【文章內容簡介】 個量子數(shù)n來表征能量的量子化。一方面得出了電子量子化的模型，一方面也解釋了氫原子光譜問題。但是，玻爾的話呢，他的原子結構模型不能解釋多電子光譜實驗。多電子原子反映出來的光譜現(xiàn)象更為復雜，這樣就促使學生來思考，為什么對多電子原子來講從一條軌道躍遷到另一條軌道會產(chǎn)生多條譜線。這樣的話，是不是也反映著原子的特點，反映著電子運動的特點。那么說光譜實驗同樣也是在反映原子結構的特征，特別是核外電子運動的特點。這樣的話，玻爾的一個量子數(shù)就無法圓滿地解決這樣的問題，這樣就引出20世紀20年代量子力學的誕生。那么量子力學的誕生，促使產(chǎn)生更多的量子數(shù)。更多的量子數(shù)就可以用來表征電子層能量的細分。電子層能量的細分進而解釋多電子原子的光譜問題。所以在實驗、假說和模型這樣三個維度里邊，由于實驗反映了原子結構，又用假說合理地解釋了結構和光譜，那么這個過程就體現(xiàn)了原子結構建構過程中的能量觀。這樣的能量觀是通過實驗、假說和模型三維互動來實驗的，并不是直接告訴學生能量觀。我通過這樣的教學設計，讓學生的認識能力得到提高，真正認識到能量觀的價值和意義。王秀忠：趙老師的這個教學設計，我覺得整個設計充分考慮了學生的認知發(fā)展。再一個，確實體現(xiàn)了人類認識原子機構的邏輯順序。這個地方我們首先是通過光譜發(fā)現(xiàn)了問題，比如在玻爾那里也是，他不是主動的提出這個觀念，而是遇到了問題，發(fā)現(xiàn)氫原子的光譜是線狀而不是連續(xù)的，而去解釋這樣的問題，從而提出了假說，這樣的假說被證實，形成一種模型。而這種模型只是解釋了氫原子光譜是一種線狀光譜，而沒有去深化解釋復雜的，包括氫在內。而這些現(xiàn)象的存在又督促人類對這個問題的認識更進一步的深化，趙老師在這個課上提出來了，也就是量子力學的結構模型。這既遵守了學生的認知發(fā)展，又遵循了人類對這個問題的認識順序。我認為是非常好的。主持人：在剛才的兩個案例當中，我們看到證據(jù)和假說之間的關系，體現(xiàn)了假說之間的發(fā)展，那么在歷史發(fā)展的當中，也就呈現(xiàn)了課上所說的玻爾模型和量子力學模型。我這里回到學科概念上，想請問李老師，您能不能給我們介紹一下這兩種模型在發(fā)展前后，它的概念和模型的主要差異是什么呢？李宗和：玻爾模型是從氫原子光譜提出來的，然后為了解釋氫原子光譜的事實，提出了這樣一個概念。光譜是分級的，是不連續(xù)的，就必然要涉及到一種軌道，電子在這樣的一個運動狀態(tài)下是一個能量，在另外一個狀態(tài)下是另外的能量。能量的不連續(xù)性就設計出來了，這種設計完全是認為的。但是這種設計又不能解釋很多的原子光譜，比如氫原子光譜的復雜性，也不能解釋其他原子的光譜現(xiàn)象。還想按照經(jīng)典力學的觀點去討論問題，低粒子運動的軌道，任何物質運動都有軌道，還是按照這個想法去走，都有一個軌跡。因此后來就有索末菲的經(jīng)典理論，又提出來什么橢圓軌道，圓的軌道啊，各種各樣的原子軌道，然后再繼續(xù)解釋問題。最后在完全碰壁的情況下，人們才想到走另外一條路，因為科學的發(fā)展不是非得直線行進，它有可能從另外一個分支，另外一個思想，另外一個角度來研究和發(fā)現(xiàn)這個問題。人們發(fā)現(xiàn)了光具有波粒二象性，那么電子也有波粒二象性，是不是在想，在研究物質是不是具有普遍規(guī)律，是不是都具有波性和粒子性。