原子物理学中的哲学思想探析，本文主要内容关键词为：哲学思想论文,探析论文,原子论文,学中论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
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原子物理学是介于经典理论和量子力学之间的过渡性学科。经典理论的研究对象是宏观的物质世界，它揭示了宏观物质世界的运动规律。由于它对物质运动的描述的直观性和对宏观现象完美的解释，使得人们对它深信不疑，既很容易接受它，但同时又容易被它所束缚，从而会极端地认为经典理论是放之四海而皆准的，生硬地照搬到微观的物质世界中去，导致错误的结论，陷入形而上学的泥潭。量子力学的研究对象是微观的物质世界，它揭示了微观物质世界的运动规律，由于微观体系不能直接观测，使得学生在学习的过程中，不易理解和掌握，甚至怀疑它的研究方法，容易引起思想上的混乱，所以在原子物理学的教学过程中，应充分发挥它的桥梁作用，从教的方面来看，应在它的哲学思想方面给学生加以指导，在方法论方面启发学生，掌握原子物理学的物理方法，为以后学习量子力学和现代物理学，正确地认识微观世界的运动规律打下良好的基础。
1 原子物理学的发展史和知识体系
1.1 原子物理学的发展简史
人类对物质结构的认识经历了一个漫长而曲折的过程。早在三千年前在我国出现“五行”说，认为万物是由金、木、水、火、土五种元素组成。到公元前四百多年前，古希腊的哲学家留基伯和他的学生德谟克利特提出“原子”理论，认为物质都是由“原子”组成，原子是组成物质的最小微粒，是不可分割的最基本的粒子。
1809年，英国的化学家道尔顿提出了他的原子学说，认为物质是由许多不同的单质元素组成，这些元素又由各自的原子组成，任何一种元素的原子彼此相同，不同元素的原子不相同，从而建立了科学的原子论。
十九世纪末，伦琴于1895年发现了x射线，贝克勒尔于1896 年发现了放射性现象，J·J汤姆逊于1897年发现了电子并确认了电子是各种化学元素原子的共同组成部分。这些都无可置疑地说明了原子是可分的，原子也有内部结构，进而卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构理论。
1913年玻尔在卢瑟福的核式结构理论的基础上，提出了与经典理论相违背的新理论，把量子化的概念引入到原子内部结构中去，建立了新的核式结构理论，比较成功地解释了氢原子的光谱规律，但对原子问题作进一步研究时，也显示出这个理论的不足和缺陷。尽管如此，在原子物理学的发展过程中，玻尔理论具有划时代的意义。
1923年，德布罗意提出了粒子的波动性理论，认为微观粒子具有波粒二象性。在此基础上，1926年薛定谔建立了描述微观粒子运动状态的波函数所满足的微分方程，即薛定谔方程，从而形成了完整的量子力学体系，成功地解释了微观世界的运动规律，到目前为止，在处理原子内部结构的问题上，量子力学仍是最成功的理论。
1.2 原子物理学的知识体系
原子物理学是研究原子内部核外电子分布和运动规律的学科，而研究核外电子运动规律的主要途径是对原子光谱进行分析。随着对原子光谱规律不断深入的研究，人们对电子的分布情况和运动规律的认识也逐步清晰和完善，光谱和电子的运动规律是原子物理学中并行的两条线，光谱是微观电子运动规律的宏观反映，是原子的“窗口”。整个原子物理学的知识体系就是：从光谱规律出发→提出理论假设→得出结论→解释光谱规律。具体见下表：
原子物理学知识体系
原子物理学知识
原子光谱规律理论假设和结论
1、线状分立谱 1、玻尔三个假设定态假设、
氢
2、广义马尔末公式 频率条件、角动量量子化
原
-1 1 2、原子能量量子化电子轨
子
v=R[,h](── - ──) 道半径量子化
m[2]
n[2]
m=1,2……
n=m+1,m+2…
金 1、价电子模型
