論原子物理學中的思維方法

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　物理學中的理想模型，是人們在探求物理規(guī)律的過程中，在對物理現(xiàn)象做仔細觀察和分析的基礎上。運用理想化、純化的方法所抽象出來的旨在反映物質運動車質特征的理論模式。它排除了物質運動的非本質特征，概括了物質運動的本質特征，純化了影響物質運動的因素，故而用之于處理復雜的物理問題、解釋物理過程或現(xiàn)象、建立或證明物理理論極為便利，并且由于

2、它在這些方面的成功，使之成為物理學研究中必不可少的手段，對物理學的發(fā)展起到了巨大的推動作用，在當前和未來的物理學研究中仍將是重要的工具但是必需注意到歷史上錯誤的理想模型對物理學研究的影響。認識到正確建立理想模型的重要性。對其建立的方法進行深人的研究。本文論述了原子物理學中的模型以及相關思維方法，并對其建立的方法進行了探討?？梢哉f授有理想模型就沒有原子物理學的經典系統(tǒng)理論，就授有物理學的迅猛發(fā)展。物理學的理論體系是在理想模型的基礎上建立起

3、來的。研究任何物理現(xiàn)象，重要的是建立合適的、準確的物理模型。因此本文所探討的內容對于物理的學習是至關重要的。</p><p><b>　　2 模型的概述</b></p><p><b>　　2.1 模型的定義</b></p><p>　　《辭?！分袑Ψ菍嶓w的模型是這樣定義的:“當一個數(shù)學結構作為某個形式語言(即包括常符號、

4、函數(shù)符號、調詞符號的符號集合)的解釋時，稱為模型”。換句話說，模型是人類認識客觀世界的基本方法之一。而在物理學中我們把模型具有的屬性概括為:(l)局限性，即理想模型只在一定范圍內適用，超出這個范圍可能會導致錯誤；(2)抽象性，即理想模型都在實際中并不存在是經過抽象而得到的；(3)相對性，即同一原形根據(jù)不同的研究目的，可以抽象成不同的理想模型；(4)可驗證性，建立起來的模型是否合理，是可以通過實踐的檢驗的。</p><

5、p>　　隨著科學的發(fā)展，人類對物理世界的認識在深入，物理模型也會不斷地發(fā)展和演變。在原子物理學中，不僅將模擬式物理模型和理想化物理模型這兩種合二為一，而且認識微觀世界就是以各種模型這基礎，例如，原子核外電子的運動就是以電子云這種形式出現(xiàn)，至于一個電子如何形成電子云，在原子物理模型的教學中要引導我們用發(fā)展的眼光來認識其微觀模型，了解建立某種模型的背景和科學依據(jù)，認識這種模型發(fā)展演變的原因，比較、鑒別不同模型間的差異，學會有選擇性地接

6、受和認識某種物理模型。在微觀世界中，物理現(xiàn)象、過程往往是錯綜復雜的，它可能處于多種條件下而具有多方面的性質。對物理現(xiàn)象、過程的性質、條件進行歸納，經過邏輯推理，逐步形成的物理思維，最終概括、抽象出新的微觀世界的模型。例如，玻爾把核式模型、巴耳末公式和光量子論等這些當時看起來毫無關聯(lián)的理論歸納起來，經過仔細的分析推理，加上大膽的假設，提出了關于原子結構的普遍規(guī)律。在微觀模型中，有許多現(xiàn)象被認為是“顯然的”，或就這樣直接假定，其內在原因往往

7、留于后人去思考。同樣，在湯姆遜原子模型中，沒有解釋是什么原因能使其帶正的物質能連續(xù)地均勻地分布，因為僅用電磁相互作用是不能解釋這種分布</p><p>　　2.2 物理模型的種類</p><p>　　在原子物理學中，解決原子物理學中常見的物理問題都是通過理想化模型來驗證多提出問題的正確性，那么理想化模型可分為：實體理想模型、過程理想模型、系統(tǒng)理想模型、假想輔助型模型等一些物理模型。<