有的為什么波性突出，有的粒子性突出，那就再研究一下，所謂的粒子性是指物質本身的重量、體積和其他物質的相互作用，它就體現(xiàn)出了。波性呢，是指在傳播的過程中遇到一些小的狹縫出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象，繞射等等。研究后人們就發(fā)現(xiàn)，比如像電子它具有一定的粒子性，要形成波性就要創(chuàng)造一種條件，這種條件需要一種細小的狹縫。只有一些體積比較小，運動速度比較快的物質通過狹縫的時候才顯示波性。原子和分子中的電子，質量比較小，運動速度高，運動的區(qū)域也很小，它的粒子性和波動性就完全體現(xiàn)出來了。于是人們從這種思路中建立了量子力學模型。用這種模型雖然沒有去研究氫原子光譜，也沒有研究多電子光譜，也沒研究其他光譜，但是用它卻解決了氫原子、多電子光譜。在思維的過程中，可能遇到各種各樣的問題，所以不要死走到底。學科知識的理解誤區(qū)及釋疑主持人：這樣是不是說，科學家的認識經(jīng)歷了一個非常大的變革。從經(jīng)典的宏觀的物體的有規(guī)律的有形的行動作為類比，然后又從波動的角度進行思考，它涉及到一種認識方式的轉變。我想像剛才李老師所說的，從波動性的角度來理解微觀粒子的運動狀態(tài)，對我們而言是非常困難的，在我們的理解過程當中，也肯定會有很多的困擾，存在一系列認識上的誤區(qū)。王老師能不能給我們介紹一下，通常我們在理解這個問題上我們存在哪些誤區(qū)？王秀忠：量子力學中涉及到的軌道跟玻爾模型中的軌道容易混淆，認為是一回事，這些在我們教學活動中可能存在，這些在我們的學生中也可能存在。因為它是一個詞表示出來的，可代表的含義可能不一樣。比如體現(xiàn)原子結構的電子云問題，電子云中的小黑點到底代表了什么含義？有的老師可能就認為代表了一個電子，還有的進一步的話，認為是電子曾經(jīng)出現(xiàn)過的位置，等等這些都存在認識上的誤區(qū)。我們想作為老師來引導學生進行學習的時候，存在如何回避的問題。趙和林：剛才王老師談到了中學生在認識原子核外電子運動的一些誤區(qū)，應該說核外電子運動的特點是原子結構教學最核心的部分。而這個最核心的部分是由兩部分構成的，一個方面是構建學生的能量觀，另一個方面就是學生要用一種微觀的、統(tǒng)計的思想、概率的思想來認識核外電子的運動特點。因為是從宏觀到微觀，所以涉及到了人的認識方式的轉變，我們實際上因為微觀粒子的運動特點，微觀粒子運動特別快，遠遠又看不見，所以我們通?？吹降氖呛暧^物體的運動特點。那我們自然而然的，在學習微觀粒子的特點的時候，就用認識宏觀物體的方式來認識微觀粒子的運動特點。那么這樣的話就在軌道、連續(xù)等等認識觀上存在誤差。在一項關于高中生使用教材以后，核外電子運動狀態(tài)的相關概念的研究中發(fā)現(xiàn)，有百分之六十多的學生認為共用電子對就是對特定電子存在于兩個原子核之間，它不會到別的地方去。多達百分之七十的學生認為對電子的運動狀態(tài)有強烈的軌道觀念，認為電子總是沿著某種固定軌跡周期性運動的，那么日常生活中，物質的運動總是會形成軌道的經(jīng)驗被廣泛運用到微觀世界當中。從科學的發(fā)展來看，從盧瑟福模型到玻爾模型，到量子力學模型，這樣的發(fā)展是個革命性的變化。