論近代物理科學(xué)史在核物理工程基礎(chǔ)課程中的作用

摘要：在工科類專業(yè)講授核物理工程基礎(chǔ)課程中，由于學(xué)生沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過原子物理、原子核物理和量子力學(xué)，為了便于理解有些概念，在課程教學(xué)過程中適當(dāng)講一些近代物理科學(xué)史是十分的有用和必要。例如通過原子的有核模型的建立的歷史的介紹，對于學(xué)生理解原子模型是非常必要的。通過對量子力學(xué)形成的歷史的介紹，對學(xué)生理解原子核的能態(tài)是十分有幫助的。對近代物理科學(xué)史的介紹，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)史 狹義相對論史 核物理工程基礎(chǔ)

中圖分類號：O57 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

清潔能源是未來能源發(fā)展方向，核電是一種重要的清潔能源。由于核電在我國的能源結(jié)構(gòu)中比例較低，大力發(fā)展核電是十分必要的。核物理工程基礎(chǔ)是核電類專業(yè)的一門基本課程。在從事工科類專業(yè)核物理工程基礎(chǔ)課程的教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對理解有些概念有一定的難度，因?yàn)樗麄儧]有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過物理專業(yè)的原子物理、原子核物理和量子力學(xué)課程。于是便嘗試在課堂教學(xué)中適當(dāng)?shù)亟榻B一些近代物理科學(xué)史，得到了明顯的效果，下面介紹一些具體的經(jīng)驗(yàn)。

1 原子的有核模型的建立的歷史

在原子核發(fā)現(xiàn)以前，J.J.湯姆生（J.J.Thomson）在上世紀(jì)初1904年提出了一個(gè)早期的原子結(jié)構(gòu)模型[1]。其主要內(nèi)容是：正電荷均勻分布在一個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌在其中某些平衡位置上，并作簡諧振動(dòng)。電子在1897年被發(fā)現(xiàn)后，由于原子是中性的，原子中正負(fù)電荷的空間分布是人們十分關(guān)心的問題。按照湯姆生模型，氫原子的發(fā)光只有一個(gè)頻率，這與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符。實(shí)驗(yàn)可以觀察到氫原子光譜有多種頻率的譜線。為了搞清楚原子的電荷的空間分布，1911年盧瑟福等人做了著名的 粒子（高速運(yùn)動(dòng)的氦原子核）散射實(shí)驗(yàn)。當(dāng)用 粒子轟擊由薄金箔制成的靶，大多數(shù) 粒子都 能沿原方向行進(jìn)或只偏轉(zhuǎn)2到3度，只有少數(shù) 粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，即偏轉(zhuǎn)角大于90度，有的甚至達(dá)到180度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明原子的正電荷集中在一個(gè)很小的空間區(qū)間即原子核。將原子核與電子之間的庫侖力和太陽與行星間的萬有引力相比較發(fā)現(xiàn)它們的大小都遵從平方反比規(guī)律.可以推斷原子一定與太陽系相似.這就是盧瑟福1911年提出的原子結(jié)構(gòu)的“核式模型”.

通過對原子結(jié)構(gòu)的“核式模型”建立的歷史過程的介紹，使同學(xué)們對原子核在原子中的地位有一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步講解原子核又是有什么構(gòu)成的有了一個(gè)好的基礎(chǔ)。

2 從量子力學(xué)建立歷史看原子核能級和X射線熒光

19世紀(jì)經(jīng)典物理取得了很大的成就，當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)力學(xué)規(guī)律按牛頓力學(xué)，電磁現(xiàn)象（包括光的波動(dòng)現(xiàn)象）按麥克斯韋電磁理論，熱現(xiàn)象則遵從熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理的理論。當(dāng)時(shí)認(rèn)為物理學(xué)的理論已十分完善，人們只需要在實(shí)驗(yàn)上提高精度而已。隨著一系列經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象不斷地出現(xiàn)，新的物理理論的建立是十分必要的。黑體輻射是當(dāng)時(shí)非常有名的一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。黑體的一個(gè)特點(diǎn)是它對各方向射來的各種頻率的輻射都百分之百地吸收. 為解釋黑體輻射單色輻出度實(shí)驗(yàn)曲線[2]，1893年維恩提出了維恩理論，其基本思想是組成黑體空腔壁的分子或原子被認(rèn)為是有電的線性諧振子，黑體輻射能譜分布相似于麥克斯韋分子速率分布。維恩理論在波長較短時(shí)與實(shí)驗(yàn)曲線符合得較好，但在波長較長時(shí)與實(shí)驗(yàn)曲線符合得較差。1900至1905年間，瑞利和金斯提出了瑞利-金斯公式，其基本思想是對于電磁輻射同樣符用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中的能量按自由度均分定理，每個(gè)線性諧振子的能量都等于kT， 瑞利-金斯公式在波長較長時(shí)與實(shí)驗(yàn)曲線符合得較好，但在波長較短時(shí)與實(shí)驗(yàn)曲線符合得較差，而且當(dāng)波長較趨于零時(shí)單色輻出度趨于無限大，這與實(shí)驗(yàn)完全不符，當(dāng)時(shí)被稱為“紫外災(zāi)難”。為了得到與實(shí)驗(yàn)曲線相一致的理論分析，普朗克提出諧振子的能量必須是量子化的，這與經(jīng)典物理學(xué)格格不入，后來普朗克試圖再用經(jīng)典物理學(xué)理論解釋黑體輻射單色輻出度實(shí)驗(yàn)曲線，但也沒有成功。普朗克的能量子概念的提出對量子力學(xué)的建立作出了巨大的貢獻(xiàn)于1918年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1905年在此基礎(chǔ)上提出了光量子即光子的概念成功解釋了光電效應(yīng)。分子和原子光譜的實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了量子論的系統(tǒng)運(yùn)用和發(fā)展。1913 年，玻爾將量子概念用于研究氫原子光譜， 當(dāng)電子繞原子核的圓周軌道動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，玻爾假設(shè)電子的角動(dòng)量等于普朗克常量除以圓周弧度的整數(shù)倍，這樣求的氫原子的能級與氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)相一致。量子力學(xué)的建立過程中有很多科學(xué)家的貢獻(xiàn)，其中最著名的有德國的海森伯、奧地利的薛定諤、德國的伯恩和英國的狄拉克。海森伯利用對應(yīng)原理創(chuàng)立了量子力學(xué)的矩陣力學(xué)表達(dá)方式，薛定諤提出了量子力學(xué)的波動(dòng)力學(xué)表達(dá)方式，伯恩給出了波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋，狄拉克建立了相對論量子力學(xué)。