8、/p><p>　　2.2.1 實體理想模型</p><p>　　盡管世界上各種物質的性質千差萬別，但是在一定條件和目的下可集中突出某一類客觀實體的本質，抓其主要特征而忽略非主要因素，把客觀實體近似化和理想化，抽象為一個足以表征其主要特征的理想模型。這類模型有質點、剛體、單擺、點電荷、純電阻、純電感、純電容、理想變壓器、點光源、線光源、薄透鏡、無限長載流螺線管、無限長載流直導線、無限大均勻帶電平

9、面、簡諧波等；理想化的物理空間如勻強電場、勻強磁場等；理想化的物理儀器如恒壓源(內阻為零)、恒流源(內阻無窮大)等。</p><p>　　2.2.2 過程理想模型</p><p>　　自然界中的物質從宇宙天體到分子原子、基本粒子，從核力場、電磁場到引力場，無不處于永恒的運動變化之中。物質運動形式多樣、過程復雜，物理過程中所含矛盾多各具特征。為了描述某一主要運動狀態(tài)，尋找運動規(guī)律，可以忽略次

10、要因素，抓住主要矛盾，將一些復雜物理過程抽象為較簡單且理想化的物理運動形式，從而獲得基本規(guī)律。如自由落體運動是忽略了空氣阻力和高度變化對重力加速度的影響等次要因素而提煉出來的，簡諧振動是忽略阻尼作用而簡化出的一種等幅振動。</p><p>　　這類模型還有勻速直線運動、勻速圓周運動、準靜態(tài)靜止狀態(tài)、絕熱過程平衡狀態(tài)、熱動平衡態(tài)、等溫過程、等壓過程和可逆過程等。</p><p>　　2.2.

11、3 系統(tǒng)理想模型</p><p>　　雖然宇宙包羅萬象、事物千變萬化，但是物理學家總是在不斷探索用簡單化、理想化的模型去描述它和研究它。在研究復雜的物理系統(tǒng)時，將影響描述系統(tǒng)內的物體及物體與物體之間的次要因素忽略不計，而抓主要矛盾，抓能反映主要本質的因素將系統(tǒng)理想化，得出更具代表性的規(guī)律進而研究實際系統(tǒng)。這類模型有理想氣體、理想流體、完全彈性碰撞、非完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞等。</p><

12、p>　　2.2.4 假想輔助型模型</p><p>　　該類模型是為說明被研究對象的一種或幾種特性，尋找事物規(guī)律及本質而假想出的一種輔助型模型。它使研究對象直觀形象，幫助人們理解其本質特征，從而進一步反映該研究對象的基本屬性和所描述的規(guī)律，如法拉第的電場線模型。電場線的疏密代表電場強度的大小，場線上每一點的切線方向代表該點的場強方向。既直觀又形象地反映出場這種特殊物質的基本屬性和特點。除此外還有液體中的液線

13、、電場中的等勢面、磁場中的磁感線和幾何光學中的光線等。如果這種模型反映的規(guī)律與實驗事實完全楣符，它的假想就變?yōu)檎鎸?。如果只有部分相符，它只能反映被研究對象特性的一個特性。如原子物理學中的湯姆遜摸型、盧瑟福摸型、玻爾模型和原子核物理學中的費米氣體模型、液滴模型、殼層模型等。</p><p>　　3 原子物理學中的模型</p><p>　　在原子物理學中，對于其中的模型，總結如下。</p

14、><p>　　3.1 “棗糕模型”</p><p>　　湯姆遜在分析研究以前的科學家的人真空放電的實驗時，經過更進一步的散射實驗發(fā)現(xiàn)原子中能發(fā)射出電子，這說明原子中含有帶負電的電子，因此他進行了荷質比的測定，從中發(fā)現(xiàn)電子的質量與原子的質量的比值特別。又因為原子呈現(xiàn)中性，所以原子中一定還有帶正電的那一部分，它來負責中和負電，它占有原子質量的大部分?？偨Y以上實驗，湯姆遜在 1904 年提出了原子的

