫色的衣服在镜子里决不会看到是黄色的，经典电磁学理论已为大量的宏观现象所证明。1923康普顿借助爱因斯坦的光量子理论，从光子与电子碰撞的角度对实验现象给出了合理的解释。根据光量子理论，康普顿散射是由于光子与原子外壳层电子发生相互作用而产生的。在康普顿散射实验中所使用的X射线能量远大于原子外壳层电子的电离能，因此在研究X射线光子与电子相互作用时，完全可以把这些原子外壳层电子视为静止的自由电子，在碰撞过程中，将光子和自由电子视为一个研究系统，满足动量守恒和能量守恒，据此推出的康普顿散射公式与实验符合很好。由于我院在近代物理实验中，不包含康普顿散射实验，学生无法获得直观的实验现象和数据，因此在原子物理教学过程中有的学生还会提出：为什么散射光中还存在与入射光波长相同的光呢?这是因为在光子与原子发生相互作用过程中，光子除了可与原子外壳层电子发生相互作用，也可能与原子内壳层电子发生相互作用。由于原子内壳层电子的结合能比较大，故不能再被视为自由电子。这时可视为光子与整个原子发生碰撞，由于原子质量远大于光子，碰撞过程中光子传递给原子的能量很小，因此光子几乎能保持原有的能量不变，故散射光的波长几乎与入射光的波长相等。爱因斯坦获知康普顿散射实验的结果之后，赞扬了康普顿的散射实验。同时还提醒注意：不要仅仅看到光的粒子性，康普顿在实验中正是依靠了X线的波动性测量其波长的。既然X射线是光子，是一种粒子，为什么在检测X射线时，实验上采用的是干涉方法，也就是检测波的方法。康普顿当时非常困惑：“Themannerinwhichinterferenceoccurs,asforexampleinthecasesofexcessscatteringandX－rayreflection,isnotyetclear.”实际上按照量子理论，微观粒子（包括光）都具有波粒二像性，其粒子性表现为整体性，不可分割，其波动性表现为是一种概率波，在空间的分布是一种概率波分布的形式。按照爱因斯坦对波粒二象性的理解，对于时间的平均值光表现为波动；对于时间的瞬间值光表现为粒子性。在康普顿散射中，光子与自由电子的碰撞过程是瞬间完成的，因此光体现出粒子性，遵从动量守恒和能量守恒；在探测X光的波长时，需要用屏接受X光，即确定光的空间分布，这是一个对时间的平均过程，此时光体现出波动性，满足光的干涉和衍射。

五、结论

综上所述，原子物理是一门理论和实验高度结合的综合性课程，理论来源于实验，同时又要接受实验的检验，原子物理的发展及量子理论的建立，是一个向我们展示怎样通过实验观察新现象，发现原有理论无法解释，进而形成新的概念和建立新的物理理论，新的物理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。在原子物理的教学中，要牢牢把握近代物理实验这条主线，教学的真正着力点应该放在介绍近代物理实验的手段和方法上面，处理好实验和理论的关系，引导学生逐步掌握近代物理实验的原理、方法和结论，充分认识到原子物理学这座大厦并不是凭空建造的，只有弄清楚学科发展的因果逻辑，才能够将看似零散的知识构建为完整的知识体系，以期达到教学目的，获得更好的教学和学习效果。

作者:李明非 景士伟 崔士举 刘昊迪 单位:东北师范大学物理学院