如何理解与学好中学原子物理

黄书鹏

(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，包括原子结构、原子核结构、核能及波粒二象性共四章．这部分内容在中学物理中占的比重不大，但对学生了解和掌握近代物理学的发展却很重要，教学中切不可掉以轻心．其中玻尔理论、能级概念、核能的计算、光电效应和波粒二象性为重点，也是学生最难掌握的内容．本文拟就如何学好原子物理，分别从教材特点、光电效应与波粒二象性、能级概念和物理模型的建立与应用几个方面分析探讨．

1 教材与知识特点分析

原子物理的知识与我们前面学习过的经典物理学知识有较大区别．一是物理观念上，这部分主要探讨微观领域的知识，其学习方法与宏观领域的研究方法有很大不同.二是这部分知识在我们的生活中，缺少与之对应的经验感性认识，缺乏理解这些知识的素材，这给学生学习带来思维上的困难.三是受先入为主的思想禁锢，习惯于用经典理论方法分析问题，一旦要用量子化观点，就觉得很别扭．针对这种情况，首先要从思想上重视.这部分在新高考中属选考内容，要求不高，但教学上不能走过场.其次教学上一定要抓住物理实验(事实)—建立物理模型(理论)—解释物理现象(运用)一条线索进行，而且不要忽视物理学史教学．再者笔者以为如能将第五章“波粒二象性”提到“原子结构”之前来上，知识系统会显得更紧凑，逻辑性会更强，更有利于教学．

2 如何理解掌握光电效应和波粒二象性

光子说和光电效应方程是这部分的重点．具体讲：

(1)要理解什么是光电效应，其四个特点是什么．

(2)光子说的内容，如何用光子说解释光电效应．

(3) 从能量的角度对发生光电效应的光子、光电子进行定量描绘．在此基础上理解光的波粒二象性．为后面理解物质波打下坚实基础．

学生经常会提出一个问题，到底光(光子)是粒子还是波？在他们思想深处，光要么是粒子，要么是波，对光同时具有波动性和粒子性接受不了．这涉及物理观念的转化问题．可以说，光在传播过程中呈波动性，在发生相互作用时显粒子性，这就是光的波粒二象性．在相互作用时将光当成粒子，满足动量守恒，能量守恒也只是考虑了作用前后的效果，至于作用过程是不是真的是弹性刚球，在中学阶段完全可以不必细究．如果从微观角度看，光子与其他粒子的作用如“碰撞”“轰击”(如人工核反应)实际上是“俘获”的过程，是能量转移与转化的过程．它们的作用可能是波的共振吸收[3]，也可能是电磁力间的作用，但决非是简单的机械作用．

光电效应方程则是能量守恒的具体体现．将方程写成

hν=Ek+W

更容易理解．式中左边为光子的能量，即入射总能量，右边为光电子的总能量．方程表示光子将能量转移给光电子．重点理解Ek，它是光电子获得光子能量并在克服逸出功后直接脱离金属表面具有的动能，以区别克服逸出功后又与周围电荷(离子)作用再逸出金属表面后的动能，也不是逸出后经加速电场加速后的动能．其次光电效应又分为内光电效应[3]与外光电效应两种(中学主要学习后者).前者被光子打击的光电子并不逸出，只是形成自由电子，增加自由电子浓度．光电池就是其应用[4]．后者产生的光电子将逸出金属形成光电流．光电管就是其应用．最后还要考虑到微观领域的机会均等与测不准原理，所以光子和电子作用是一一对应的．一个电子只能吸收一个光子，同样一个光子也不能同时打在两个电子上．(这里不考虑多光子效应)

3 如何理解掌握能级和能级跃迁

能级的概念是玻尔受普朗克能量量子化和爱因斯坦光子说启发而提出的，认为原子处于稳定状态能量是不连续的、分立的，这些分立的能量状态称为能级．当原子的能量发生变化时，其相应的能级就发生改变，称为原子能级跃迁．玻尔理论的三个量子化假设中重点是能量量子化(定态假设)和跃迁量子化(跃迁假设)．

在能级跃迁中，有时讲原子跃迁，有时又讲电子跃迁．这又如何理解呢？其实讲原子跃迁与电子跃迁是等效的．原子能级是原子核和核外电子组成的原子系统所具有的，是它们相对位置的电势能及电子运动的动能的总和．电子在不同轨道上，系统就具有不同的能量．因此，讲原子跃迁，通常是指原子在不同能级间的跃迁；讲电子的跃迁是指电子在不同轨道的跃迁，其实质都是原子系统能量发生变化．

原子从低能级向高能级跃迁需要吸收能量．其能量的来源有两个途径，一是吸收入射光子的能量hν．在这种情况下，又分成两类跃迁.

