摘要原子物理是近代物理的一门重要的课程。教学过程中以实验—理论—新的实验—新的理论或理论修正为线索，向学生揭示了微观物理的研究历程以及微观世界的物理规律。本文以α粒子散射实验、玻尔氢原子模型和康普顿散射实验为例讨论了原子物理教学过程中结合物理学史介绍科学探索进程的意义。
关键词原子物理；物理学史；教学；科学思维
1引言
原子物理是物理学专业学生必修的一门专业基础课。与其他理论性抽象性较强的学科不同，原子物理课程介绍的对象为微观结构，微观体系具有其特定的规律而且不能直接观测，所以不具有宏观物体运动的直观性，必须借助实验手段，因此教学中有大量的实验介绍。与其他学科一样，理论的建立都必须以实验为基础并遵从“实验—理论—实验”的发展原则。在原子物理的教学中一直以来侧重于通过实验现象的分析，发展理论模型，揭示原子结构及运动规律，揭示其微观结构及本质运动规律。通过物理学史的引入，介绍物理学家的实验构想，实验结果与分析可以更加清晰地让学生看到科学探索的过程：在实验过程中发现更多新信息归纳总结推测修正理论然后再在实践中加以检验。实际教学中结合物理学史的讲授能够极大地激发学生的学习兴趣，同时也从中看到实验与理论是怎样相互推进完善我们对原子世界的认知。诺奖辈出的近代物理发展史贯穿整个原子物理学，本文将着重以α粒子散射实验、玻尔氢原子模型和康普顿散射实验为例讨论原子物理教学与物理学史的结合并分析其优势。
2α粒子散射实验教学过程与物理学史的结合
原子物理学发展处于经典物理完善与量子概念提出的这段革命性时期，具有丰富的史料,在教学中结合物理学史，将极大地提升教学效果，这不仅有利于本课程的教学，也将对学科乃至科学思维方法的培养都具有积极意义。将原子物理学发展史融入知识的传授过程中可增强学习的趣味性。例如在讲授卢瑟福核式结构模型[1-2]前分析当时人们对原子的认识。原子是中性，不带电，汤姆孙（J.J.Thomson）发现了电子并由此提出了葡萄干布丁模型。然后此处，电子的发现也经历了一个曲折的科学发展过程。早在1811年阿伏伽德罗（A.Avogadrao）提出的假说中隐含常数NA，联系到电荷存在最小单位，到1833年法拉第（M.Fara-day）提出电解定律并推得1mol任何原子单价离子永远带有相同电量，直至1874年，斯通尼（G.J.Stoney）才明确提出“电子”这一名词来命名电荷最小单位。由实验现象到理论推测，这只是微观世界探索路上的一小步。23年以后，1897年，汤姆孙通过放电管阴极射线偏转真正从实验上确定了电子的存在，成为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。然而，这“理所当然”的结果也不是唾手可得的。首先，人们对阴极射线的研究已有数十年历史，由于真空度不高，很多伟大的物理学家在类似的实验中并未发现阴极射线的偏转，错误地认为阴极射线不带电，真理被掩盖在射线管的低真空环境中。另一方面，在1890年，休斯脱（A.Schuster）研究氢放电管中阴极射线偏转时算得荷质比是千倍以上，他不敢相信自己的测量结果，认为这是荒谬的，真理又一次败给“固有”观念。在与汤姆孙发现电子的同年，德国考夫曼（W.Kaufman）在类似的实验中测得比汤姆孙还要精确的荷质比，但他没有勇气发表这些结果。这些都是真理都碰到鼻子尖上还没有得到真理的人。可见，科学探索过程不是一帆风顺的，通过这些扩展和背景知识介绍让学生认识到科学研究要严谨，忠于客观事实，勇于突破传统观念。接下来在卢瑟福α粒子散射实验中，汤姆孙葡萄干布丁模型的失败、核式结构的成功，这部分的教学中可以让学生看到实验与理论两手并行，设计实验验证理论，新的实验现象修正理论，原子物理这一门学科的发展，充满了对固有观念的颠覆，带着怀疑和批判的精神进一步验证，由此一步一步接近真理，学生们可以真切地体会科学家们通过用客观事实来修正和进一步完善理论的科学思维方法。除了对知识点本身的介绍，结合物理学史的讲授能够在课堂上吸引和牵动更多学生思考，激发学习兴趣，培养基本的科学素养。
3玻尔氢原子模型教学过程与物理学史的结合
在玻尔模型的讲解中也可以通过对著名物理学家们对“量子”概念的认识理解过程以及介绍1927年第五届索尔维会议，很好地让学生了解近代物理发展的精彩一幕。这样可以有效避开传统的灌输逻辑思维方法的教学，通过介绍物理学家的认知过程、思想斗争、学术辩论，让学生看到知识的构建过程，更加深刻领悟物理学研究的思想方法。如1900年普朗克（M.Planck）“勉强”地发表了著名的量子假说，作为经典物理的大师，普朗克不得不抛弃能量是连续的传统经典物理概念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。并且因为量子理论的创立而获得诺贝尔物理学奖。普朗克本人是如此地不喜欢自己提出的量子概念，很想把量子说纳入经典轨道，但十余年的斗争终败，最后在各种经典解释一一碰壁后他才真正理解量子的深刻含义。