15、“棗糕模型”。即原子中的正電荷分布在整個原子空間，電子嵌在布滿正電荷的球體內。電子均勻分布在正電荷球內。當原子處于最低的能量狀態(tài)時，電子處在其平衡位置上。當原子被激發(fā)時，電子偏離平衡位置，由于和正電荷之間的庫倫力，使它在平衡位置附近做簡諧振動。由于湯姆遜模型能夠很好的說明元素的周期性和院子的穩(wěn)定性，因此一度被人們認可。</p><p>　　3.2 核式結構模型 </p><p>　　

16、盧瑟福在研究粒子散射實驗時發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進, 但是有少數(shù)粒子卻發(fā)生了較大的偏轉，并且有極少數(shù)粒子的偏轉超過90°,有的甚至幾乎達到180°，像是被金箔彈了回這就是粒子散射實驗。根據(jù)湯姆生的棗糕模型計算，粒子穿過金箔后的偏轉最大不超過零點幾度，因為電子質量很小，比粒子的質量小得多，粒子碰到電子，就如子彈碰到塵埃，前進方向不會發(fā)生明顯改變。 所以盧瑟福對這些結果分析后得出結論，提出他的原子核式

17、結構模型：在原子的中心有一個很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉，這一模型也被稱為“行星模型”。根據(jù)核式結構學說可以解釋粒子的散射：當粒子穿過原子時，電子對粒子影響很小，影響粒子運動的主要是原子核。離核遠則粒子受到的庫侖斥力很小，運動方向改變小。只有當粒子與核十分接近時，才會受到很大庫侖斥力，而原子核很小，所以粒子接近它的機會就很少，只有極少數(shù)大角度的偏轉，而絕大多數(shù)基本

18、按直線方向前進。</p><p>　　3.3 玻爾的原子軌道模型</p><p>　　由于從經典理論出發(fā)的原子核式結構模型既不能不能解釋原子光譜具有離散的線光譜說明，也不能說明原子有穩(wěn)定的大小。因此玻爾在研究了光譜的實驗資料和經驗規(guī)律后，在玻爾在數(shù)學教師巴耳末的工作以及巴耳末公式和普朗克關于黑體輻射的能量子理論和愛因斯坦關于光量子概念的啟發(fā)下，把量子概念應用到原子體系，并把原子光譜的離散線

19、狀譜的物理機制和原子結構聯(lián)系起來，于1913年提出了原子軌道模型。原子核位于原子中心，電子在其外圍的一系列同心圓周上做勻速圓周運動，這些圓周被稱為電子的軌道，但只有符合量子條件 （n=1，2，3…）的軌道才能夠實現(xiàn)，軌道半徑r與主量子數(shù)成正比。當電子在這樣的量子化軌道上運動時，原子具有固定的能量值，且能量E 與 \* MERGEFORMAT 成反比。當原子中的電子從一個軌道向另一個軌道躍遷時，原子才向外發(fā)射或吸收一定的輻射，所發(fā)射或吸

20、收輻射的頻率v滿足</p><p>　　3.4 橢圓軌道模型 </p><p>　　1916年，索末菲在玻爾模型的基礎上，應用量子化通則，引人角量子數(shù)，和徑量子數(shù)，且，提出橢圓軌道模型，即原子中核外電子的軌道大多是橢圓軌道，其大小、形狀主要由n和來決定。n 決定橢圓的大小，決定橢圓的形狀。對于一個確定的n，=1，2，3…n，即對同一

21、個n，電子有種運動方式。橢圓軌道半長軸，半短軸，越大，橢圓的半短軸越長，當時，橢圓變成圓。這個圓就是玻爾模型中的圓軌道，也就是說，在玻爾的一系列同心圓軌道中，索末菲又發(fā)現(xiàn)了許多的橢圓軌道，且橢圓比圓軌道多很多。電子在這些橢圓、圓軌道之間躍遷時，原子發(fā)出較為復雜的光譜。同時，由于相對論效應的存在，這些軌道還在不停地運動。</p><p>　　3.5 “電子云”模型</p><p>　　電子云

