单位文秘网 2021-08-20 09:16:28 点击: 次
摘要:在工科类专业讲授核物理工程基础课程中,由于学生没有系统学习过原子物理、原子核物理和量子力学,为了便于理解有些概念,在课程教学过程中适当讲一些近代物理科学史是十分的有用和必要。例如通过原子的有核模型的建立的历史的介绍,对于学生理解原子模型是非常必要的。通过对量子力学形成的历史的介绍,对学生理解原子核的能态是十分有帮助的。对近代物理科学史的介绍,提高了学生的学习兴趣和教学效果。
关键词:量子力学史 狭义相对论史 核物理工程基础
中图分类号:O57 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)10(b)-0000-00
清洁能源是未来能源发展方向,核电是一种重要的清洁能源。由于核电在我国的能源结构中比例较低,大力发展核电是十分必要的。核物理工程基础是核电类专业的一门基本课程。在从事工科类专业核物理工程基础课程的教学实践中,发现学生对理解有些概念有一定的难度,因为他们没有系统学习过物理专业的原子物理、原子核物理和量子力学课程。于是便尝试在课堂教学中适当地介绍一些近代物理科学史,得到了明显的效果,下面介绍一些具体的经验。
1 原子的有核模型的建立的历史
在原子核发现以前,J.J.汤姆生(J.J.Thomson)在上世纪初1904年提出了一个早期的原子结构模型[1]。其主要内容是:正电荷均匀分布在一个球体内,电子镶嵌在其中某些平衡位置上,并作简谐振动。电子在1897年被发现后,由于原子是中性的,原子中正负电荷的空间分布是人们十分关心的问题。按照汤姆生模型,氢原子的发光只有一个频率,这与实验事实不符。实验可以观察到氢原子光谱有多种频率的谱线。为了搞清楚原子的电荷的空间分布,1911年卢瑟福等人做了著名的 粒子(高速运动的氦原子核)散射实验。当用 粒子轰击由薄金箔制成的靶,大多数 粒子都 能沿原方向行进或只偏转2到3度,只有少数 粒子发生了大角度偏转,即偏转角大于90度,有的甚至达到180度,实验结果表明原子的正电荷集中在一个很小的空间区间即原子核。将原子核与电子之间的库仑力和太阳与行星间的万有引力相比较发现它们的大小都遵从平方反比规律.可以推断原子一定与太阳系相似.这就是卢瑟福1911年提出的原子结构的“核式模型”.
通过对原子结构的“核式模型”建立的历史过程的介绍,使同学们对原子核在原子中的地位有一个比较全面的认识,为进一步讲解原子核又是有什么构成的有了一个好的基础。
2 从量子力学建立历史看原子核能级和X射线荧光
19世纪经典物理取得了很大的成就,当物体的速度远小于光速时力学规律按牛顿力学,电磁现象(包括光的波动现象)按麦克斯韦电磁理论,热现象则遵从热力学和经典统计物理的理论。当时认为物理学的理论已十分完善,人们只需要在实验上提高精度而已。随着一系列经典理论无法解释的现象不断地出现,新的物理理论的建立是十分必要的。黑体辐射是当时非常有名的一个实验现象。黑体的一个特点是它对各方向射来的各种频率的辐射都百分之百地吸收. 为解释黑体辐射单色辐出度实验曲线[2],1893年维恩提出了维恩理论,其基本思想是组成黑体空腔壁的分子或原子被认为是有电的线性谐振子,黑体辐射能谱分布相似于麦克斯韦分子速率分布。维恩理论在波长较短时与实验曲线符合得较好,但在波长较长时与实验曲线符合得较差。1900至1905年间,瑞利和金斯提出了瑞利-金斯公式,其基本思想是对于电磁辐射同样符用统计物理学中的能量按自由度均分定理,每个线性谐振子的能量都等于kT, 瑞利-金斯公式在波长较长时与实验曲线符合得较好,但在波长较短时与实验曲线符合得较差,而且当波长较趋于零时单色辐出度趋于无限大,这与实验完全不符,当时被称为“紫外灾难”。为了得到与实验曲线相一致的理论分析,普朗克提出谐振子的能量必须是量子化的,这与经典物理学格格不入,后来普朗克试图再用经典物理学理论解释黑体辐射单色辐出度实验曲线,但也没有成功。