如何理解與學好中學原子物理

黃書鵬

(漳州一中 福建 漳州 363000)

高中原子和原子核物理在新教材[1]中，包括原子結構、原子核結構、核能及波粒二象性共四章．這部分內容在中學物理中占的比重不大，但對學生了解和掌握近代物理學的發展卻很重要，教學中切不可掉以輕心．其中玻爾理論、能級概念、核能的計算、光電效應和波粒二象性為重點，也是學生最難掌握的內容．本文擬就如何學好原子物理，分別從教材特點、光電效應與波粒二象性、能級概念和物理模型的建立與應用幾個方面分析探討．

1 教材與知識特點分析

原子物理的知識與我們前面學習過的經典物理學知識有較大區別．一是物理觀念上，這部分主要探討微觀領域的知識，其學習方法與宏觀領域的研究方法有很大不同.二是這部分知識在我們的生活中，缺少與之對應的經驗感性認識，缺乏理解這些知識的素材，這給學生學習帶來思維上的困難.三是受先入為主的思想禁錮，習慣于用經典理論方法分析問題，一旦要用量子化觀點，就覺得很別扭．針對這種情況，首先要從思想上重視.這部分在新高考中屬選考內容，要求不高，但教學上不能走過場.其次教學上一定要抓住物理實驗(事實)—建立物理模型(理論)—解釋物理現象(運用)一條線索進行，而且不要忽視物理學史教學．再者筆者以為如能將第五章“波粒二象性”提到“原子結構”之前來上，知識系統會顯得更緊湊，邏輯性會更強，更有利于教學．

2 如何理解掌握光電效應和波粒二象性

光子說和光電效應方程是這部分的重點．具體講：

(1)要理解什么是光電效應，其四個特點是什么．

(2)光子說的內容，如何用光子說解釋光電效應．

(3) 從能量的角度對發生光電效應的光子、光電子進行定量描繪．在此基礎上理解光的波粒二象性．為后面理解物質波打下堅實基礎．

學生經常會提出一個問題，到底光(光子)是粒子還是波？在他們思想深處，光要么是粒子，要么是波，對光同時具有波動性和粒子性接受不了．這涉及物理觀念的轉化問題．可以說，光在傳播過程中呈波動性，在發生相互作用時顯粒子性，這就是光的波粒二象性．在相互作用時將光當成粒子，滿足動量守恒，能量守恒也只是考慮了作用前后的效果，至于作用過程是不是真的是彈性剛球，在中學階段完全可以不必細究．如果從微觀角度看，光子與其他粒子的作用如“碰撞”“轟擊”(如人工核反應)實際上是“俘獲”的過程，是能量轉移與轉化的過程．它們的作用可能是波的共振吸收[3]，也可能是電磁力間的作用，但決非是簡單的機械作用．

光電效應方程則是能量守恒的具體體現．將方程寫成

hν=Ek+W

更容易理解．式中左邊為光子的能量，即入射總能量，右邊為光電子的總能量．方程表示光子將能量轉移給光電子．重點理解Ek，它是光電子獲得光子能量并在克服逸出功后直接脫離金屬表面具有的動能，以區別克服逸出功后又與周圍電荷(離子)作用再逸出金屬表面后的動能，也不是逸出后經加速電場加速后的動能．其次光電效應又分為內光電效應[3]與外光電效應兩種(中學主要學習后者).前者被光子打擊的光電子并不逸出，只是形成自由電子，增加自由電子濃度．光電池就是其應用[4]．后者產生的光電子將逸出金屬形成光電流．光電管就是其應用．最后還要考慮到微觀領域的機會均等與測不準原理，所以光子和電子作用是一一對應的．一個電子只能吸收一個光子，同樣一個光子也不能同時打在兩個電子上．(這里不考慮多光子效應)

3 如何理解掌握能級和能級躍遷

能級的概念是玻爾受普朗克能量量子化和愛因斯坦光子說啟發而提出的，認為原子處于穩定狀態能量是不連續的、分立的，這些分立的能量狀態稱為能級．當原子的能量發生變化時，其相應的能級就發生改變，稱為原子能級躍遷．玻爾理論的三個量子化假設中重點是能量量子化(定態假設)和躍遷量子化(躍遷假設)．

在能級躍遷中，有時講原子躍遷，有時又講電子躍遷．這又如何理解呢？其實講原子躍遷與電子躍遷是等效的．原子能級是原子核和核外電子組成的原子系統所具有的，是它們相對位置的電勢能及電子運動的動能的總和．電子在不同軌道上，系統就具有不同的能量．因此，講原子躍遷，通常是指原子在不同能級間的躍遷；講電子的躍遷是指電子在不同軌道的躍遷，其實質都是原子系統能量發生變化．

原子從低能級向高能級躍遷需要吸收能量．其能量的來源有兩個途徑，一是吸收入射光子的能量hν．在這種情況下，又分成兩類躍遷.

