追踪诺贝尔物理大师足迹提高原子物理教学质量

2022-09-10

诺贝尔奖是当代世界上重大科技成果比较公正、最具权威的奖项。诺贝尔物理奖自1901年首次颁发以来, 至2005年共颁发99次, 总计得奖项目109项, 在这些获奖项目中有近70项与原子物理学相关[1~2]。而原子物理学是应用物理专业一门重要专业基础课, 不少学生在学习这门课程时感到:原子物理内容繁杂, 没有主线;一会儿经典理论, 一会儿量子理论, 概念、基本原理抽象, 理论性较强, 不易直接观察, 理解困难, 学习起来没有积极性等等。因此, 面对这样一种“一头热, 一头冷”的现象, 如何充分利用和挖掘原子物理学本身蕴藏的诺贝尔物理奖这一丰富资源, 提高原子物理课程教学质量是物理专业基础课程改革的一项重要课题。为此, 笔者结合从教这门课程多年的实践经验谈些粗浅见解, 并向同行请教。

1 介绍诺贝尔物理学大师探索发现过程, 激发学生学好原子物理课的兴趣

在学习原子的核式结构一章内容时, 一般的方法是先讲述α粒子散射实验, 然后得出原子核式结构的结论。对于学生来说, 原子核式模型高中阶段已有所了解, 在大学阶段再讲述这些内容, 不免有烫剩饭的感觉。因此, 在讲述本章内容时, 首先查阅大量资料, 精心设计课堂内容, 以人物传记的形式介绍卢瑟福的研究历程, 展示发现原子核式模型的足迹:1897年汤姆逊发现电子, 人们认识到原子是可分的, 原子是有结构的, 各国物理学家便开始了探索原子的复杂结构, 物理学家们从不同角度提出了各种不同的原子模型:诸如洛仑兹的弹性束缚电子模型、开尔文包含电子的正电云模型、汤姆逊的“葡萄干蛋糕”模型、长岗半太郎的土星系模型、里兹的磁原子模型等等, 其中以汤姆逊模型影响最大。卢瑟福作为汤姆逊的研究生和助手, 并不盲从, 对此进行了认真思考和实验探索。1909年卢瑟福与他的合作者盖革和马斯登观察到一个重要的α粒子散射现象, 就是α粒子受金属箔散射时, 绝大多数如以前所观察到的, 平均只有2°~3°的偏转, 但有1/8000的α粒子偏转大于90°, 其中有的接近180°。大角度的偏转情况是出人意料的, 实验结果令人震动, 用卢瑟福的话来讲:“这确实是我一生中所遇到的最难以置信的事件, 几乎像是你把一个15英寸的炮弹射向一张棉纸, 而它却反弹回来打中了你。经过考虑我认为这种向后的散射一定是一次单独碰撞的结果, 但计算后, 我发现任何情况下都不可能获得具有那么大的数量级, 除非你设想一种体系, 其中原子的绝大多数质量集中在一个微小的核上”。[3]

卢瑟福通过对α粒子实验结果的分析和计算, 得出的结论是:“一切原子都有一个核, 它的半径小于10~12cm, 原子核带正电, 它的电荷是+Ze, 原子半径为10~8cm, 电子的位置必须扩展到以核为中心, 以10~8cm为半径的球内或球面上, 为了构成平衡, 电子必须像行星一样绕核旋转着”。卢瑟福以伟大的科学预见性, 创立了原子核式模型, 并以《物质对α和β粒子的散射和原子结构》的论文公诸于世。卢瑟福的方法和理论开辟了一条正确研究原子结构的途径, 为近代物理的发展建立了不朽功勋。

在重点讲述卢瑟福探索和发现原子核式模型的过程中, 还可以穿插介绍他在放射学和原子核人工转变以及领导卡文迪许实验室方面的轶事, 让学生们领略到一代诺贝尔大师人格的魅力, 最后总结出它给我们的几点启示:创新思维是科学研究的关键;严谨求实、一丝不苟则是从事科学研究的基本素质。

2 重视近代物理实验教学, 培养学生创新意识和创新能力

物理学是一门实验科学, 原子物理学更是如此。1901~1992年, 共有142位物理学者荣获诺贝尔物理奖, 其中因实验而获奖的是103位, 正如诺贝尔物理奖获得者密立根所说:“科学靠两条腿走路, 一是理论, 一是实验, 有时一条腿走在前面, 有时另一条走在前面, 但只有使用两条腿, 才能前进, 在实验中寻找新的关系, 上升为理论, 然后再在实践中加以检验”。

塞曼效应实验是近代物理实验中的一个著名实验, 主要实验内容是观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象和它们的偏转状态, 由塞曼裂距计算电子的荷质比。要完成实验内容, 首先问题在于如何正确调整实验系统使测量显微镜内出现清晰的分裂谱线, 这是该实验的难点和关键点, 大部分学生为此要花费很多时间, 甚至有少部分学生不能完成仪器的调整工作, 要快速正确的调整实验系统, 必须特别注意以下几个关键问题。

