高中原子物理概念教學中易混淆的幾個問題

在高中原子物理教學中，很多的概念和觀點對于學生以后進入高一級學府繼續深造和提高是一個很好的基礎。有些概念如果不作深入分析，學生就會不明其意如墜霧中，所以教師要“站得高，看得遠”，作適當引導，給學生一個清晰滿意的解答。我發現在原子物理概念教學中以下幾個概念和問題學生易混淆：電子、自由電子、光電子、能量子、光子、γ光子、光電效應、原子躍遷。講完本塊知識之后應在章末復習課時加以區別。

1.電子

1897年，湯姆生（J．J．Thomsoni）用測量荷質比e/m的辦法發現了電子，被稱為電子之父。

2.自由電子

電子一般根據它的運動特征可以分為三種，一種是在金屬內受原子核束縛的電子，這種電子是最不自由的，一般不稱為自由電子；一種是在金屬內不受原子核的束縛，但受到金屬導體的束縛，出不了導體，這類電子我們常稱之為自由電子，但是這類電子并不是真正自由的電子，仍需在金屬導體內；還有一種電子是在真空中的電子，這種電子才是真正的自由電子。

3.光電子

光電子就是金屬中的自由電子接受光子的能量從金屬中飛出到真空中的真正自由電子。光電子帶負電。

4.能量子

1900年，物理學家普朗克研究關于輻射問題的觀點：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數倍，1ε或2ε、3ε、4ε、…。當帶電微粒輻射或吸收能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的。這個不可再分的最小能量值ε叫做能量子（energy quantum）。物理學后來的發展表明，普朗克在1900年把能量子引人物理學，正確地破除了“能量連續變化”的傳統觀念，成為新物理學思想的基石之一。因此，這一年不僅是日歷上一個新世紀的開始，而且是物理學一個新紀元的開始。能量子被稱為超越牛頓的發現。18年之后，普朗克為此獲得了諾貝爾物理學獎。

5.光子

最早認識到能量子意義的是年輕的愛因斯坦，他在1905年發表廠《關于光的產生和轉化的一個試探性觀點》一文。他表示，普朗克關于輻射問題的嶄新觀點還不夠徹底，僅僅認為電磁波在吸收和輻射時才顯示出不連續性，這還不夠，實際上電磁輻射本身就是不連續的，也就是說，光不僅在發射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為v的光的能量子為hv，h為普朗克常量。這些能量子稱為光子。也正是這一年，愛因斯坦創立了狹義相對論。愛因斯坦也由于發現了光電效應的規律而獲得1921年的諾貝爾物理學獎。

6.γ光子

γ射線是波長很短的光子，能量很高。每個光子均以同樣的速度c（光速）運動。實驗發現，當原子處于激發態時，即使沒有外來的光波照射，原子也能自發地躍遷到較低能級，同時輻射出一個光子，這種過程稱為自發躍遷或自發輻射。事實上，在幾千攝氏度的溫度下，原子發光主要來自自發輻射，而原子核的自發躍遷則產生γ射線。從原子內部能夠射出這樣高能的粒子，這也使科學家們意識到原子核是一個能量的寶庫。

7.光電效應

光和其他物質發生相互作用時，基元過程通常表現為光子—電子作用或光子—原子作用，某些金屬受到光的照射后，能夠發射出電子，形成電流，這就是光電效應。

（1）光電效應中出來的電子獲得了光子的能量，不計獲得動量。因為在光電效應中一般照射的光子的能量是幾個電子伏特，而金屬的逸出功的能量也是幾個電子伏特，兩者能量在同一數量級，所以在作用時光子的動量就給了金屬本身宏觀物體，不考慮給電子的動量。而金屬本身是宏觀物體，對于光子給金屬本身的動量后的宏觀體現就不計了。

（2）康普頓效應一般是用x波段做實驗的，因為光子的能量比逸出功要大3—4個數量級，所以逸出功對于光子的能量可以忽略不計，那么光子的動量就全給了電子等實物粒子，并且電子的動量可以用動量守恒計算出來。