22、是近代對電子用統(tǒng)計的方法，在核外空間分布方式的形象描繪，它的區(qū)別在于行星軌道式模型。電子具有玻粒二象性，它不像宏觀物體的運動那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運動軌跡。我們不能預言它在某一時刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現(xiàn)的機會有多少。為此，就以單位體積內電子出現(xiàn)幾率，用小白點的疏密來表示。小白點密處表示電子出現(xiàn)的幾率密度大，小白點疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。</p

23、><p>　　在量子化中，用一個波函數(shù)表征電子的運動狀態(tài)，用它的模的平方值表示單位體積內電子在核外空間某處出現(xiàn)的幾率，所以電子云實際上就是波函數(shù)膜的平方在空間的分布。研究電子云的空間分布主要包括它的徑向分布和角度分布兩個方面。徑向分布探求電子出現(xiàn)的幾率大小和離核遠近的關系，被看作在半徑為r，厚度為dr的薄球殼內電子出現(xiàn)的幾率。角度分布探究電子出現(xiàn)的幾率和角度的關系。例如s態(tài)電子，角度分布呈球形對稱，同一球面上不同角度

24、方向上電子出現(xiàn)的幾率密度相同。p態(tài)電子呈8字形紡錘形，不同角度方向上幾率密度不等。有了pz的角度分布，再有n=2時2p的徑向分布，就可以綜合兩者得到2pz的電子云圖形。由于2p和3p的徑向分布不同，2pz和3pz的電子云圖形也不同。</p><p>　　3.6 電子的自旋運動模型</p><p>　　為了解釋堿金屬原子能級的雙層結構，烏侖貝克和古德斯密特設想電子與地球一樣也具有自旋及其相應

25、的角動量。由于電子帶電， 且有磁場， 則其磁矩在磁場中應是量子化的， 產生附加能量； 由于能級是雙層的，因此磁矩在磁場中的量子化的取值也應該是兩個。于是在 1925 年， 烏侖貝克與古德斯密特提出了關于電子自旋的假設，認為電子不是點電荷，它除了軌道運動外，還具有自旋運動，其角動量為，s=。它在磁z方向的分量有兩個：Ps，（同z與反z方向）。自旋是電子的基本屬性，電子的自旋運動絕不是機械的自轉，它是相對論效應。1928年，Dirac從量子

26、力學的基本方程出發(fā)，很自然地導出了電子自旋的性質，為這個假設提供了理論依據(jù)。</p><p>　　3.7 原子輻射的模型</p><p>　　原子對光的吸收和發(fā)射是原子體系與光相互作用產生的現(xiàn)象，精確的解釋需要考慮電磁場的量子化，但大多數(shù)情形，在較簡單的討論中可以近似地將光波看作經典的電磁波，而只對原子體系用量子力學來處理。</p><p>　　用量子力學計算原子躍

27、遷幾率比較繁瑣，一般常用經典電磁理論來計算。處于混合態(tài)的原子，它的電荷分布隨時間振蕩，可以看成是它的負電荷的重心與原子核的距離的振蕩，猶如一個帶電振子。因此用電振子的能量發(fā)射來討論原子的輻射和躍遷過程。</p><p>　　3.8 原子核的結構模型</p><p>　　原子核結構是物質結構的一個重要層次，核內核子是通過核力結合在一起的，但至今對核力的性質了解仍然不夠。另外，原子核是多粒子體

28、系，目前量子力學在解決這類強作用的多體問題上還存在困難。關于核結構的理論大多數(shù)是在一定的實驗基礎上對原子核作某種模型假設，用來解釋原子核的某些性質?！耙旱文Ｐ汀?，把原子核看作一個帶電的液滴，核子間彼此有強的相互作用，像液滴中的分子，在核內核子隨機地運動且不斷地和其它核子碰撞，它們的平均自由程比核的尺寸要小很多。“費米氣體模型”，把核子看作幾乎沒有相互作用的限制在勢阱中的氣體分子，由于核子是費米子，原子核就被看作是費米氣體的系統(tǒng)。核內核子

