原子物理学教学改革的初步思考

张玉广 王庭太 刘生满 葛向红 张 明 李 林

（中原工学院 河南 郑州 450007）

原子物理学是物理专业学生必修的一门基础课，是在二十世纪初开始形成的一门学科,主要研究物质结构的一个层次,它介于分子和原子核之间,主要研究物质结构中线度为10-10米的层次。在课程内容的描述上,原子物理学采用普通物理的描述风格,讲述原子的基本概念和物理图象以及支配原子内部物质运动和变化的基本相互作用,并在此基础上讨论原子核以及基本粒子等层次的性质、特点和规律。它是在经典物理与近代物理之间起着桥梁纽带作用的不可缺少的课程，它既是普通物理的一部分，也是学习近代物理的开始，是进一步学习理论物理和从事材料、信息、光学、化学等相关学科研究的基础，很多其他重要的基础学科的发展也都离不开原子物理学的知识。并且随着现代科学技术的发展，特别是激光技术、纳米技术等的研究也需要原子物理学的相关知识，因此学习原子物理学有着十分重要的理论意义和实践意义，该课程教学质量的好坏不仅关系着后续的物理课程能否学好，而且对学生从事相关工作也很重要。随着科技的发展和对大学生素质教育的日益重视，为更好的适应新形势，各门课程都在进行教学改革，原子物理学的改革也在不断推进，针对原子物理学的教学及改革，笔者结合多年来的亲身实践，谈几点看法。

1 以实验为主线，掌握原子物理学的内容体系

纵观原子物理的发展史，可以清楚的看到，人类对原子认识的每一次进步都是与一些重要实验相联系的。而且，随着实验现象的逐渐深入，人类对原子的认识也越来越清晰。例如，卢瑟福的散射实验结果，无法用当时的西瓜原子模型来解释，于是卢瑟福大胆的提出了核式结构模型。再比如，由于反常塞曼效应及原子光谱精细结构等实验无法用已有理论解释，从而迫使人们考虑当时对原子的描述是不完全的，这样在1925年乌仑贝克和古兹米特提出了电子自旋的假设。在原子物理学中，这样的事例在原子物理学中还有不少。可以说，几乎在原子物理学的每一章中，都有一两个典型的实验，而正是这些实验，推动着原子物理学的发展，引导着学生逐渐深入原子的内部，对原子结构和性质的认识越来越清楚。因此，实验在原子物理学中具有特殊重要的作用，掌握了关键的几个实验，对原子物理学的认识基本上也就清楚了。

2 通过对原子物理学的学习，为量子力学的学习做好思想准备

量子力学的发展成熟与人们对微观物理世界的认识相伴随。在量子力学中，一般用很少的篇幅来探讨在微观世界中经典物理的失效和无力，而在原子物理学中，虽然对很多实验的解释依然是用经典的理论加上一些硬性的条件来解释，有时甚至是不加解释的给出一些结论，但是正是通过对这些实验的这样勉强的解释，使同学们认识到经典物理的勉为其难和新的量子理论的必要性。而且在原子物理学中，对微观粒子波粒二象性、波函数的统计诠释及薛定谔方程的引入等，都做了非常详尽的探讨，从而使同学们从内心深处能够接受量子力学，并希望早点开始学习量子力学。因此，通过原子物理学的学习，为后续课程做了充分的思想准备，使同学们从经典物理的思维方式逐渐转向量子物理的思维，为同学们从事更深入的物理学习和研究提供条件。

