2014 三月號
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第101期電子報  出刊日期:1030212

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奇異原子揭露質子大小事

本想透過奇異原子的光譜測量,找出精確的質子半徑,卻意外發現測出的數值比以往的要小。質子半徑之謎是否隱藏了新物理的徵兆?

撰文/劉怡維、陳姿伶

2012年,位於瑞士日內瓦的大強子對撞機找到了稱為「上帝粒子」的希格斯粒子(Higgs particle),它是「標準模型」理論最後的一塊拼圖,標準模型是至今描述宇宙最完備的理論。因此,物理學已經完成了嗎?在物理發展的歷史中,這個問題不只一次被提出來。然而,宇宙的豐富總是一次又一次證明了人類知識的局限,宇宙會在何處把新的物理秘密透露給我們?超越標準模型的新物理又在哪裡?

在發現希格斯粒子的高能物理實驗中,人類的視野可以透過「巨大能量」的加速器擴展開來,超越自身的時空限制,但也可以透過「高精密測量」挖掘出隱藏的物理密碼,見微知著。英國詩人布雷克(William Blake)說:「一粒沙中見世界,一朵花中見天堂。」在近代物理的發展史中,透過氫原子光譜的高精密測量與理論的比較,揭開了整個量子物理學的發展。這些都是實驗學家煞費苦心的結晶,為的是檢驗物理學的基本理論,進而發現新物理。

看見質子的尺寸秘密

現今以量子力學為骨幹的物理理論對於這個世界的描述大致上是正確的;不僅如此,它也同時描述了原子裡的現象,像是一般在計算原子能階時,會先把質子視為一點(point-like),若要非常真實地描述原子裡的作用,便不能將之視為一點。實際上,質子是由三個夸克所組成並藉由膠子束縛在一起而形成的一團粒子,因此它有著有限的大小,而這個大小或多或少影響了能階的移位。

理論學家把能階視為電子雲與原子核的平均距離,做計算時由大而小,先考慮主能階的位置,再來考慮電子總角動量後能階是如何分裂,即精細結構(fine structure)。接下來若要把能階計算得更精確,就必須進一步考慮與原子核自旋角動量相關的超精細結構(hyperfine structure),以及不同電子軌域角動量造成的能階差。後者稱為藍姆移位(Lamb shift),而量子電動力學在這個現象上的預測獲得了極大的成功。考慮了質子半徑再加上量子電動力學的預測後,理論學家就能得到足夠精確的能階位置。

實驗學家的工作則是用「足夠精準」的實驗結果去與「足夠精準」的理論計算做比較,藉此驗證量子電動力學的正確性。這類的實驗,不只是測量,而且要精準地測量!如果以不精準的實驗結果與不精準的理論計算做為驗證的工具,就像兩把模糊的尺相互比較,很難看出彼此的矛盾。當然,實驗學家真正的野心絕對不僅僅在於驗證現有理論,我們更渴望證明它的不完備,進而發現新物理。

這幾年來,用簡單原子精密光譜實驗做為測試量子電動力學的方法,卻漸漸不太管用,主要原因是能階計算的精確度受限於質子半徑的不準確性。但奇異氫原子(exotic hydrogen)的光譜測量打開了另外一扇測試量子電動力學與測量質子半徑的大門。奇異氫原子與氫原子相似,只是把氫原子中的電子換成了比電子質量重207倍的緲子(因此奇異氫原子又稱為緲子氫原子),於是緲子雲會更靠近原子核,質子的大小對於能階移位的影響也會更加明顯。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2014年第145期3月號】

 


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談課綱與教學

■科學月刊

■張仁壽(任教基隆女中物理科)

現行《99課綱》是由《95暫綱》修正演進而來。自然領域學科的《95暫綱》與84年之課綱相比,變動較小。由於《99課綱》中強調「五育並重」的目標,而使自然領域有著較大幅度的修正,並與數學科之間有些橫向統整的落差,因而教學現場產生諸如課程內容過量、過於艱深之問題,以及課程安排的邏輯順序、橫向整合、縱向連貫與大考中心考試內容的搭配等等困難。12年國民基本教育實施後,現行課綱如何因應「適性教育」與「差異化教學」的需求,教育部決議在不更動普通高中課程總綱的前提下,針對數學及自然領域學科課程綱要進行微調,並配合12年國民基本教育於103學年度正式實施,以奠定學生的基本知能並強化多元適性學習。

物理科課綱微調依循本次微調之規範與精神之下,僅做了極些微的調整;調整的內容完全在於「基礎物理一」部分,其餘「基礎物理二A」、「基礎物理二B」與「選修物理」的課綱內容皆未更動。調整的依據主要為物理學科中心所蒐集之高中物理教師之意見,其中有意見表示「基礎物理一」授課時數不足,但同時也有意見表示「基礎物理一」部分主題與國中理化課程以及「地球科學」的部分內容有相當重疊,所以「基礎物理一」課綱主要微調項目為授課時數的調整,以及第九主題「宇宙學簡介」刪去第一小節。

教學現場的心聲

對於物理科課綱微調的結果,很多老師仍反應無法對「宇宙學簡介」教學有充份信心。北部知名學校某教師於社群網站Facebook上寫著「物理人寫、教宇宙論的慘案:某一版本的基礎物理例題竟要求根據哈柏定律,計算仙女座大星系遠離的速度?更糟的是某一版本的題庫竟然要求根據哈柏定律,計算北極星遠離的速度?寫書的人不求甚解、審書的人不查、教書的人照本宣科,於是全高中生都在算北極星與仙女座大星系的遠離速度!」這應是對課綱、課本及教師教學提出的嚴重警訊。

課綱出現新內容時,教師能否能勝任?透過講習是否能夠補足基本學養?教材編製是否有經過試教?對於新領域如何評量教學成效(或是能夠正確命題)?太多的疑問充斥,無法解答。

全文網址:http://goo.gl/MhV8t2


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主  題: 103年度推動教師專業成長研習高中物理教師研習(嘉義縣市)
日  期: 103年3月24日
地  點: 國立嘉義高級工業職業學校 物理實驗教室
主  講: 林泰生/逢甲大學光電學系教授
參加對象: 高中/高職 /國中相關物理科教師

 

 


主  題: 物理演示教學之理念與實踐
日  期: 103年3月20日(日) 13:30-16:30
地  點: 桃縣中壢市中大路300號 (中央大學理學院教學館106室)
主  講: 朱慶琪教授
參加對象: 高中(含完全中學國中部及高中附設國小部) / 高職 教師

主  題: 開放吧!科學
日  期: 103年3月30日(六)
地  點: 國立台灣科學教育館九樓(臺北市士林區士商路一八九號)
參加對象: 一般民眾
活動網址: http://pansci-events.kktix.cc/events/opensci

主  題: 黃埔物理科學體驗營
報名日期: 即日起 至 103年6月15日(日)止
活動日期: 103年8月23-27日 星期六 ~ 三
參加對象: 全國高中、職學生
活動網址: http://goo.gl/ggOKPB

 

 

 


物理學科中心網址: http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/physical/index.html
聯絡電話:(04)22226081轉811        圖示  聯絡信箱:physics@tcfsh.tc.edu.tw
聯絡人: 蔡沛霖