牛頓力學(xué)只符合于宏觀物體，而原子核屬于微觀粒子，其動(dòng)力學(xué)特性需要用量子力學(xué)處理。量子理論的一個(gè)基本觀點(diǎn)是微觀粒子的能量是量子化的。這樣我們就比較容易理解核能級和同質(zhì)異能素的概念。X射線熒光[3]的產(chǎn)生是由于待測元素的原子由高能激發(fā)態(tài)向低能態(tài)躍遷而引起的。由量子理論的原子能級的莫塞萊公式可算出X射線的能量，進(jìn)而推算出待測元素是什么元素，而由X射線的強(qiáng)度可確定待測元素的含量。

3 從相對論建立歷史看原子核的結(jié)合能

狹義相對論[4]是愛因斯坦對科學(xué)的主要貢獻(xiàn)之一，相對論的建立也有一個(gè)過程。我們知道牛頓力學(xué)三定律是經(jīng)典力學(xué)的核心，在所有慣性系中牛頓定律都是等價(jià)的，1932年伽利略在一個(gè)封閉的船艙中觀察了慣性系等價(jià)現(xiàn)象。經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空變換按照伽利略變換，這種變換反映了牛頓力學(xué)的時(shí)空觀，即一切物體的運(yùn)動(dòng)都是在一定的時(shí)間和空間進(jìn)行的，時(shí)間和空間是絕對的，時(shí)間和空間與物體的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，牛頓力學(xué)的時(shí)空觀的適用條件是作低速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體。在伽利略變換下麥克斯韋在不同的慣性系下是不等價(jià)的。人們開始尋找一個(gè)絕對靜止的參考系（以太）。著名的邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在。愛因斯坦提出了兩個(gè)基本假設(shè)，創(chuàng)立了狹義相對論。基本假設(shè)的內(nèi)容為：（1）在所有慣性系中物理定律的表達(dá)形式都相同；（2）在所有慣性系中真空的光速圴為常數(shù)并與參考系無關(guān)。相對論中時(shí)間和空間與物體的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，時(shí)空變換為洛倫茲變換。相對論中物體的質(zhì)量是靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度的函數(shù)，物體的總能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，物體的靜能等于靜止質(zhì)量乘以光速的平方，一定質(zhì)量的物體總是與一定的能量相關(guān)。當(dāng)質(zhì)子與中子結(jié)合成原子核時(shí)，原子核的質(zhì)量要比質(zhì)子質(zhì)量和中子質(zhì)量之和要小，這意味著要釋放出一定的能量稱為原子核的結(jié)合能。原子核的結(jié)合能是核能應(yīng)用的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論：

在核物理工程基礎(chǔ)這門課程的教學(xué)實(shí)踐中，為讓學(xué)生對一些概念比如核能級有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，適當(dāng)在課堂上介紹物理科學(xué)史是十分有用和必要的，這種介紹不僅豐富了學(xué)生的知識(shí)面，加深了學(xué)生對相關(guān)概念的理解，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)好核核物理工程基礎(chǔ)這門課程的物理工程基礎(chǔ)這門課程的積極性和主動(dòng)性，為將來進(jìn)一步深造核科學(xué)打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。另外學(xué)生也可以從知名科學(xué)家從事科學(xué)發(fā)現(xiàn)的實(shí)踐中，逐步養(yǎng)成一種愛科學(xué)、學(xué)科學(xué)和探索科學(xué)的良好習(xí)慣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田偉中. 原子觀的演化[J]. 物理通報(bào)，2001，（11）： 42-44.

[2]程守洙，江之永主編，胡盤新，湯毓駿， 宋開欣修訂. 普通物理學(xué)3（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社，1999：314-407.

[3] 劉慶成，賈寶山，萬駿. 核科學(xué)概論[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010：136-138.

[4] 王少杰，顧牡，王祖源主編.大學(xué)物理學(xué)上冊（第4版）[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2013：109-129.