由此可以再次让学生看到，科学研究确实不仅需要勇气挑战经典，还要学会改变固有观念和思维方式。物理理论的萌芽、发展和完善，这个复杂的过程中学生能够深切地体会其中的曲折艰辛。在介绍玻尔氢原子模型的部分，可以引入玻尔与爱因斯坦的世纪之争。玻尔1885年出生于丹麦，在哥本哈根大学学习物理期间发展和完善了汤姆孙和洛伦兹的研究方法，并且创造性地把普朗克提出的量子假说应用于卢瑟福的核式结构模型，非常完美地解释了困惑物理学家们近30年的光谱实验。玻尔作为哥本哈根学派的创始人，不仅成功地解释了氢原子光谱，还提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学。在玻尔成立的哥本哈根大学理论物理学研究所还诞生了大量杰出优秀的物理学家，是当时世界上最重要最活跃的学术中心。玻尔与爱因斯坦的世纪之争因为对物理学发展具有极为重要的作用而被载入史册。在第五届索尔维会议中，爱因斯坦质疑海森堡的不确定性原理，并抛出了“上帝不会掷骰子”的观点，而玻尔反驳“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做”。爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满，认为量子力学不完备，并提出一个思想实验来反驳测不准关系。但这正好被玻尔用分析场的可测性证明了量子场论的无矛盾条件。爱因斯坦提出了很多问题，找到很多矛盾，但都被玻尔一一攻破，反而更加全面地证明自己的正确性，阐明了量子力学的原理。两位伟大的科学家一直在争斗，但玻尔十分尊重爱因斯坦的挑战，爱因斯坦的批评和挑战也促进了大家对微观理论的认识。正所谓真理越辩越明，索尔维会议上玻尔与爱因斯坦的世纪争辩的介绍不仅更能提升学生对物理研究过程的了解和对科学发展的认识，同时有利于正确看待学术讨论、争议、合作，培养学术精神和正确的价值观。另一方面通过介绍以玻尔为中心的哥本哈根学派的工作，可以展开极为丰富的信息，这对激发学生兴趣给学生以启迪、联系专业学科可以起到更加积极的作用。此外，在教学过程中由玻尔理论到索末菲理论再到第三章介绍的量子理论电子云概念的提出，从介绍氢原子到类氢离子再到最外层只有一个电子的碱金属，单电子原子到双电子原子再到多电子原子，每一个部分都是物理学发展坚实的脚印，让学生看到，实际上现有的物理知识无一不是通过无数的曲折反复由简到繁升华高度概括得到的精华，这样的教学过程将更有益于渗透物理思想和学习科学思维的方法，从而树立科学的世界观[3]。
4康普顿散射实验教学过程与物理学史的结合
科学发展实验与理论两手并行，例如1923年美国物理学家康普顿（A.H.Compton）在研究X射线与物质散射的实验中证明了X射线的粒子性，完满地解释了光量子说，人类对光的本性的认识在实验中完满。这是一个漫长曲折的过程，从17世纪末开始，牛顿提出的“微粒说”认为光是微小的粒子，而惠更斯提出了与之相对立的“波动说”，人们对光的认识局限在当时所能观测的有限的实验现象中，加之牛顿崇高的威望使得“微粒说”一度占领统治地位。一百年后，托马斯•杨通过光的干涉实验验证了惠更斯原理，“波动说”开始充满生机。到了19世纪中叶，麦克斯韦提出“电磁说”，由此光的波动理论占据主导地位。但很快因为波动理论认为光的传播需要介质，这难以解释宇宙中光的传播，“波动说”又身陷囹圄，而且“波动说”在光电效应面前苍白而无力。1905年，爱因斯坦提出“光量子说”成功解释了光电效应，这样几经曲折，康普顿散射实验终结了人们对于“光量子说”的怀疑，最终认识到光具有波粒二象性，粒子与波动完美统一。康普顿散射实验这个漂亮的句号可以启发学生认识到人们对于客观事物的认知总存在历史局限性，前人们经历了从无知到多角度多方面看实物，从相对真理到越来越接近绝对真理的过程。
5小结
在原子物理这门课程的教学过程中充满了革命性创新性的故事，联系物理学史开放性的教学，对于培养学生不拘泥思维，敢想敢干勇于创新将起到积极的促进作用。物理教学中，特别是原子物理课程教学中扒开死气沉沉的公式，充分利用物理学史资料，呈现真实的历史不仅可以充实和丰富课堂内容，开阔学生视野，活跃课堂气氛，培养学生学习兴趣，更重要的是可以让学生对专业学科展开立体的联系，知识不再是单一的点，还可以连成线，展开为面，知识是立体的，充满生命力的，向各方面生长的。综上，原子物理教学过程中紧密结合科学事例的历史，将更有利于激发学生学习兴趣，深入探索实验现象，积极动脑思考物理本质，培养科学思维方法。知识的多寡不是我们教学中所追求的终极目标，探索精神的培养，对物理本质的全面理解以及建立正确的科学思维方法，树立正确的科学观才是充满生命力的有活力的教学。
参考文献
[1]杨福家.原子物理学[M].北京:高等教育出版社.
[2]褚圣麟.原子物理医学论文发表学[M].北京:高等教育出版社.
[3]郭奕玲,沈慧君.物理学史[M].北京:清华大学出版社.
作者：宋婷婷 张敏 单位：西华师范大学物理与空间科学学院
