論近代物理科學史在核物理工程基礎課程中的作用

摘要：在工科類專業(yè)講授核物理工程基礎課程中，由于學生沒有系統(tǒng)學習過原子物理、原子核物理和量子力學，為了便于理解有些概念，在課程教學過程中適當講一些近代物理科學史是十分的有用和必要。例如通過原子的有核模型的建立的歷史的介紹，對于學生理解原子模型是非常必要的。通過對量子力學形成的歷史的介紹，對學生理解原子核的能態(tài)是十分有幫助的。對近代物理科學史的介紹，提高了學生的學習興趣和教學效果。

關鍵詞：量子力學史 狹義相對論史 核物理工程基礎

中圖分類號：O57 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

清潔能源是未來能源發(fā)展方向，核電是一種重要的清潔能源。由于核電在我國的能源結構中比例較低，大力發(fā)展核電是十分必要的。核物理工程基礎是核電類專業(yè)的一門基本課程。在從事工科類專業(yè)核物理工程基礎課程的教學實踐中，發(fā)現(xiàn)學生對理解有些概念有一定的難度，因為他們沒有系統(tǒng)學習過物理專業(yè)的原子物理、原子核物理和量子力學課程。于是便嘗試在課堂教學中適當地介紹一些近代物理科學史，得到了明顯的效果，下面介紹一些具體的經驗。

1 原子的有核模型的建立的歷史

在原子核發(fā)現(xiàn)以前，J.J.湯姆生（J.J.Thomson）在上世紀初1904年提出了一個早期的原子結構模型[1]。其主要內容是：正電荷均勻分布在一個球體內，電子鑲嵌在其中某些平衡位置上，并作簡諧振動。電子在1897年被發(fā)現(xiàn)后，由于原子是中性的，原子中正負電荷的空間分布是人們十分關心的問題。按照湯姆生模型，氫原子的發(fā)光只有一個頻率，這與實驗事實不符。實驗可以觀察到氫原子光譜有多種頻率的譜線。為了搞清楚原子的電荷的空間分布，1911年盧瑟福等人做了著名的 粒子（高速運動的氦原子核）散射實驗。當用 粒子轟擊由薄金箔制成的靶，大多數 粒子都 能沿原方向行進或只偏轉2到3度，只有少數 粒子發(fā)生了大角度偏轉，即偏轉角大于90度，有的甚至達到180度，實驗結果表明原子的正電荷集中在一個很小的空間區(qū)間即原子核。將原子核與電子之間的庫侖力和太陽與行星間的萬有引力相比較發(fā)現(xiàn)它們的大小都遵從平方反比規(guī)律.可以推斷原子一定與太陽系相似.這就是盧瑟福1911年提出的原子結構的“核式模型”.

通過對原子結構的“核式模型”建立的歷史過程的介紹，使同學們對原子核在原子中的地位有一個比較全面的認識，為進一步講解原子核又是有什么構成的有了一個好的基礎。

2 從量子力學建立歷史看原子核能級和X射線熒光

19世紀經典物理取得了很大的成就，當物體的速度遠小于光速時力學規(guī)律按牛頓力學，電磁現(xiàn)象（包括光的波動現(xiàn)象）按麥克斯韋電磁理論，熱現(xiàn)象則遵從熱力學和經典統(tǒng)計物理的理論。當時認為物理學的理論已十分完善，人們只需要在實驗上提高精度而已。隨著一系列經典理論無法解釋的現(xiàn)象不斷地出現(xiàn)，新的物理理論的建立是十分必要的。黑體輻射是當時非常有名的一個實驗現(xiàn)象。黑體的一個特點是它對各方向射來的各種頻率的輻射都百分之百地吸收. 為解釋黑體輻射單色輻出度實驗曲線[2]，1893年維恩提出了維恩理論，其基本思想是組成黑體空腔壁的分子或原子被認為是有電的線性諧振子，黑體輻射能譜分布相似于麥克斯韋分子速率分布。維恩理論在波長較短時與實驗曲線符合得較好，但在波長較長時與實驗曲線符合得較差。1900至1905年間，瑞利和金斯提出了瑞利-金斯公式，其基本思想是對于電磁輻射同樣符用統(tǒng)計物理學中的能量按自由度均分定理，每個線性諧振子的能量都等于kT， 瑞利-金斯公式在波長較長時與實驗曲線符合得較好，但在波長較短時與實驗曲線符合得較差，而且當波長較趨于零時單色輻出度趨于無限大，這與實驗完全不符，當時被稱為“紫外災難”。為了得到與實驗曲線相一致的理論分析，普朗克提出諧振子的能量必須是量子化的，這與經典物理學格格不入，后來普朗克試圖再用經典物理學理論解釋黑體輻射單色輻出度實驗曲線，但也沒有成功。普朗克的能量子概念的提出對量子力學的建立作出了巨大的貢獻于1918年獲得了諾貝爾物理學獎。1905年在此基礎上提出了光量子即光子的概念成功解釋了光電效應。分子和原子光譜的實驗推動了量子論的系統(tǒng)運用和發(fā)展。1913 年，玻爾將量子概念用于研究氫原子光譜， 當電子繞原子核的圓周軌道動運動時，玻爾假設電子的角動量等于普朗克常量除以圓周弧度的整數倍，這樣求的氫原子的能級與氫原子光譜的實驗相一致。量子力學的建立過程中有很多科學家的貢獻，其中最著名的有德國的海森伯、奧地利的薛定諤、德國的伯恩和英國的狄拉克。海森伯利用對應原理創(chuàng)立了量子力學的矩陣力學表達方式，薛定諤提出了量子力學的波動力學表達方式，伯恩給出了波函數的統(tǒng)計解釋，狄拉克建立了相對論量子力學。

