从原子物理学的发展看原子物理学的特点及其教学任务_金蓉

第29卷湖北师范学院学报(自然科学版)V o l129第1期Journal o fH ube iN or m a lU n i versity(N at u ra l Sc i ence)N o11,2009

从原子物理学的发展

看原子物理学的特点及其教学任务

金蓉

(西华大学理化学院物理系,四川成都610039)

摘要:介绍原子物理学的发展概况,指出原子物理学的特点,探讨了原子物理学的教学任务.

关键词:原子物理学;发展概况;特点;教学

中图分类号:O571文献标识码:A文章编号:1009-2714(2009)01-0092-04

原子物理学是研究原子的结构、运动规律及相互作用的物理学分支。原子物理学理论的形成和发展主要发生在19世纪末至20世纪二十年代中叶,它的发展同时促进了量子力学这门反映微观粒子运动规律的理论的的诞生.此后原子物理在量子力学理论的指导下进一步发展,并同时推动着其他相关学科的发展.如今它在天体物理、光物理、凝聚态物理、量子物理、等离子体物理、大气物理、化学、生命科学、计量科学、材料科学、能源科学、考古学、地质学、矿物学等方面的重要作用,无不向世人彰显其在理论和应用领域中的重要价值。因此,它理应作为物理专业的一门专业基础课。了解原子物理学的发展概况,认识其特点将有利于我们更好地搞好原子物理学的教学。

1原子物理学的发展概况

原子物理的迅猛发展,始于19世纪末人类关于X射线、放射性和电子的发现。特别是后两个发现向人们充分表明原子具有其内部结构,彻底粉碎了原子不可分的理论。1898年,汤姆逊大胆地提出了原子的/枣糕模型0:原子的带正电部分是一个原子那么大的,具有弹性的冻胶状球体,正电荷均匀分布在这球内或球面上,有负电子镶嵌着,这些电子在其平衡位置上作简谐振动,原子发光频率即为电子振动频率。此模型能解释原子的稳定性和原子的电中性问题,但是在对原子光谱和放射性问题进行解释时遇到困难。随着1909年马斯顿和盖革两人作了著名的/A粒子散射实验0后,汤姆逊模型遇到了难以克服的困难,即它无法解释有1/8000几率的A粒子被靶物质/反弹0的现象,因而该模型被推翻。1911年3月,英国物理学家卢瑟夫在曼彻斯特经过长期探索以及上述实验结果的提示,确定原子中有高密度的核,据此提出了全新的原子核式结构模型.该模型被后人形象地称为/行星模型0,其内容是在原子的中心存在一个带正电的,占有原子绝大多数的质量,体积非常小的原子核,电子在其外绕核做高速圆周运动,原子的发光频率即为电子的运动频率。但是,当人们试图用经典物理学对原子结构以及原子光谱等现象进行说明时遇到了不能克服的困难。因为按照经典电磁理论,电子绕核运转要对外辐射电磁波,形成连续光谱,同时电子因失去能量而沿螺旋线落向原子核.这与原子的线状光谱和原子的稳定性事实相违背.为解决原子结构带来的上述困难,1913年,年仅28岁的丹麦人尼耳斯#玻尔博士,在普朗克能量子概念和爱因斯坦光量子假设的基础上,基于原子的稳定性和原子光谱的实验定律,提出的三条著名的假设,建立了原子的/玻尔模型0.也是在1913年,英国的物理学家莫塞莱发表了关于x射线谱的研究工作,建立了莫塞莱定律,引入了原子序数的概念。1914

收稿日期:2008)11)08

作者简介:金蓉(1964)),女,四川彭州人,硕士,副教授,从事基础物理教学与研究1

年德国物理学家夫兰克和赫兹利用电子碰撞汞原子,并使汞原子被激发的实验证实了玻尔理论。1916年德国物理学家索末菲引入椭圆轨道概念发展了玻尔理论,使原子光谱的精细结构和塞曼效应得到初步的解释,至此原子中电子分层排布的/原子模型0得以建立。

