民國時期中學物理教科書中的原子物理學知識*

王春燕 尹曉冬*

(首都師范大學物理系 北京 100048)

民國時期中學物理教科書中的原子物理學知識*

王春燕 尹曉冬*

(首都師范大學物理系 北京 100048)

20世紀初原子物理學迅猛發展，新知識不斷傳入中國，對中國物理學的教學產生重要的影響．本文將梳理民國時期中學物理教科書中原子物理學知識的內容，研究這些教材中有關原子(及核)的結構及其成分的相關內容,并對該內容在民國時期中學物理教科書的演變歷史作出評析．隨著人類對微觀世界的探索，人們所獲得的微觀領域的知識尚在發展之中，與此同時，中國的科學教育也不斷發展著．這使得諸教科書的編者對原子結構、核結構及其成分的表達并不統一，甚至有些概念也有些含混，這導致教科書的內容表現得有些混亂，這種自然科學的認識規律的曲折性，竟也體現在中國教科書的編寫之中．

民國中學物理教科書 原子物理學教學 中國物理學史

19世紀末20世紀初，一些新發現沖破原子不可分的觀念，并使原子物理學獲得迅猛的發展．在原子內部結構及其成分的探索過程中，1897年J·J湯姆孫(Joseph John Thomson，1856-1940)根據陰極射線在電場和磁場作用下的軌跡確定了陰極射線為帶負電的電子流，打破了原子不可分的觀念．1911年盧瑟福(Ernest Rutherford，1871-1937)α粒子散射實驗，肯定了原子核的存在，確立了原子的核式結構．1913年，玻爾(Niels Bohr，1885-1962)在盧瑟福的行星模型基礎上，運用普朗克(Max K.E.L.Planck，1858-1947)的量子理論，提出了修正的原子模型．1919年盧瑟福再次利用α粒子進行轟擊氮核實驗，證明了氫核存在于所有原子的原子核中，并命名為質子．1920年盧瑟福猜測中子的存在，1932年得到了查德威克(Sir James Chadwick，1891-1974)的證實．

1 電子發現在民國教科書中的反映

民國時期，在科學教學中，中學教師注重新的實驗與理論的知識的介紹，以培養學生的科學素養．在介紹陰極射線的性質已經加入電子發現的內容，教科書中陰極射線的性質已經很成熟，因此在介紹陰極射線性質的時候采用了一些經典的且難易程度適宜的實驗，并附有插圖，這些實驗共有6個：陰極射線之直進、陰極射線之磁效應、陰極射線之熱效應、陰極射線之機械效應、陰極射線之相互排斥、測量電子荷質比之實驗，不同教科書選入的實驗不一樣．但是在加入電子發現的教科書中，作者發現電子的兩個關鍵實驗：

(1)測量陰極射線電荷實驗，確定陰極射線為帶負電粒子；

(2)測量陰極射線的荷質比，確定陰極射線是由比原子更深層次更小粒子的組成.

這兩個實驗特別是測量電子荷質比的實驗沒有很好地應用到教科書中，筆者在收集的資料中，唯一發現運用了荷質比實驗的有周昌壽1930年的《新時代高中教科書物理學》(下冊)以及1937年的《復興高級中學物理學》(下冊)．

在《新時代高中教科書物理學》(下冊，1930年版)中，作者引入的實驗是湯姆孫利用電場、磁場偏轉法，測出陰極射線先后在勻強電場和勻強磁場中穿過一定距離時的偏轉以測定陰極射線荷質比．該實驗介紹非常詳細，且筆者認為該內容有電磁學的知識即可理解．周昌壽在該書編輯大意中表明：“物理學于晚近30年來之進步最速，且極重要．理論方面，如放射性、原子構造、相對性原理及量子論等；應用方面、如無線電、傳真電報，遠視及有聲電影等，均其犖犖大者．此類問題，如欲涉及詳細，誠非專書不辦，然若言其原理，則高中程度之學生，似亦應得知其概略．否則現勢尚不明瞭，安能在此新領域中求得發展其天才之機會哉．”[1]而其他教科書編者如仲光然等認為太過于高深的內容，應留到大學學習[2]．周昌壽一直倡導對于深度相對較大的內容以及比較前沿的內容也要讓中學生略知一二，以求得更好的學習和發展．

