原子模型的更新发展对物理教学的启示

原子模型的更新发展对物理教学的启示

袁丹涛

袁丹涛浙江省象山县第三中学315700

摘要探索原子结构，一是从汤姆逊发现电子提出汤姆逊原子模型开始的。原子模型在不断地被否定、更新和完善。探索原子结构的历程告诉我们：理论来自于实践，实践是检验理论的唯一标准。物理学理论在跟错误的斗争中不断地发展。

关键词原子模型核式结构假设量子化理论实践发展创新

1897年英国物理学家汤姆逊发现了电子，电子来自于原子，它是原子的组成部分。原子由带正电的物质和带负电的电子组成，它们怎样组成原子？物理学家先后提出了多种原子模型。其中最有代表性的原子模型有汤姆逊模型、卢瑟福原子核式结构模型和波尔的原子结构的假设。从1898年汤姆逊提出“西瓜模型”到1913年波尔在卢瑟福原子核式结构模型的基础上提出原子结构的假设，经过了15年。物理学家探索原子结构的历程给后人以极大的启示。

理论来自于实践，物理学家提出原子模型都有科学依据。他们根据实验，运用已有的物理理论，加上科学的推理猜测，提出原子模型。由于已有的物理理论的局限，猜测的不科学，提出的模型可能不正确，或有缺陷。

汤姆逊提出的原子模型是根据电子来自于原子，原子是中性的，必定由带负电的电子和带正电的其余部分组成。电子的质量非常小，带正电的部分质量是电子质量的千倍以上。假设带正电的部分跟电子的“密度”相差不多，带正电部分的体积为电子体积的千倍以上。按人们对宏观事物的观察经验，如果原子呈球形，用西瓜来比喻，带正电部分好比是瓜瓤，电子好比是瓜子，均匀分布在球体内。这就是汤姆逊的“西瓜模型”。

卢瑟福用α粒子散射实验否定了汤姆逊模型，提出了原子的核式结构模型。他用类比法分析：太阳系中各行星在太阳的引力作用下绕太阳运转，原子中的电子受带正电的原子核的引力作用下绕核运动。库伦力和万有引力均跟距离的平方成反比，原子的核式结构可以跟太阳系相类比。按核结构计算α粒子散射不同角度的粒子数跟实验测得的数值符合得相当好。

波尔在原子的核式结构的基础上提出了新的假设。根据原子是稳定的，原子光谱线是分立的。他在普朗克关于黑体辐射的量子论和爱因斯坦关于光子的概念的启发下，提出了原子的定态和跃迁两个重要的概念。定态跟原子是稳定的，电子绕核运转向外不辐射能量相对应；原子在两个定态间跃迁跟原子光谱的分立特征相对应。

原子模型的正确与否必须用物理事实和物理实验来验证。实践是检验真理的唯一标准。

α粒子散射否定了汤姆逊模型。卢瑟福计算α粒子通过汤姆逊模型发生散射的结果跟实验测得的结果比较，来判定汤姆逊模型是否正确，方法非常完美。原子的核式结构有α粒子散射实验为基础。但核式结构不能用经典物理理论解释原子的稳定性和原子光谱的分裂特征。对于原子世界，面临的问题是：原子的核式结构和经典物理理论，哪个是哪个非呢？

波尔的假设没有否定原子的核式结构，却是在核式结构的基础上补充了新的内容，即定态和跃迁的新概念。新概念跟经典物理学不相容，说明了经典物理学理论不适用于原子世界。波尔根据定态和跃迁的假设，运用经典物理学的理论，通过计算得到的结论，完美地解释氢光谱的规律。事实证明了波尔的假设取得了成功。但波尔的原子模型不能解释更多的原子光谱，说明波尔模型的局限性。

“发展是硬道理”，物理学理论就是在错误的斗争中发展起来。日心说战胜地心说；光的波动说取代光的粒子说，光的波粒二象性取代光的波动说，直到物质的波粒二象性，充分说明了这个道理。

原子模型的不断地否定、更新和完善也说明了发展是事物的根本规律是硬道理。最初的化学，认为原子是基本粒子。汤姆逊发现了电子，否定了原子是基本粒子，原子有结构。汤姆逊设想了原子的“西瓜模型”，卢瑟福通过α粒子散射实验否定了汤姆逊模型，提出了原子的核式结构模型。核式结构模型与经典物理理论不相容，这使波尔产生了革新的想法：经典物理理论对原子世界不完全适用，必须修正，提出了定态和跃迁的新概念。但波尔的假设只对经典物理理论做局部的修正，在处理原子世界问题时仍沿用了经典物理理论，革新不彻底，波尔理论有局限性。波尔的原子世界量子化观念是良好的开端，在众多物理学家的努力下，解决原子世界问题的新理论——量子力学于20世纪初诞生了。

改革需要有创新的精神。经典物理理论经过宏观世界的实践检验，是正确的，可称为真理。从经典物理理论的创立到20世纪初叶，人们对经典物理理论坚信不疑。当波尔首次提出他的量子化假设时，多数物理学家大吃一惊。寻求真理需要有创新精神的先驱者，如普朗克、爱因斯坦和波尔等都为物理量子理论作出了杰出的贡献。创新是永恒的主题。

物理教学要改革，高中新教材已经有了较大的改变，增加了很多反映物理学发展的新内容。但是中学物理教学仍在走老路，屈从于应试教学。师生们仍在传统的题海中挣扎。对于教材中的新内容，各地用各自的考试大纲来调整，很多新内容列于考试范围之外，束之高阁。花样百出的各类考试题目多数是纸上谈兵，脱离实际的。这样很难培养出具有创新精神的科技人才。

参考文献

【1】李艳平、申先甲主编.《物理学史教程》.北京：科学出版社.2003年.

【2】楼世洲.《物理学的思想和方法导论》.北京华龄出版社.2002年.