29、的運動必須服從泡利不相容原理，即不可能有兩個質子（中子）同時處在相同的狀態(tài)。這樣中子和質子可以分別處理，各自有它自己的量子態(tài)。</p><p><b>　　4 建立模型的方法</b></p><p>　　近代物理是十九世紀末才發(fā)展起來，在短短的幾十年的時間里它就從發(fā)展走向了成熟，聚集了眾多科學家的研究成果，且積累了豐富的物理思想和物理方法。</p>&l

30、t;p>　　原子物理學可成為我們了解近代物理思維及方法的窗口。在學習的過程中充分的探究其豐富的物理思想以及物理方法，從而獲得一種解決問題的鑰匙。原子物理學中所展現(xiàn)的物理方法非常豐富，主要有“假說法”、“理想實驗法”、“類比法”、“實驗法”“模型法”等，以下具體分析一下各種方法。</p><p>　　4.1 假說法 </p><p>　　假想是物理學研究中的一種重要的思維方法,

31、它是人們從大量實驗事實及其理論根據(jù)出發(fā),經過歸納和演繹、分析和綜合、抽象和類比等思維活動,對所研究的物理形態(tài)提出的理論構思。英國物理學家盧瑟福把原子內電子繞核運動與太陽系中各行星繞太陽運動加以類比,提出了原子的行星式有核模型。但是由于類比的或然性,這個模型無法解釋原子的穩(wěn)定性和原子分立線狀光譜的現(xiàn)實。丹麥物理學家玻爾創(chuàng)造性地接受了盧瑟福的模型,他把普朗克和愛因斯坦量子化思想引進模型,通過著名的“定態(tài)能級”和“能級躍遷決定普線頻率”的理論

32、構想,提出了經典和量子物理的混合型原子結構模型。但是其只對氫或類氫原子光譜的解釋是成功的,至于多電子原子的光譜則無法解釋。德國物理學家海森伯在玻爾指導下研究原子行星模型。他認為通過實驗直接觀察到的只是光譜性質,而不是電子的位置和速度,只有從可觀察量出發(fā),才能建立原子結構理論。他首先建立了量子力學的矩陣形式,并得到了著名的“測不準關系”。同時玻爾也由他原來的波粒二象性并存想法,發(fā)展為“互補原理”。這些對原子結構的描述,最后都滲入了量子力學

33、。海森伯和薛定愕在兩條道路上,由于矩陣形式和波方程共同描述了微粒的力學方面的運動</p><p>　　4.2 理想實驗法 </p><p>　　理想實驗也叫做思想實驗，即思想上根據(jù)理想模型設想出相似于真實物質的實驗條件、實驗過程和實驗設備，并進行嚴密的邏輯思維的推理。這種理想實驗相比于真實實驗更加概括、更加抽象，在具體的實踐過程中可以不對技術困難進行考慮，以科學積累和真實實驗作為基礎

34、，并進行嚴密的邏輯思維推理，在理想實驗中先從邏輯上發(fā)現(xiàn)原有理論的局限和錯誤，還可以根據(jù)理想實驗建立新的理論，然而理想實驗終究不是真實實驗，理論的正確與否還有待于真實實驗的檢驗。海森堡在建立測不準關系時就用了這種方法。設有電子通過一狹縫后的屏幕上，狹縫寬為，那么電子作為一微粒，通過狹縫的哪一點是不能確定的，不確定的范圍是。電子又具有波動性，通過狹縫會發(fā)生衍射，落在屏幕上會顯示衍射圖樣。這就是說每粒電子在進入狹縫后，進行方向可能偏離原方向，

35、用ɑ表示偏離角，這樣就在方向產生如果只考慮衍射圖樣中間一段效應海森堡經過嚴密的推導得出了。 </p><p>　　4.3 實驗法 </p><p>　　實驗是人們根據(jù)研究的目的，利用科學儀器、設備，人為地模擬或控制在有利于研究自然規(guī)律的活動的情況下。實驗是科學知識發(fā)展過程中不可缺少的一部分。因為一方面它可以對所提出的假說和理論進行驗證；另一方面實驗過程中產生的新現(xiàn)象是新理論產