2 原子核內容在民國教科書中的反映

隨著原子結構及其成分的不斷發現，該內容在民國的中學物理教科書中呈現了逐步增加的趨勢．如1918年，陳愰在《適用教科書物理學》闡述原子組成成分：“近來學者，謂物質之原子，為陰陽二種電子所集合而成．”[3]吳傳紱在《新制物理學教本 》也完整地闡述了原子的成分，他闡述到：“謂陰極線系帶有陰電氣之微粒子．發出于陰極者也．此微粒子曰陰電子．其質量約當輕素原子二千分之一．同樣由陽極發出帶有陽電氣之微粒子．亦已發現．此曰陽極線．此微粒子曰陽粒子．其質量與輕素原子相匹……凡物質之原子．概由陽粒子與陰電子所成．是曰電子說．”[4]由于盧瑟福的原子核式結構剛發表不久，編者們對于該內容掌握還不夠，對原子核的翻譯與定名出現比較混亂的現象(表1為民國中學教科書中“原子核”的譯名)，而且對于“原子核”這一概念也并未完全接受．如屠坤華在1921年將密立根(Robert Andrews Millikan,1868-1953)的《A First Caurse in Physics》翻譯為《漢譯密爾根物理學》的教科書中，把原子核譯為正感電子：“謂正感電子，實為原子之核”，且認為“不必奉為金科玉律．”[5]

表1 民國中學教科書中“原子核”的譯名

3 原子結構模型在民國教科書中的反映

原子由電子和原子核構成，他們是如何相處才使得原子是穩定的？民國中學物理教科書中用的原子結構模型主要是影響比較大的盧瑟福有核行星模型或建立在盧瑟福行星模型基礎上的玻爾原子模型，但部分教科書也采用了其他原子模型．表2呈現出民國中學教科書中采用的核式結構，以下對這些模型分析．

表2 民國中學教科書中核式結構

(1)盧瑟福行星模型的引入．如屠坤華的譯著里運用了盧瑟福的行星結構模型：“今既未有實據，證明正感電子可以離分子而獨立．則惟有持尚吾生氏之理想．謂正感電子，實為原子之核．而負感電子，則繞此心疾轉耳．據此理想原子殆如一種極小之太陽系，其電子各元．與原子直徑之比，不過如地球與其軌道直徑之比．”[5]文中講述的是盧瑟福的行星模型，卻將其稱為“尚吾生氏”(J.JThomson)之理想．但隨著編者對該原子模型認識的不斷深入，所引入在知識也更加準確，1941年仲光然的《高中物理學》(下冊)就正確的描述了盧瑟福的有核行星模型：“1911年英人刺德福氏提出一原子構造說，他說道：原子恰像一個太陽系，核和太陽相當，電子和周圍運動的行星相當．”[2]

(2)玻爾原子模型的引入．從表2中看到引用了玻爾原子模型的有周昌壽的《新時代高中教科書物理學 》(下冊1930年版)，作者詳細描述了玻爾的原子模型．玻爾原子模型在當時屬于比較前沿且難度比較大的知識．如上所述，不同的編者對于內容的選定有自己的見解，周昌壽一直倡導對于深度相對較大的內容以及比較前沿的內容也要讓中學生略知一二，以求得在物理領域更好的學習和發展，因此周昌壽在中學教材就加入了該內容．

(3)其他原子模型結構的介紹．在科學家猜測出各種原子結構的時候，除了影響較大的盧瑟福的行星模型以外，還有其他的模型也在中學教科書得到介紹．如沈星五提到的2種結構模型:

1)Thomas氏與Bohr氏之說法——負電子環繞原子核如行星繞日，每一電子，繞行于一定軌道，所謂電子軌道也．圖1表示，數種原子中擬想之電子軌道．圖中(1)指氦，(2)指鋰，(3)指氖，(4)指鈉，(5)指鐳．

圖1 原子擬想電子軌道

2)Lewis氏與Langmier氏之說法——八合論——原子核外之負電子各守定位，所占之地位適可成一正方形，負電子即占其角點．此種理論對于原子價與化學作用上似較確切，但不能解釋光譜中各原子所表現之帶線現象．圖2表示數個不同原子之八合論之構造[6]．