2.1 光学系统要共轴

实验系统装置主要包括:电磁铁、笔形汞灯、法布里-珀罗标准具 (简称F-P) 、读数望远镜等。实验开始时要首先使光学系统各元件都处于等高共轴, 将读数显微镜置于光具座的中轴线上且与磁极中心等高, 点燃汞灯, 使光源发出光经过会聚透镜直射读数显微镜, 要求光源经透镜形成的光斑中心与读数显微镜物镜中心重合, 然后在光路上加入其它光学元件, 使它们的光轴与原光轴共轴, 最后将F-P标准具放在光具座上, 调整它的位置和取向, 直到读数显微镜的同心圆环中央与视场中心大致重合。

2.2 F-P标准具的调整

法布里-珀罗标准具是由两块表面平整平行放置的玻璃板, 中间夹有一个间隔圈组成。玻璃板的内表面镀有反射率很高的薄膜, 膜的反射率高于90%。间隔圈用膨胀系数很小的石英加工成一定厚度, 用来保证两块平面玻璃板之间有很高的平行度和稳定的间距, 再用三个螺丝调节玻璃板上的三点压力, 来达到精确的平行, 最后在焦平面上发生干涉, 形成干涉圆环。实验中F-P标准具的调节, 主要是三个螺钉通过三个弹簧改变加在两块平行玻璃板上的压力, 来实现两块玻璃板间距的调节, 达到两块玻璃板严格平行。学生在实验时往往在这个环节要花费大量时间, 甚至有些学生在规定时间内不能完成本实验要求的内容。

2.3 塞曼效应的创新设计

针对实验中出现的困难, 我们启发学生能否在原来实验的基础上, 进行创新, 克服实验中出现的问题。不少学生通过查找资料, 开动脑筋, 提出了一些很有创新想法的设计:对于原来实验中用读数显微镜观察同心圆环, 视场范围小, 容易出现眼睛疲劳, 可以改为摄像头采集图像, 输入计算机, 在计算机上实时观察, 图像清晰, 调节方便;对于F-P标准具调整中存在的问题, 可以先把F-P标准具从光路中取出, 对准实验室的日光灯进行调节, 如果出现灯管间断的情景, 说明F-P标准具的两块玻璃板不平行, 这时可以通过适当旋转调节其上的螺钉, 直到出现连续平行灯管的图像, 说明这时F-P标准具的两块玻璃板已经平行, 然后直接把它放回原来的光路中, 即可看到清晰的同心圆环, 比较起来, 这种方法的最大优点在于, 不需在原光路中花费大量时间调节调节F-P标准具, 只需对准日光灯调节, 效果明显, 为下一步的实验节省大量时间和精力, 提高了实验效率。

通过这个教学实例, 让学生站在诺贝尔奖实验的平台上, 从诺贝尔奖的资源中吸取智慧, 接受熏陶, 极大的激发和培养了学生的创新欲望和创新能力。

3 讲述诺贝尔奖背后的故事, 增强学生的民族自尊心和自信心

1927年美国物理学家康普顿因发现康普顿效应获得诺贝尔物理奖, 我国物理学家吴有训为康普顿效应的进一步证实和确认做出了重要贡献。为了解释实验现象, 康普顿曾经走了不少弯路, 但最终采用了两个条件, 即在碰撞中遵守能量守恒和动量守恒, 于1923年5月发表了“X射线受轻元素散射的量子理论”, 给予了正确解释。当时也研究这一现象的美国物理学界一位重要人物杜安以有所谓“箱子效应”和“三次辐射”的理论, 极力反对康普顿的工作。这时从中国来的吴有训针对杜安的否定做了许多有说服力的实验, 他将所有业余时间都用在X射线上, 整天泡在图书馆、实验室里, 经常忘记吃饭、睡觉, 由于劳累过度, 患病住院, 病未痊愈, 就迫不及待地投入到X射线散射研究工作, 仅用三个月时间就得出一张被15种元素散射的X射线光谱图, 因吴有训的实验, 康普顿效应获得国际物理学界的承认, 诺贝尔奖评选委员会写信通知康普顿获得物理奖, 并让他写下这一创举的过程、价值以及获奖候选人名单, 康普顿决定除自己外, 提名威尔逊和吴有训两个人同时授奖, 可是吴有训却非常谦虚的要求把自己的名字从获奖名单上划去。但康普顿在1926年出版的《X射线的理论及实验》一书中, 对吴有训的工作给予了高度评价, 并且把吴有训所做的15种元素散射的X射线光谱图, 和他自己用石墨散射的X射线光谱图并列, 作为证实其理论的主要依据, 康普顿认为“康普顿效应”也可以称为“康普顿-吴有训效应”[4]。

综上所述, 在原子物理教学中讲述诺贝尔物理大师在物理学领域探索和发现过程, 可以使当代大学生从前人的奋斗经历中吸取智慧, 受到启迪, 树立为真理奋斗、不畏艰难的科学精神, 形成科学的思维方法, 培养更强的创新能力。中国需要诺贝尔奖, 也需要诺贝尔奖科技成果推动经济持续快速地发展;中国需要诺贝尔奖的科学精神, 更需要在诺贝尔奖科学精神的鼓舞下, 为人类做出更大的贡献。

摘要：在原子物理教学中, 介绍诺贝尔物理大师的探索和发现过程, 展示他们的辉煌成就, 达到提高教学质量, 培养学生的创新能力。

关键词：诺贝尔物理奖,原子物理,创新能力