(1)不同定态间的跃迁，从基态跃迁到激发态，或从一个激发态跃迁到另一激发态．这时就要求光子的能量满足一定条件，即光子能量等于跃迁能级之差hν=E末-E初．这时我们更愿意将光当成电磁波，这种吸收实质就是波的共振吸收，从而形成共振跃迁[6]．

(2)电子从定态跃迁到无穷远处，就是通常讲的原子电离．这时只要光子能量大于原子所处的能级即hν≥En就行．此时电子从该轨道跃迁到无穷远后，仍可具有部分动能Ek．写成式子有hν=En+Ek．

跃迁第二途径是有粒子碰撞传递能量，如电子入射．这时原子可吸收部分能量而跃迁，其值仍为两能级之差，而剩余的能量为入射粒子具有．这种情形不要求粒子的能量等于两能级之差，且过程可视为弹性碰撞，满足动量守恒和能量守恒．

能级跃迁是个比较抽象的物理过程，这里用生活中常见的一种过程为物理模型，帮助理解跃迁问题．比如我们要上一个高台，有两种选择，一是沿某一斜坡而上，这时能量(高度差)变化是连续的，就如经典理论中能量可以连续变化一样．二是沿某一台阶而上，这时能量(高度差)是不连续的，这对应于玻尔的能量量子化．在发生跃迁的时候，从低处跳到高处，所上升的高度差(所消耗的能量)应刚好等于能上两个台阶的高度差，这就对应量子跃迁假设．至于用力很大一下子跳上高台，还可往前冲，这就如同原子电离．

4 应用与分析

图1

解析:电子与氢原子发生碰撞，氢原子从中获取能量产生跃迁．碰撞过程动量与能量守恒．由于碰撞前总动量为零，可知基态氢原子亦有初动能．这样碰撞前电子和原子的总动能与碰撞后氢原子的跃迁能量ΔE及两者保留的动能相等(能量守恒)．设碰前电子和氢原子动能分别为Eke和EkH，碰后电子和原子总动能为Ek.由动量守恒pe-pH=0,得

所以

5.445×10-4×12.89 eV=

0.007 eV

E总=Eke+EkH=

(12.89+0.007) eV≈12.90 eV

由能级图1,原子跃迁吸收能量

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

点评：(1)本题应注意原子能级与原子动能的区别．原子能级是组成原子的原子核和电子系统的能量状态，属微观领域的能量．而原子的动能是指其机械运动的动能．与本题不同，在中学一般将原子视为静止，故初动能为零．

(2)若是光子入射使原子跃迁，则入射光子的能量必须是

E=hν=E4-E1=12.75 eV

且氢原子保持原有动能．

5 物理模型的建立与应用

从上面分析可看到建立物理模型对学好原子物理的作用．但是如何建立物理模型以及如何理解和应用模型对学生来讲并非易事．建立模型，就是要抓住问题的重点，摒去枝节与次要因素．但学生更多是机械记忆和理解物理模型，将其视为不变的物理事实或过程而简单的套用．建立物理模型，不能机械化程序设计；每一个物理模型都是在特定的条件下成立，你只能用一个模型处理同一类问题，但不能用一个模型处理不同类的问题．在应用中不必深究，也不能奢望有完满或普适的物理模型．前面讲的光子粒子模型就是一例，何时视为粒子,何时视成波，应视具体情况而定，可不死抠模型.

总之，物理规律是物理模型的骨架，丰富的物理素材是模型的血与肉；占有越丰富的素材，其物理模型就越丰满.灵活运用是物理模型的灵魂．大量阅读科普材料，细心领会模型的内涵，才能建立并应用好物理模型．

1 廖伯琴.普通高中课程标准实验教科书 物理·选修3-5. 济南：山东科技出版社，2007

2 (美)F.W.Ssears，等，著.恽瑛，等，译.大学物理学(第四册).北京：人民教育出版社，1980

3 姜民.半导体内光电效应及其应用简介.教育实践与研究(中学版)，2007(1)

4 廖伯琴.普通高中课程标准实验教科书 物理·选修3-5教师用书.济南：山东科技出版社，2007

5 周世勛.量子力学教程. 北京：高等教育出版社，1979