物理實驗的美麗
——以盧瑟福原子結構實驗為例

朱 錦 鄭淵方

(福建師范大學物理與能源學院 福建 福州 350117)

我國的教育長期以來存在著忽視美育的現象，物理實驗教學中普遍缺乏審美教育.美育的根本任務是，提高學生的審美能力，培養學生的審美情趣，培養學生創造美的能力，引導學生逐步形成科學的審美觀.廖伯琴教授在《物理教育學》一書中提到：“實驗是物理學的重要特性，也是物理學文化的顯著特征，物理學的育人功能更多地通過實驗教學過程來體現”[1].

近年來關于物理學中表現的和諧奇異美、 多樣統一美及簡單有序美有諸多討論，但關于物理實驗中的美育并不多. 在《美和理論物理》一文中，楊振寧教授把物理之美概括為“物理現象之美”“理論結構之美”“理論描述之美”，原子結構的發展是物理學中重要組成部分，它打開了微觀世界的大門，開創了原子物理和原子核物理學的新領域[2,3].但是由于原子結構在高中物理教材中描述較為簡略和淺顯，這可能導致學生對于原子結構的發展和原子結構實驗的了解只是淺嘗輒止.本文在實際教學需求的基礎上結合楊振寧教授對物理美的認識，從原子結構研究歷程、實驗設計、數據統計、物理規律、學者精神和實驗延伸6個方面發掘美，從不同深度分析，引導學生掌握知識的同時，逐步形成科學的審美觀.

1 研究歷程的勞動美

科學規律的認識與發展歷程就是一個勞動過程，勞動美的本質就在于不斷發現 、不斷創造 ，凝聚著科學家辛勤的汗水，凝結著勞動者智慧結晶[4].以時間為主線梳理科學家們不斷完善原子結構模型的歷史軌跡,如表1所示[5].一百多年來，隨著思維能力的不斷提高，科學家對原子結構的認識層次也在逐漸深入，學生在掌握原子結構學說的同時，更有助于啟迪學生心智成長和培養學生吃苦耐勞的能力.

表1 原子結構模型演變

續表1

2 實驗設計的精巧美

物理實驗運用簡單而精密的實驗儀器，就可以展現出美麗的實驗現象和探究本質的、科學的物理概念，這并不是輕而易舉的事情，需要科學家對物理實驗認真專研和精心設計.α粒子散射實驗裝置如圖1所示.

圖1 粒子散射實驗裝置圖

實驗共有放射源、金箔、熒光屏和顯微鏡4個儀器，裝置十分簡單,但每個儀器都缺一不可，從材料到儀器的選擇都需要盧瑟福團隊多次嘗試和深思熟慮.左側鉛盒內裝有少量的放射性元素釙構成放射源，從鉛盒的小孔射出一束很細的α射線到金箔上，α粒子穿過金箔后，射到熒光屏上會產生一個個的閃光點，這是因為α粒子打到涂有硫化鋅的熒光屏上時，會產生微弱的閃光，顯微鏡用于觀察光點[6].為了避免粒子和空氣中的原子碰撞而影響實驗結果，整個實驗都安排在真空中進行.

使用α粒子的原因：(1)α粒子帶正電，穿透能力弱，容易與原子內帶正電的原子核相排斥；(2)α粒子還能與涂有硫化鋅熒光屏產生微弱的閃光，通過觀察光點，就能判斷粒子的運動軌跡.

使用金箔的原因：(1)金箔純度很高，可以消除雜質原子對實驗結果的干擾；(2)純金延展性好，容易延展成非常薄的金箔，保證絕大多數的粒子穿過金箔后仍是保持原來的方向前進[7]；(3)金的化學性質穩定，不易與熒光粉發生化學反應；(4)金的原子序數大，所帶正電荷就多，對α粒子的庫侖斥力大，α粒子與金原子碰撞后的散射角也就增大.顯微鏡可以圍繞金箔在圓周上移動，通過觀察閃光便可記下某一時間內在某一方向散射的α粒子數.

3 數據統計的邏輯美

4 物理規律的簡潔美

人類對于物理現象的認識總是由現象到本質，現象層面的內容是紛繁復雜的，而現象背后的本質規律則揭示了多樣性的統一，這就是物理規律的簡潔美.原子行星模型構造連接了原子內部結構與宇宙的對稱與和諧，體現了大小宇宙的和諧統一.盧瑟福認為原子的全部正電荷在原子核內，且幾乎全部質量均集中在原子核內部，帶負電的電子在核空間進行繞核運動.盧瑟福和他的學生從上萬個粒子中發現幾個甚至一個偏轉角度較大的粒子，將實驗數據進行大量計算推導，工作量繁重，實驗數據繁多，最終歸納為精煉簡潔的物理規律.

5 學者探究的精神美

比起物理知識，物理學家的人格魅力和獻身科學的精神之美雖然潤物細無聲，但更具震撼人心的教育效果，利于培養學生真善美.盧瑟福勇于求新，打破常規，有很強的直覺敏銳性、先驗能力和引導學生的能力，他敢于突破束縛,進行開創性工作[8].盧瑟福很早就有用粒子探索原子結構的想法，因為他發現α粒子穿過云母會發生偏轉，所以,對α粒子的特點進行分析，引導學生進行實驗并觀察現象，整個實驗的原理和構思都是盧瑟福提出的.盧瑟福敏銳地認識到大角度散射對于了解原子周圍或原子內部的電場強度的重要性.當然科研團隊之間的配合和實驗人員的科學素養也是至關重要的，蓋革和馬斯登在實驗上的細致、敏銳、務實和創造能力，也是實驗得以成功的重要因素.

6 物理實驗的延伸美

盧瑟福的α粒子散射實驗是近代科學發展史上具有重要地位的物理實驗之一，他的實驗方法和相關理論為正確研究原子結構開辟出一條新的途徑.不僅為建立原子的核式結構模型奠定了實驗基礎，大膽肯定了高密度原子核的存在，而且還開創了一種重要的研究微觀世界的科學方法——用高速粒子“轟擊”，直至現在，量子力學和相對論的研究都離不開這一方法，依賴于粒子加速器的高能物理學依然是較為尖端的學科.α粒子散射實驗在科學發展史上具有里程碑式的意義，它打開了微觀世界的大門，開創了原子物理和原子核物理學的新領域.

物理實驗中的美處處可見，例如發現歷程的堅持不懈，實驗設計的構思，數據統計的處理方法，物理規律的簡潔統一，學者探究的科學精神，物理實驗的延伸應用都能使學生在美的熏陶中提高自身的美學修養[9].引用物理實驗的美，使物理美感與知識傳授產生共振效應，一方面加深對知識的理解和掌握，提高學生對物理實驗的興趣，另一方面啟發學生的科學探究和創造性學習.