就在人类对原子的认识还在不断完善的同时,一些物理学家已着手认识原子核的内部结构。通过对放射性现象的研究,居里夫人证实镭原子能发出高能A粒子。显然A粒子不可能来自原子核外,而只能从原子核中发射出,这表明原子核有更为复杂的内部结构,为此卢瑟夫提出了/质子0假说。他认为,原子核是带正电的,而最轻的核为氢原子核,那么它可能是组成其它原子核的基础,卢瑟福称氢原子核为/质子0.1919年,卢瑟夫在剑桥大学用高速A粒子轰击氮元素的原子核(实现了人类历史上第一次人工核反应),发现被打出的粒子是质子,由此证明质子的确是组成原子核的基础.但是如果认为原子核完全由质子组成,又与莫塞莱确立的原子序数与核电荷数的恒定关系以及元素的原子量相矛盾.在1920-1927年卢瑟福又提出了/中子0假说:原子核里还存在一种不带电的中子,其质量也是一个质量单位.1932英国物理学家查德维克证实了中子的存在,同时也说明原子核是由质子和中子两种核子组成的紧密整体.至此一幅较完整的原子图形已展现在人们面前:物质是由原子组成的,原子由原子核与核外电子组成,电子绕核做着大小不一的圆或椭圆的轨道运动;原子核由质子和中子组成,原子发光是由电子跃迁产生的。

同样是在20世纪20年代,经过德布罗意、薛定谔、玻恩等物理学家的共同努力新量子论)))量子力学的诞生.量子力学给核外电子的分布和运动规律赋予了统计思想的含义,使原子理论得到了进一步的发展和完善,形成了今天比较完整的原子结构模型理论.

2原子物理学的特点

2.1原子物理学的发展体现了求真唯实的科学精髓

原子物理学的形成是一个引人入胜的发现之旅,是一个充满艰辛的探求过程.最终的目标是微观世界的客观律,探求的准则是实事求事.从汤姆孙模型y卢瑟福模型y玻尔模型y量子力学描述的原子图境,都使得人类的认识不断地逼近微观世界的客观实际,而每一阶段的人类认识成果,既来源于客观事实,又不断地接受客观事实的检验.如在1897年,汤姆逊在研究稀薄气体放电现象的实验中就发现了电子,为揭示原子内部结构迈出了第一步,这表明,原子中除了电子之外,一定还存在着正电荷,由此汤姆逊提出了他的原子模型.尔后卢瑟福和他的合作者盖革、马斯顿进行的a粒子散射实验一方面证明了汤姆逊的原子模型不可取,另一方面又为原子核式模型的建立奠定了基础。由于原子的核式模型是建立在经典理论的基础之上,故在讨论原子的稳定性和原子光谱的规律性时显得矛盾重重.大量光谱实验所积累的光谱资料直接促进了玻尔的氢原子模型的建立,使氢原子光谱的实验规律从理论上获得了满意的解释,,,原子物理学就是在这种求真唯实的历程中不断发展起来的。

2.2原子物理学是人类认识领域创新成果的荟萃

原子物理学是人类认识的触角由宏观伸向微观领域诞生的认识成果.在人类认识领域,他们既前所末有往往又开启未来.例如电子的发现既打破了原子不可分的传统观,又开启了原子物理学崭新的篇章;X射线的发现直接导致了放射性的发现,因为从认识发展的角度来看后者的发现是前者的一种合乎逻辑的历史继续.同时,由于对其本性和性质的研究在确定原子序数,原子内层电子的分布情况问题方面完善了人们对原子的认识,为波粒二象性提供了重要证据,并打开了研究晶体结构的大门.普朗克提出的能量子概念动摇了经典物理的根基,它的推广促进了光量子理论的诞生,导致了量子论的原子结构模型的提出,并导致描述微观粒子运动的量子力学在1920年以后逐步完善,,.在一个多世纪的时间内,原子物理学成就辉煌,据统计从1901年到2002年的99项诺贝尔物理学奖项中,有近70项是原子物理学发展过程中的重要成果和重大进展,这足以说明原子物理学成果的重大社会价值与历史价值.所以我们可以毫不夸张地说原子物理学是人类认识领域中最具创新成份的人类知识成果的荟萃。