属 2、原子实极化
原
碱金属原子(Li)的四个线系
3、电子轨道贯穿
子
和氢原子光谱的区别是存在
4、能级对l简并消除
(量子亏损
Li
光谱的精细结构主线系、第
1、电子自旋,有两个取向,
原
二辅线系为双线结构第一辅 自施和轨道运动耦合,使
子
线系,柏格曼系,为三线结构 能级分裂
为 2、s为单能级,p、d…为双能
例 级
双 1、电子自旋和轨道耦合,Ls
价
双介原子光谱两套 耦合,JJ耦合
原
线系
2、能级有两套
解释光谱规律,并实验验证
1、由频率条件和能级
氢 - 1 1
原 得出=v=R[∞](── - ──)
子
m[2]
n[2]
R的理论值和实验值相符
2、夫兰克—赫兹实验证
实原子能级存在
属 由选择定则Δl=±1
原 确定四个线系
以 1、由选择定则解释四个线系的结构
Li 2、电子自旋理论说明了反常塞曼效
原 应和史特恩—盖拉赫实验
价 1、选择定则两套能级解释光谱
原 2、泡利原理确定原
子 子态
2 原子物理学中的哲学思想
2.1 科学的假说是人们主观能动性的高度发挥
原子物理学和经典理论在方法论方面的主要区别在于它的理论是在实验的基础上结合已有科学理论提出的假说。人们在研究物质世界的运动规律时，往往会出现一些新的客观事实，利用旧的理论无法给出正确的解释，这就需要进一步研究和发现新的理论。对于经典理论来说通常有两种方法，一是从大量的实验中直接（或间接）总结出来，如牛顿第二定律和库仑定律；二是利用数学方法进行严密的推导得出来的，如角动量定理和高斯定理等。这些方法对微观体系不完全适用，这是因为就已有科学技术水平，无法直接去观察分析，因此需要一种新的方法。根据已掌握的科学理论和实验事实，创造性的思维，预先在头脑中提出一种假定的理论观点。例如人们不可能直接观测原子的内部结构，但是由α粒子散射实验，可以得到正确的核式结构模型，α粒子（He[++]）经金箔散射的结果是：绝大多数的α粒子偏转角在2°～3°内， 但是有
1───的α粒子偏转角大于90°，有的甚至被反弹回来，加之已经认识 8000
到电子是原子的一部分且带负电和原子呈中性的事实，卢瑟福提出了他的原子结构的核式模型，认为原子是由原子核和核外电子组成，原子核带正电且正电荷和电子的电荷数相等，原子核的半径（10[-14]～10[-15]m）远小于原子的半径（10[-10]m），但集中了绝大部分原子质量。同样玻尔理论、电子自旋理论等重要理论的提出也都是用假说的方法。这些科学的假说具有两个特点：首先有一定的事实依据，是建立在一定的实验事实和科学理论的基础上的，因而它既与毫无事实依据的迷信、臆测不同，也和缺乏科学论证的简单猜想、幻想有区别。例如宏观物体呈中性，那么原子也呈中性，则原子核必带正电。其次，有一定推测的性质，是人类主观能动性的高度发挥，是否正确，有待于实践的检验，如正是夫兰克—赫兹实验的验证，玻尔理论才被广泛地接受。
由科学的假说发展成的新理论还必须具备三个条件，第一，新理论能解释旧理论解释不了的现象；第二，新理论还能解释旧理论已说明的现象，从某种意义上讲，新理论包含着旧理论；第三，新理论还要能预见到现在还没有观察到但是通过科学实践一定能够观察到的现象。例如玻尔理论不仅成功地解释了经典的电磁理论所解释不了的原子的稳定性和氢原子的光谱规律，而且具有对应性原理，在极限情况下，和经典的电磁理论结论相同，同时正确地预言了氢的同位素—氘的存在。
物理学发展到今天，所研究的对象越来越复杂，因此充分发挥主观能动作用，进行创造性的思维，然后，提出科学的假说建立新的理论，是非常重要的方法，也是一条成功的道路。局限于旧的理论框框中，不求突破，表面上看是尊重客观事实，而实际上是一种形而上学，它会阻碍科学的发展，而片面地夸大其主观能动性，随意地推测，则是唯心主义的观点。
2.2 实践是检验真理的唯一标准