牛頓力學只符合于宏觀物體，而原子核屬于微觀粒子，其動力學特性需要用量子力學處理。量子理論的一個基本觀點是微觀粒子的能量是量子化的。這樣我們就比較容易理解核能級和同質異能素的概念。X射線熒光[3]的產生是由于待測元素的原子由高能激發(fā)態(tài)向低能態(tài)躍遷而引起的。由量子理論的原子能級的莫塞萊公式可算出X射線的能量，進而推算出待測元素是什么元素，而由X射線的強度可確定待測元素的含量。

3 從相對論建立歷史看原子核的結合能

狹義相對論[4]是愛因斯坦對科學的主要貢獻之一，相對論的建立也有一個過程。我們知道牛頓力學三定律是經典力學的核心，在所有慣性系中牛頓定律都是等價的，1932年伽利略在一個封閉的船艙中觀察了慣性系等價現(xiàn)象。經典力學的時空變換按照伽利略變換，這種變換反映了牛頓力學的時空觀，即一切物體的運動都是在一定的時間和空間進行的，時間和空間是絕對的，時間和空間與物體的運動無關，牛頓力學的時空觀的適用條件是作低速運動的宏觀物體。在伽利略變換下麥克斯韋在不同的慣性系下是不等價的。人們開始尋找一個絕對靜止的參考系（以太）。著名的邁克耳遜-莫雷實驗否定了以太的存在。愛因斯坦提出了兩個基本假設，創(chuàng)立了狹義相對論。基本假設的內容為：（1）在所有慣性系中物理定律的表達形式都相同；（2）在所有慣性系中真空的光速圴為常數并與參考系無關。相對論中時間和空間與物體的運動密切相關，時空變換為洛倫茲變換。相對論中物體的質量是靜止質量和運動速度的函數，物體的總能量等于質量乘以光速的平方，物體的靜能等于靜止質量乘以光速的平方，一定質量的物體總是與一定的能量相關。當質子與中子結合成原子核時，原子核的質量要比質子質量和中子質量之和要小，這意味著要釋放出一定的能量稱為原子核的結合能。原子核的結合能是核能應用的基礎。

4 結論：

在核物理工程基礎這門課程的教學實踐中，為讓學生對一些概念比如核能級有一個系統(tǒng)的認識，適當在課堂上介紹物理科學史是十分有用和必要的，這種介紹不僅豐富了學生的知識面，加深了學生對相關概念的理解，增加了學生的學習興趣，提高了學好核核物理工程基礎這門課程的物理工程基礎這門課程的積極性和主動性，為將來進一步深造核科學打下一個良好的基礎。另外學生也可以從知名科學家從事科學發(fā)現(xiàn)的實踐中，逐步養(yǎng)成一種愛科學、學科學和探索科學的良好習慣。

參考文獻：

[1] 田偉中. 原子觀的演化[J]. 物理通報，2001，（11）： 42-44.

[2]程守洙，江之永主編，胡盤新，湯毓駿， 宋開欣修訂. 普通物理學3（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社，1999：314-407.

[3] 劉慶成，賈寶山，萬駿. 核科學概論[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010：136-138.

[4] 王少杰，顧牡，王祖源主編.大學物理學上冊（第4版）[M]. 上海：同濟大學出版社，2013：109-129.