圖2 原子八合論構造

托馬斯(LlewellynThomas,1903—1992)是英國物理學家和應用數學家，在原子物理學的研究中，他提出了：托馬斯進動、托馬斯-費米方程、托馬斯少體物理學崩塌效應．他的成就基本上是在1925年到1926年博士畢業獲獎學金赴玻爾研究所學習所完成的，而此時離玻爾提出原子模型(1913年)12年．再從圖中的模型來看，這些圖像所體現的電子軌道猜測，沈星五將盧瑟福-玻爾模型寫成了托馬斯-玻爾模型．路易斯(GilbertNewtonLewis，1875—1946)是美國物理化學家，是共價鍵理論和電子對概念的提出者，他的路易斯結構和價鍵理論塑造了現代理論化學鍵．朗繆爾(IrvingLangmuir，1881-1957)美國物理化學家，在1932年因原子結

構和化學表面理論的突出貢獻獲得諾貝爾化學獎，他在多方面的貢獻，其中就包括物質結構如：分子、原子、晶體等物質的結構．八合論(Cubicaloctetatom)是朗繆爾發展路易斯結構(Cubicalatom)的一個原子模型，路易斯結構是早期的一個原子模型，該理論于1902年提出，1916年發表在他的文章TheAtomandtheMolecule[7]，他提出該理論主要是為了解釋化合價現象，認為電子被定位在原子殼層(立方體)八個角上．1919年朗繆爾發表TheArrangementofElectronsinAtomsandMolecules[8]進一步發展為“八合論”．隨著子理論的發展，人們放棄了該模型，但早期對化學鍵的理解還是有價值的．該理論將前兩個電子放于體內，剩下的電子定位于立方體的八個角上，角上有幾個電子就說明顯幾價，如圖中的He元素，因為角上沒有電子，所以化合價為零，而Li元素角上有一個電子，所以顯1價．

4 質子內容在民國教科書中的反映

盧瑟福利用α粒子打開了原子的大門，1919年盧瑟福再次利用α粒子發現氫核存在于所有原子的原子核中，并命名為質子．民國時期中學教科書也及時反映了這些發展．

表3為民國時期質子傳入后在中學教科書中的反映.

表3 民國時期“質子”的譯名

從圖表中可以發現科學知識是極為迅速的．從1919年質子的提出到1926年質子反映在中學教科書僅僅7年．周昌壽的《新撰初級中學教科書物理學》(1926年)：“據種種電現象及陽線研究之結果，知失去一個電子之氫原子，其質量及電荷均為最小，在此以下之陽粒子，未曾為人發現，故可用之作為陽電之單元，而稱之曰質子(Proton).”[9]但部分編者對于質子的翻譯尚不準確，如把質子稱為“電核”：“原子組織，氫為最簡，除一個電子外，所謂原子核者，即為電核”．[10]此外，還有將質子和原子核混淆，將原子核稱之為“正電子(原子核)”，但又描述道：“原子核之質量大于負電子1 845倍，故所謂一物體之質量實即原子核之質量也”，[6]該句子應指的是質子．

5 民國時期質子-電子模型內容在教科書中的反映

盧瑟福在1920年提出了兩個猜測，一個猜測是原子中有一個中性粒子(即中子)，但是中子呈電中性，且由于微觀領域無法直觀以及沒有堅固的實驗直接檢測，另外，當時人們認識到的基本粒子只有電子、質子以及光子，當時普遍的看法是：“一切元素之原子，均由質子與電子合成．”[1]關于原子核結構的代表性的表述如下：

正電之電荷，根據原子蛻變之事實，位于原子中央，與一部分電子，組成原子核(AtomicNucleus)是即所謂原子中心也．其余電子，在核外四周，旋轉不息．故原子核中，不特有核正電之若干電荷，且有核負電之若干電子，特前之總電量多，后者之總電量少，故就整個原子核言，遂荷正電．但原子核中所余之正電量，又與繞原子核旋轉之電子，所荷之總負電量相等，故就整個原子而言，不帶電性．

氦之原子量為4，適等于氫原子量之4倍．可知氦之原子，必含有4個電核，又因電性中和，4個電核之外，必再含有4個電子．但自第11節所述，α微粒自質射元素射出者，與氦原子等量，所荷正電，計有兩個單位，故即為氦原子之失去二個電子者也，內部組織，十分穩固．由此推想，α微粒必為氦原子之原子核，含有4個電核，并有2個電子．茲為設想便利起見，以氫原子，氦原子與α微粒之結構，圖表之如圖3所示．圖中黑點代表電核，小圈代表電子，虛線圓周，代表電子運行之軌道．惟須注意者，圖僅為代表氫氦二原子結構之大概，并未示其實行．[10]