36、生的基礎，正像倫琴所說:“實驗是最可靠、最有力的手段，它能將自然界的秘密揭開，它是判斷假說應當放棄，或者應該保留的最終鑒證”。在原子物理的所有課程中一直貫穿一條宗旨:檢驗真理的唯一標準就是實驗，只有從實驗中才能總結出來理論，但理論畢竟是理論，還是要經受實驗的檢驗，實驗法的例子有很多，在十九世紀末期，量子理論的產生是由于黑體輻射，大角散射是盧瑟福提出原子核式結構模型的基礎。玻爾根據(jù)氫光譜實驗大膽地提出量子理論的假設；夫蘭克—赫茲實驗使能級

37、的存在得到證實，賽曼效應及堿金屬光譜的精細結構證實了電子自旋態(tài)是存在的，史特恩蓋拉赫實驗使角動量空間取向量子化得到證實。倫琴對X射線的發(fā)現(xiàn)，證實原子內層電子是分層排布的，康普頓效應使微觀粒子波粒二象性得到進一步發(fā)展。</p><p>　　4.4 類比法 </p><p>　　由兩個或兩類對象之間某些方面的相似或相同推出它們在其它方面可能相似或相同的一種方法即為類比法。在研究某個問題時

38、物理學家常常以類比作為起始點，通過類比提出假說，在進行下一步的研究，最終推導出一個結論，但由于兩個或兩類事物不僅有共性還有一些用來區(qū)分不同事物的特性，因此要通過無數(shù)次實驗和實踐的檢驗和修正。</p><p>　　最典型的例子就是：盧瑟福通過散射實驗得出，原子核集中了原子的大部分質量，然而只占居原子中央一小部分體積。原子核與電子間的距離平方與電磁力成反比，而太陽系也有著類似的現(xiàn)象，太陽集中大部分質量，只占居整個太陽

39、系的以小部分體積，它們之間的距離平方與萬有引力成反比，盧瑟福通過太陽系與原子的類比，得出了原子的結構即電子繞核運動。</p><p>　　德布羅意將電子與質子等某些微觀粒子的比較中，在光的波粒二象性的基礎上，波粒二象性告訴我們：光既有波動性，又有粒子性，然而人們通常只注意到光的波動性往往忽略了它的粒子性，在研究微觀粒子時，我們是不是又忽略了它的波動性只看到它的粒子性，但是微觀粒子也是具有波粒二象性的。通過比較和類

40、比，德布羅意得出了物質波的波長為，且微觀粒子的波粒二象性也由電子衍射實驗證明了。</p><p><b>　　小結 </b></p><p>　　現(xiàn)代社會是一個信息社會、知識更新快的社會，現(xiàn)代教育提倡的是終身學習，著名的科學家勞厄曾經說過:“重要的不是獲得知識，而是發(fā)展思維能力，教育無非是一切已學過的東西都遺忘掉的時候，所剩下的東西。”因此在學習原子物理學的過程中

41、，更重要的是這種運用模型以及思維方法的培養(yǎng)，把這些方法靈活運用于生活的各個方面。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?］褚圣麟.原子物理學［M］.北京：高等教育出版社，1979</p><p>　　［2］楊福家.原子物理學［M］.北京：高等教育出版社，2000</p><p>　?。?］

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46、。同時我還要感謝在我學習期間給我極大關心和支持的各位老師,正是由于你們,我才能在各方面取得顯著的進步,在此向你們表示我由衷的謝意。也要感謝我的家人以及我的朋友們對我的鼓勵和幫助,你們的關心和鼓勵將使我在工作和學習中不斷進取。感謝所有關心、支持、幫助過我的良師益友。</p><p><b>　　獨創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師

47、指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得牡丹江師范學院或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。</p><p>　　學位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日</p><p>　　學位論文版權使用授權書</p>&

48、lt;p>　　本人完全了解牡丹江師范學院有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學院保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權牡丹江師范學院可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存、匯編本學位論文。</p><p>　　學位論文作者簽名： 導師簽名：</p><p>