3 通过原子物理学的学习，提高学生的科学精神和创新精神

科学精神是人们在长期的科学实践活动中形成的共同信念、价值标准和行为规范的总称。科学精神就是指由科学性质所决定并贯穿于科学活动之中的基本的精神状态和思维方式，是体现在科学知识中的思想或理念。科学精神就是坚持以科学的态度看待问题、评价问题而不借用非科学或者伪科学的手段。创新精神是指要具有能够综合运用已有的知识、信息、技能和方法，提出新方法、新观点的思维能力和进行发明创造、改革、革新的意志、信心、勇气和智慧。创新精神是科学精神的精髓。创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。培养学生的科学精神和创新精神是素质教育的重大课题。在原子物理学的学习过程中，学生会不断地接触到在经典物理中无法解释的新实验、新现象，而对这些新实验新现象的解释，是需要科学精神和创新精神的。例如在卢瑟福的核式结构模型遭遇到经典物理解释的困难时，玻尔没有怀疑核式结构，而是在相关实验现象的支持下，对经典物理在原子结构层次上的适用性提出了改进，玻尔大胆地提出了经典轨道加定态条件，频率条件和角动量量子化，即认为氢原子中的电子绕原子核作圆周运动 （经典轨道）时只能处于一些分立的轨道上，它只能在这些轨道上绕核转动，且不产生电磁辐射，这就是玻尔定态条件；当电子从一个定态轨道跃迁到另一个定态轨道时，会以电磁波的形式放出（或吸收）能量；处于定态轨道上运动的电子的角动量是量子化的。

在经典物理思想依然深深根植在人们的头脑中，而量子概念还是一个全新的事物时，提出氢原子的量子理论是何等的大胆和具有创新性，但玻尔在大胆假设、小心求证后还是提出来了，并且很快就获得了诺贝尔物理学奖，这是对玻尔的最大肯定，也是玻尔的科学精神和创新精神的完美体现。当然，原子物理学中，这样的创新例子还有很多，通过学习，让学生们切身体会到在科学上，山穷水尽之时，创新精神对于科学的发展的重要性，起到柳暗花明又一村的重要推动作用。因此，可以说，创新是科学研究的灵魂。而原子物理学正是很难得的对学生进行创新教育的课程。

4 实事求是，不迷信权威的独立人格的培养

科学不迷信权威，这句话很多学生都听过，而对这句话的深刻理解，在原子物理学习中才能深刻体会。例如，1897年汤姆孙发现了电子，并在次年提出了原子的西瓜模型，该模型能够解释当时的元素周期性，以及简单的原子光谱等实验，可以说汤姆孙是原子物理研究的权威。但是，当作为学生的卢瑟福在实验上发现了卢瑟福散射实验中，大角散射的比率远远大于按照汤姆孙原子模型计算的结果时，尽管卢瑟福感到很惊奇，他甚至说：“就像一枚15英寸的炮弹打在一张纸上又被反弹回来一样”但是，卢瑟福充分尊重实验事实，经过严谨的理论推理之后，还是于1911年提出了核式结构模型。从而，使人类对原子结构的认识大大深入了一步。同样，卢瑟福的原子模型也不是一个终极的理论，它从提出之时就面临着严重困难，因为它无法解释原子的稳定性，同一性和再生性，正是对这些困难的努力解释，才使得玻尔提出了氢原子理论，使人类对原子结构的认识又前进了一步。可以说，在原子物理的发展中，无时无刻不充满着对已有思想观念的颠覆和新思想的建立，这些都需要科学怀疑和批判精神，这也说明科学没有绝对的权威，科学怀疑精神和独立思考是科学进步的动力。这种敢于在实验结果面前不受传统的科学观念和理论的束缚，大胆地对现有理论进行质疑的精神正是我们国家的素质教育苦苦追寻的学生所应具有的素质，也是我们创建创新型国家所最缺乏的人才的能力，这也是在原子物理学的学习过程中能够给学生带来的巨大收获。

5 小结

原子物理学是物理专业的本科生从经典物理迈入近代物理殿堂的非常重要的课程，该课程的学习为后续相关课程打好基础，并且为学生从事相关方面的工作提供必要的知识，同时该课程还对学生多方面素质的培养起到重要作用，本文是作者在长期的原子物理学教学实践中总结的一部分，也是原子物理学教学中所应该强调和努力做到的，当然原子物理学能够给学生带来的益处远远不止这些。同时，随着现代科学技术的发展，对原子物理学的教学内容和教学体系进行改革的呼声也有不少，不过不管怎么样，原子物理学能够带给学生的好的方面都应该得到坚持和发扬，为我们国家的人才培养和学生素质的全面提高服务。

［1］杨福家.原子物理学[M].4版.高等教育出版社,2010,3.

［2］褚圣麟.原子物理学[M].高等教育出版社,2005,1.