圖3 質子-電子模型

這就是19世紀20年代到30年代有名的質子-電子模型，即假定原子量為N，且原子序數為Z的核由N個質子和N—Z個電子組成的，因此原子核的電量正好與核外電子形成電中性的原子．如以圖中氦原子為例，氦的原子量為4，原子序數為2，因此軌道(虛線)中間4個質子(實心圓表示)，原子核內有4-2個電子(兩個空心圓表示)，軌道上有2個電子(兩個空心圓表示)．

質子-電子模型一直被沿用，直到1932年查德威克證實了中子的存在，并傳入了中國，如嚴濟慈(1948年)所編的《高中物理學(下冊)》：“原子序數為Z之原子核中，除Z個質子外，尚有A-Z個中子(Neutron)．中子為不顯電性，而呈中和之質點，其質量與質子相等．”[11]

6 結論

回首民國時期的物理教科書，眾多編者們有選擇地增加一些物理學前沿的內容，目的在于增長學生的見識或擴展學生的視野．此外，原子物理學作為現代物理學的基礎內容之一，加入到中學教科書也有益于中學與大學課程的銜接．

也正是由于該內容屬于比較前沿的物理學知識，它在中學教科書中呈現出以下幾個特點：

(1)重視理論與實驗相結合．如陰極射線性質的實驗等介紹了實驗并附有插圖．

(2)在描述原子(及核)的結構及其成分的內容時有些屬于猜測，尚難以實證．所以有些作者認為原子為“一種玄論”，對“原子核”稱“不必奉為金科玉律”．

(3)科技名詞的翻譯與定名比較混亂．如原子核，吳傳紱稱為“陽粒子”，屠坤華稱為“正感電子”，王季烈、周昌壽稱為“陽核”等．

(4)也許有些知識并沒有完全掌握．如將盧瑟福模型稱為尚吾生(J.J.Thomson)的模型，將盧瑟福-玻爾原子模型稱為托馬斯-玻爾原子模型．

(5)內容的深度不一．

(6)編者所涉及的新知識存在不確定性、不完備性，隨著科學的不斷發展，編者對教科書的編著也逐步走向深化和完善．如介紹質子電子模型，以解釋原子的電中性．

隨著人類對微觀世界的探索，人們所獲得的微觀領域的知識尚在發展之中，與此同時，中國的科學教育也不斷發展著．這使得諸教科書的編者對原子結構、核結構及其成分的表達尚難以統一，甚至有些概念也有些含混，這導致教科書的內容表現得有些混亂，這反映了自然科學的認識的曲折性，而這也體現在中國教科書的編寫之中，這是我們所未能預料的．

致謝：本文得到了尹曉冬老師的悉心指導，此外，在寫作過程中，劉樹勇老師給出了寶貴修改意見，劉辛味、張輝同學亦給了我很大啟發，特此感謝．

1 周昌壽. 新時代高中教科書物理學 下冊.上海：商務印書館，1930

2 仲光然. 高中物理學(下冊).上海：中華書局，1941

3 陳愰. 適用教科書物理學.上海：商務印書館，1918

4 吳傳紱. 新制物理學教本.上海：中華書局，1918

5 密爾根，蓋爾. 漢譯密爾根蓋爾物理學.屠坤華，譯.上海：商務印書館，1921

6 沈星五. 文化高中教科書高中物理.北平：文化學社，1934

7Lewis,GilbertN.(1916-04-01)."TheAtomandtheMolecule.".JournaloftheAmericanChemicalSociety38 (4): 762～785

8Langmuir,Irving(1919-06-01)."TheArrangementofElectronsinAtomsandMolecules.".JournaloftheAmericanChemicalSociety41 (6):868～934

9 周昌壽. 新撰初級中學教科書物理學.上海：商務印書館，1926

10 倪尚達. 高中物理學(下冊).南京：鐘山書局，1933

11 嚴濟慈. 高中物理學(下冊).中國科學圖書儀器公司印行，1948

**北京市教育委員會科技計劃一般項目，項目編號：KM201610028003；2015年北京市屬高等學校青年拔尖人才培育計劃；首都師范大學教改項目“光學實驗教學中物理學史應用研究”.

2016-06-30)