普朗克的能量子概念的提出对量子力学的建立作出了巨大的贡献于1918年获得了诺贝尔物理学奖。1905年在此基础上提出了光量子即光子的概念成功解释了光电效应。分子和原子光谱的实验推动了量子论的系统运用和发展。1913 年,玻尔将量子概念用于研究氢原子光谱, 当电子绕原子核的圆周轨道动运动时,玻尔假设电子的角动量等于普朗克常量除以圆周弧度的整数倍,这样求的氢原子的能级与氢原子光谱的实验相一致。量子力学的建立过程中有很多科学家的贡献,其中最著名的有德国的海森伯、奥地利的薛定谔、德国的伯恩和英国的狄拉克。海森伯利用对应原理创立了量子力学的矩阵力学表达方式,薛定谔提出了量子力学的波动力学表达方式,伯恩给出了波函数的统计解释,狄拉克建立了相对论量子力学。
牛顿力学只符合于宏观物体,而原子核属于微观粒子,其动力学特性需要用量子力学处理。量子理论的一个基本观点是微观粒子的能量是量子化的。这样我们就比较容易理解核能级和同质异能素的概念。X射线荧光[3]的产生是由于待测元素的原子由高能激发态向低能态跃迁而引起的。由量子理论的原子能级的莫塞莱公式可算出X射线的能量,进而推算出待测元素是什么元素,而由X射线的强度可确定待测元素的含量。
3 从相对论建立历史看原子核的结合能
狭义相对论[4]是爱因斯坦对科学的主要贡献之一,相对论的建立也有一个过程。我们知道牛顿力学三定律是经典力学的核心,在所有惯性系中牛顿定律都是等价的,1932年伽利略在一个封闭的船舱中观察了惯性系等价现象。经典力学的时空变换按照伽利略变换,这种变换反映了牛顿力学的时空观,即一切物体的运动都是在一定的时间和空间进行的,时间和空间是绝对的,时间和空间与物体的运动无关,牛顿力学的时空观的适用条件是作低速运动的宏观物体。在伽利略变换下麦克斯韦在不同的惯性系下是不等价的。人们开始寻找一个绝对静止的参考系(以太)。著名的迈克耳逊-莫雷实验否定了以太的存在。爱因斯坦提出了两个基本假设,创立了狭义相对论。基本假设的内容为:(1)在所有惯性系中物理定律的表达形式都相同;(2)在所有惯性系中真空的光速圴为常数并与参考系无关。相对论中时间和空间与物体的运动密切相关,时空变换为洛伦兹变换。相对论中物体的质量是静止质量和运动速度的函数,物体的总能量等于质量乘以光速的平方,物体的静能等于静止质量乘以光速的平方,一定质量的物体总是与一定的能量相关。当质子与中子结合成原子核时,原子核的质量要比质子质量和中子质量之和要小,这意味着要释放出一定的能量称为原子核的结合能。原子核的结合能是核能应用的基础。
4 结论:
在核物理工程基础这门课程的教学实践中,为让学生对一些概念比如核能级有一个系统的认识,适当在课堂上介绍物理科学史是十分有用和必要的,这种介绍不仅丰富了学生的知识面,加深了学生对相关概念的理解,增加了学生的学习兴趣,提高了学好核核物理工程基础这门课程的物理工程基础这门课程的积极性和主动性,为将来进一步深造核科学打下一个良好的基础。另外学生也可以从知名科学家从事科学发现的实践中,逐步养成一种爱科学、学科学和探索科学的良好习惯。
参考文献:
[1] 田伟中. 原子观的演化[J]. 物理通报,2001,(11): 42-44.
[2]程守洙,江之永主编,胡盘新,汤毓骏, 宋开欣修订. 普通物理学3(第五版)[M]. 北京:高等教育出版社,1999:314-407.
[3] 刘庆成,贾宝山,万骏. 核科学概论[M]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2010:136-138.
[4] 王少杰,顾牡,王祖源主编.大学物理学上册(第4版)[M]. 上海:同济大学出版社,2013:109-129.
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