（3）分析光電效應實驗中，光電流隨兩極間電壓的變化關系，要向學生說明并非所有的光電子都具有由公式：mv=hv-W所確定的同一初動能，實驗證明絕大部分光電子的初動能都小于這個值。為什么即使是相同頻率的光于也會產生初動能不同的光電子呢?從光電子發射機理上講，在光照射下固體向真空發射的電子，既可以是自由電子，又可以是束縛電子。這些電子既可以來自距固體和真空界面只有幾個原子的范圍內，又可以來自比這厚得多的范圍，只要電子具有足以從固體逸出的能量。這樣，由于光子不僅從固體表面，而且從不同深處激發出電子，這些電子從不同深處向表面遷移的過程中，其運動的方向和路程又各不相同，因而它們消耗的能量也各不相同。同時，固體的能量理論也指出：固體中的大量電子均處在不同的能態之中，就是自由電子，其占有某一能級的機率也由費米分布函數所確定。根據能量的轉化和守恒定律，一般情況下光電子的初動能應為：=hv+E-A。式中E正為電子受激前具有的能量，A為光電子從受激處運動到表面并逸出表面總共消耗的能量。正因為各電子的E和A有差別，它們吸收同樣的光子也會有各不相同的初動能。只有那些具有最高能量Eo（對金屬可認為就是費米能量）、逸出過程中消耗了最少能量Ao（就在表面且垂直飛出）的就是逸出功，電子才具有最大初動能，此時，Eo-Ao=W。對那些在費米能量以下（E＜Eo），離表面較深處（A＞Ao）的電子來說，吸收ν=νo的光子就難以逸出了。這時，如果吸收，ν＞νo的光子后，仍不能逸出，或能逸出的較少，或逸出時的初動能較小，那么，吸收大于ν的光子后將可能逸出或能逸出的較多或逸出時的初動能較大些。毫無疑問，入射光頻率的提高將使電子受激后的總能量變大。這不僅使光電子逸出時的初動能普遍較大，其效果還增大了原來距表面較深處電子的逸出幾率。可見，入射光的頻率對光電子數的影響非常顯著，因而量子效率隨入射光頻率的提高將大大增加。得出這一結論，正是尊重并剖析“相同頻率的光子也會產生初動能不同的光電子”這一實驗事實的必然結果。

8.原子躍遷

玻爾的頻率條件告訴我們，在通常情況下，原子處于基態，基態是最穩定的。在原子中，當原子吸收外界能量后處于激發態，而激發態的原子是不穩定的。實驗發現，當原子處于激發態時，即使沒有外來的光波照射，原子也能自發地躍遷到較低能級，同時輻射出一個光子。光子以速度c（光速）運動。這種過程稱為自發躍遷或自發輻射。事實上，原子發光主要來自自發輻射，并且光子的能量等于躍遷軌道之間的能級差。當大量原子處于不同激發態向基態躍遷時，可能發射的光的頻率也是不同的。

9.光電效應與原子躍遷區別

（1）光電效應有三條實驗規律：存在著飽和電流，存在著遏止電壓和截止頻率，光電效應具有瞬時性。原子躍遷也有三條基本假設：軌道量子化，定態假設，躍遷假設。

（2）光電效應的照射光頻率與原子躍遷輻射出光的頻率產生機理都是原子外層電子受激發產生的。

（3）光電效應表現為光子—電子作用，光照射金屬轟擊出電子。而原子躍遷是電子從一個穩定狀態躍遷到另一個能量較低的穩定狀態，則在此狀態躍遷過程中，電子將發光（輻射出光子）。這兩個物理過程似乎相反，但不是可逆過程。因此教師在教學中要加以區分。

10.原子躍遷與原子核的躍遷區別

當原子處于激發態時，即使沒有外來的光波照射，原子也能自發地躍遷到較低能級，同時輻射出一個光子。這種過程稱為自發躍遷或自發輻射。事實上，在幾千攝氏度的溫度下，原子發光主要來自自發輻射。原子躍遷產生最大頻率是倫琴射線。原子核的自發躍遷是原子核的衰變，原子核的自發躍遷能產生α射線（α-yay）、β射線（β-yay）、γ射線（γ-yay）。

因此我們在教學中應該用嚴謹的科學言語傳授于學生，讓學生有好的科學素養和嚴謹習慣。不僅要全面地考慮問題，而且要考慮較深層次的問題，否則就會誤導學生。只有學生準確全面理解物理概念和物理規律后，才能辨析似是而非的問題。

參考文獻：

［1］錢伯初.量子力學.高等教育出版社，2006.

［2］普通高中課程標準實驗教科書·物理.人民教育出版社，2007.

［3］物理教學.中國物理學會，2008.5.