近代物理實驗在原子物理教學中的貢獻

李明非 景士偉 崔士舉 劉昊迪

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，教學過程中以實驗一理論一新的實驗一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

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2019.05.020

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1671-1580（2019）05-0083-04

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。”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心。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。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。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，“原子的玻爾一索末菲理論”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，玻爾一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。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。