电子科学与技术专业原子物理学课程体系改革初探
何伟明 光电子信息科学与技术系

摘 要：工科电子科学与技术专业设置原子物理学课程，由于需要量子力学、狭义相对论等预备知识，而这些课程又安排在原子物理课程后面，往往学生对物理问题理解困难。本文分析了现行教材的不足，探讨了课程体系和内容改革的四个方面。
关键词：原子物理学 课程体系 改革

我校光电子信息科学与技术系本科电子科学与技术专业属于工科专业。但是由于光电子技术方向需要比较扎实的物理基础，所以实际上该专业的课程设置为工科偏理，即专业基础课侧重理科，专业课以工科为主。本专业原子物理学为专业基础课，安排在本科第四学期。该课程由于要用到量子力学的知识，讲授了一些量子力学的基本概念。在后续量子力学课开设时，使得学生能够顺利接受量子力学的思想；同时为后续光电子学原理等专业课提供理论基础。
分析现行原子物理学教材，结合本专业的特点，感觉课程体系存在以下几方面的不足：①一般忽略原子物理理论产生的历史背景，一些重要概念的产生比较突然，学生不容易深刻理解；②电子自旋往往安排在碱金属原子光谱这一章讲授，章节最后又回到氢原子的精细光谱，给人感觉理论体系不够系统、完备；③对原子能态，特别是同科电子的能态分析过于简单；④缺少理论的应用背景，不能结合实际应用，激发学生的学习兴趣。针对以上几个问题，我们编写了原子物理学讲义，对教材体系作了一些调整和改革。下面就上述四个方面，具体地谈一谈，供大家探讨。
一、关于历史背景
历史上，科学发现和科学理论的建立通常有曲折的历史，可能会受自己认识事物的勇气或受名家观点的局限，从而会错失机会。电子的发现和电子自旋概念的提出就是很好的历史例证。
在汤姆逊发现电子之前，实质上休斯脱（1890年）和考夫曼(1897年)也都测得阴极射线的荷质比，考夫曼测量的精确度甚至比汤姆逊测得的还高，仅比现代值差1%，并且还观察到了相对论效应。但是，他们都不承认阴极射线是粒子流，考夫曼的结果直到1901年才公布发表，从而错失了获得诺贝尔奖的机会。
“电子自旋”是乌伦贝克和高斯密特提出的。但是，美国物理学家克罗尼却早半年就提出了这个模型，他的计算结果竟和后来用相对论推证所得相符。不过在他和泡利讨论后，泡利按照经典模型的计算，推测电子的表面速度可能超过光速，便强烈反对这一观点。克罗尼也便放弃了自己的理论。实际上，当初乌伦贝克和高斯密特在提出电子自旋概念后，也曾经请教洛仑兹，同样也遭到洛仑兹的否定，他们也曾一度差点放弃自己的观点。
利用这些事例，启发学生要敢于发现新现象、提出新观点，要坚定自己的观点。象卢瑟福那样，虽然自己的核模型理论并不完美，也遭到同行的冷遇，但他以a粒子散射实验事实为依据，仍然坚持自己原子核式结构的观点。这样，初步引导学生建立正确的实验物理和理论物理的科学研究方法和科学思想。
讲义还描述了玻尔模型、索莫菲理论、德布罗意波以及量子力学的体系等的产生背景，使学生从中初略了解到原子物理学发展历史。
二、关于电子自旋
电子自旋一般安排在碱金属原子光谱这一章。由于经典理论无法解释碱金属原子光谱精细结构，而提出电子自旋这一假设。从而建立电子轨道角动量和自旋角动量的耦合理论。但是，为了验证这一假设，必须用氢原子光谱。因为碱金属原子存在轨道贯穿和极化，它们引起的附加能量又比电子轨道角动量和自旋角动量的耦合能大很多，而在理论上又无法精确计算，因此不能用碱金属原子定量地验证电子自旋这一假设。这样在这一章，又回过来介绍氢原子的精细光谱及实验验证。从理论体系上感觉不够完美。
事实上，当初乌伦贝克和高斯密特提出电子自旋概念，是通过分析多重精细结构的成分线所显示的反常塞曼效应，而想到电子的自旋。因此可以把它直接放到量子力学解氢原子问题这一章。这样可以使理论体系结构完整。同时在这一章，再加进原子核自旋，为后面核磁共振等应用提供理论铺垫。这样，这一章的基本章节安排如下：
第三章 量子力学解氢原子问题      
3.1 德布罗意波     
3.2 对德布罗意波的理解   
3.3 量子力学基本方程
3.4 量子力学解氢原子
3.5 电子自旋  
3.6 电子轨道角动量与自旋角动量的耦合   
3.7 氢原子能级的精细结构      
3.8 氢原子能级的兰姆位移      
3.9 原子核的自旋 
3.10 氢原子能级的超精细结构
三、关于同科电子的能态分析
在多电子原子光谱中，非同科电子按照LS或Jj耦合的法则，比较容易分析原子的能态。但是对同科电子由于受到泡利不相容原理的限制，问题就变得比较复杂。一般教材只提供一种所谓列表的方法，理解起来比较难懂。我们在讲义中提供了求同科电子耦合能态的五种方法，包括三种列表的方法和波函数对称性方法。第五种方法，还可以分析三个同科电子的能态。这样开阔了思路，同时使学生对此问题的理解也更加深入。
四、关于原子光谱的应用举例
由于原子物理学侧重光谱的物理解释，比较注重基础理论，一般教材没有突出原子光谱的应用背景。工科学生感觉比较枯燥。事实上，原子光谱有比较广泛的应用背景。我们在编写讲义中，有意突出以下几方面的应用。
（一）原子精细能态之间的跃迁可以直接加以利用。如，在宇宙空间能够观察到氢原子基态l2S1/2超精细结构之间的21cm辐射，射电天文学正是根据这一21cm辐射，发展起了的。而此谱线又用作微波频率标准。又如，现在公定的国际频率基准由铯原子频标提供，它也可用作时间标准，称为原子钟。频率与时间的高精度测量，在航天、通信、测量等领域，以及在若干基础研究中，起着举足轻重的作用。
（二）利用原子光谱可以用来检测样品。比如标识伦琴射线，由于它唯一地决定于元素的性质，近年来发展起来的X荧光分析技术，依据样品发出的标识X射线的能量和数量，来判定样品内元素的性质和含量。又如俄歇电子，由于它的动能及其发生几率完全决定于元素的本性，因此对俄歇电子的测量可用于固体表面性质的分析。现在俄歇能谱分析已在冶金、触媒、电子学、材料生长等方面有广泛应用。
（三）原子光谱技术在工业和医疗中也有重要应用。如原子光谱的同位素位移可用于同位素分离。在核工业中分离氢同位素(H，D，T)，用于产生重水以及研究核聚变；分离铀同位素，用于裂变反应。利用光谱加电学方法分离235U，现在已经利用235U的裂变反应建成核电站，这是原子结构基础研究直接转化为生产力的一个典范。而核磁共振的一个重大应用是核磁共振成像，这种方法已在医学诊断、生理活动研究、材料分析等方面发挥了巨大的作用。