(1)不同定態間的躍遷，從基態躍遷到激發態，或從一個激發態躍遷到另一激發態．這時就要求光子的能量滿足一定條件，即光子能量等于躍遷能級之差hν=E末-E初．這時我們更愿意將光當成電磁波，這種吸收實質就是波的共振吸收，從而形成共振躍遷[6]．

(2)電子從定態躍遷到無窮遠處，就是通常講的原子電離．這時只要光子能量大于原子所處的能級即hν≥En就行．此時電子從該軌道躍遷到無窮遠后，仍可具有部分動能Ek．寫成式子有hν=En+Ek．

躍遷第二途徑是有粒子碰撞傳遞能量，如電子入射．這時原子可吸收部分能量而躍遷，其值仍為兩能級之差，而剩余的能量為入射粒子具有．這種情形不要求粒子的能量等于兩能級之差，且過程可視為彈性碰撞，滿足動量守恒和能量守恒．

能級躍遷是個比較抽象的物理過程，這里用生活中常見的一種過程為物理模型，幫助理解躍遷問題．比如我們要上一個高臺，有兩種選擇，一是沿某一斜坡而上，這時能量(高度差)變化是連續的，就如經典理論中能量可以連續變化一樣．二是沿某一臺階而上，這時能量(高度差)是不連續的，這對應于玻爾的能量量子化．在發生躍遷的時候，從低處跳到高處，所上升的高度差(所消耗的能量)應剛好等于能上兩個臺階的高度差，這就對應量子躍遷假設．至于用力很大一下子跳上高臺，還可往前沖，這就如同原子電離．

4 應用與分析

圖1

解析:電子與氫原子發生碰撞，氫原子從中獲取能量產生躍遷．碰撞過程動量與能量守恒．由于碰撞前總動量為零，可知基態氫原子亦有初動能．這樣碰撞前電子和原子的總動能與碰撞后氫原子的躍遷能量ΔE及兩者保留的動能相等(能量守恒)．設碰前電子和氫原子動能分別為Eke和EkH，碰后電子和原子總動能為Ek.由動量守恒pe-pH=0,得

所以

5.445×10-4×12.89 eV=

0.007 eV

E總=Eke+EkH=

(12.89+0.007) eV≈12.90 eV

由能級圖1,原子躍遷吸收能量

ΔE=E4-E1=

(13.6-0.85) eV=12.75 eV

由能量守恒

Eke+EkH=ΔE+Ek

Ek=Eke+EkH-ΔE=

(12.90-12.75) eV=0.15 eV

點評：(1)本題應注意原子能級與原子動能的區別．原子能級是組成原子的原子核和電子系統的能量狀態，屬微觀領域的能量．而原子的動能是指其機械運動的動能．與本題不同，在中學一般將原子視為靜止，故初動能為零．

(2)若是光子入射使原子躍遷，則入射光子的能量必須是

E=hν=E4-E1=12.75 eV

且氫原子保持原有動能．

5 物理模型的建立與應用

從上面分析可看到建立物理模型對學好原子物理的作用．但是如何建立物理模型以及如何理解和應用模型對學生來講并非易事．建立模型，就是要抓住問題的重點，摒去枝節與次要因素．但學生更多是機械記憶和理解物理模型，將其視為不變的物理事實或過程而簡單的套用．建立物理模型，不能機械化程序設計；每一個物理模型都是在特定的條件下成立，你只能用一個模型處理同一類問題，但不能用一個模型處理不同類的問題．在應用中不必深究，也不能奢望有完滿或普適的物理模型．前面講的光子粒子模型就是一例，何時視為粒子,何時視成波，應視具體情況而定，可不死摳模型.

總之，物理規律是物理模型的骨架，豐富的物理素材是模型的血與肉；占有越豐富的素材，其物理模型就越豐滿.靈活運用是物理模型的靈魂．大量閱讀科普材料，細心領會模型的內涵，才能建立并應用好物理模型．

1 廖伯琴.普通高中課程標準實驗教科書 物理·選修3-5. 濟南：山東科技出版社，2007

2 (美)F.W.Ssears，等，著.惲瑛，等，譯.大學物理學(第四冊).北京：人民教育出版社，1980

3 姜民.半導體內光電效應及其應用簡介.教育實踐與研究(中學版)，2007(1)

4 廖伯琴.普通高中課程標準實驗教科書 物理·選修3-5教師用書.濟南：山東科技出版社，2007

5 周世勛.量子力學教程. 北京：高等教育出版社，1979