认识来源于实践，所以一种认识是否正确必须经过实践的检验，实践是检验真理的唯一标准，这是实践的绝对性，同时实践也有相对性的一面。
史特恩——盖拉赫实验证实了原子空间量子化；反常塞曼效应和光谱的精细结构证实了电子自旋的存在。相反，α粒子散射实验否定了原子结构的J·J汤姆逊模型，这些事实说明：第一，一个理论是否正确必须经过实践的检验，实践的标准是绝对的；第二，正确的理论必须合乎逻辑，但正确理论的建立不能单靠严密的形式逻辑；第三，真理面前，人人平等。杰出人物的理论和观点不一定就是真理，正如牛顿把光看作是一种实物粒子流是错误的一样，J·J汤姆逊虽然在物理学领域内取得了巨大成就，但他的原子结构理论是错误的。
实践的标准又是相对的。第一，一切实践都是具体的、历史的和有限的，和当时的科学技术水平有关，有一定的局限性；第二，实践检验认识有一个过程。例如，人们对光谱的分析，从氢原子光谱到碱金属原子光谱，从线状分立谱到光谱的精细结构和超精细结构，实践活动经历了一个漫长的过程，实践——认识——再实践——再认识是认识的发展规律。
2.3 真理是相对的
真理是人们对客观世界的正确认识，而本身又具有相对性，一方面，它们都只是对整个客观世界某些领域的认识，会随着客观对象的发展而发展变化，因而是具体的和有限的，有待于进一步扩展；另一方面，从认识的深度来看，真理性的认识也只是对客观事物在一定深度、一定层次的近似正确反映，任何真理性的认识，都不可能穷尽某一特定事物的一切特性和一切方面。到十九世纪末经典物理学已发展成为完整的理论体系，而且实践又反复证明是真理性的认识，能够准确地解释当时所知道的大部分物理现象，但是解释不了微观体系的运动规律。在原子物理学中，索末菲发展了玻尔理论，但也存在着不足之处，没有完全脱开轨道的束缚。这就要求在学习原子物理学时，既注意到它的理论确实在一定的范围内比较正确地反映了客观事实，同时又要注意到它的局限性，还有待进一步的完善。夸大其理论的正确性，否定它的不足，或只看到它的缺陷，而否定它的正确的一面，都是错误的。
3 结束语
原子物理学作为经典理论和量子力学的桥梁，它既区别于经典理论，又没有完全脱开经典理论，应很好地进行总结，通过总结掌握它的方法，利用辩证唯物主义的观点指导我们的工作和学习，从某种意义来说这比一个具体的理论更重要。
3.1 重大的科学发现， 几乎都是科学发展到一定阶段的必然产物，但是这种发现到底在什么时间，由什么人来突破，则有一定的偶然性。在这种偶然性中，又包含着许多必然的因素。人们对原子结构的探讨进行到一定程度，新的原子结构理论一定会在某一时期被发现，但为什么是被玻尔提出，而不是由其它人提出，有其特定的原因。综合起来分析，玻尔的成功之处在于：首先是善于吸收最新的科学成就。玻尔在认真分析卢瑟福的核式结构理论的不足和巴尔末公式以后，大胆地吸收了当时还没有被广泛接受的普朗克的量子论，和爱因斯坦的光量子论；其次，坚持自己独特的科学研究思路，不被旧的理论所束缚，不人云亦云。
3.2 科学的假说，不能单靠一时的灵感， 而是根据大量的实验事实，以雄厚的理论知识为基础，长期努力追求探索的必然结果。如果说对提出这种理论的个人是幸运的话，那么幸运总是降临在有准备的人身上。从1911年卢瑟福提出原子的核式结构理论以后，玻尔就致力于对它的研究，苦苦思索追求近三年，才于1913年在巴尔末公式的启发下提出了新的理论。
3.3 科学技术的发展是无止境的。 物理学的发展充分证明了这一点，我们可以用一个实验去否定一个理论，却不能用有限的实验最终证明一个理论；一个精度并不很高的实验也许就可以推翻某一个理论，却无法用一系列精确度很高的实验去最终肯定一个理论。目前量子力学对微观体系是比较完善的理论，但不能说它是最终的理论，有些地方还在争论之中，如果乌云再出现在物理学新的大厦上空则物理学必会产生一场新的革命。
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