特別是量子化思想的提出，這在當年對許多科學家來說都是難以理解的，因此這樣的教學在學生的心目中產(chǎn)生這樣或那樣的問題，這是正常的。但是我們的教學的核心是什么呢，就是在必修的基礎上，在學生錯誤認識的基礎上，轉變學生的舊有觀念，樹立較為科學的觀念。主持人：感謝二位給我們分享了教學中常見的一些錯誤認識，也調查了學生存在的一些錯誤概念。我們把兩個問題分開來討論，一個是我們應該給學生建立怎樣的認識和觀念，這可能是存在教學難度的，因為考慮到學生當前的水平，他能接受到什么樣的程度。再一個，作為老師，我們自己應該怎樣去看待原子的相關概念，我們自己應該怎樣去理解。接下來我跟各位老師一起來分享一個調查結果。這個結果很有意思，使我們針對4000多名中學老師做的一個調查，是通過網(wǎng)絡的形式的調查，然后它反映出對于原子結構我們自己怎么去理解原子結構，就有很多的有意思的想法和結論。那我么來一起看一下這個調查。我們的問題式這樣設置的，給出的第一個問題是：原子的形狀是什么樣的，是球形對稱的嗎？（%），（%）。第二個問題：選擇上述選項的理由是？（%）；（%）；，有的是橢圓的（%）；，像波一樣振動（%）；（%）；（）。針對這個問題，李老師能不能給我們以指導。李宗和：既然在原子當中、分子當中，電子的波動性顯得突出，因此我們不能用準確的位置跟動量來描述，我們就用一個函數(shù)來表示，這個函數(shù)就是波函數(shù)，來表達它自己的運動方式。對于任何一個單個粒子的用波函數(shù)來表示的就叫軌道。所以說在那么小的范圍內，速度又快，又具有波動性，干涉和衍射現(xiàn)象非常強，它不可能在一個小的軌跡上做運動。這種運動情況下，我們用軌道來描述，而不是軌跡。軌跡是指某一個時間就對應一個位置，而軌道呢，是指運動狀態(tài)是怎樣的。是不是把這樣兩個概念建立起來后，老師們就好了，學生也就慢慢明白了。主持人：那我接著在追問你一個操作性的問題，比如說我們在提到了軌道的能量是量子化的，這樣就有各種各樣的圖示來表示軌道的能量。比如說有的圖示里s軌道和p軌道的能量是相同的，有的圖里又是不同的，那我們又如何去理解這樣的軌道能級圖，以及氫原子和多電子原子的能級順序是完全一樣的么？以及能量是完全一樣的么？李宗和：不一樣，原因在什么地方呢？氫原子一個電子，一個核。它是兩個微粒間的相互作用，沒有第三者參加。而多電子原子當中，或者分子當中，它就變了，電子之間有相互干擾，和單個電子相比，它就要綜合考慮三體問題，這就跟兩個不一樣了。它的能量肯定會發(fā)生變化。原子軌道的定義是這樣的，把原子中的每一個電子看成在核和其他電子平均作用下進行運動的。分子軌道也是一樣定義的。主持人：剛才您的介紹，我們就可以體會到一些宏觀的類比是存在問題的，比如把軌道想象成能量確定的一些臺階，這個就確定了，不同的原子，電子數(shù)不同，就依次填充在確定的能量臺階里面，就像我們的樓梯一樣，那么這樣的理解是存在問題的。李宗和：不管是1s軌道中的電子，還是2s中的電子，還是2p中的電子還是其他層的電子，他們都有可能在整個分子中運動。測不準嘛，只不過是在某個區(qū)域內出現(xiàn)的幾率大或者小，比如1s在靠核的區(qū)域出現(xiàn)的幾率大一點，它并不等于在其他位置不出現(xiàn)。比如2p吧，在1s這個位置吧，也出現(xiàn)，在2s、3d的地方也出現(xiàn)。測不準就是只知道它出現(xiàn)的幾率，而不知道它確切的位置。任何一個電子的運動都充滿了真?zhèn)€空間，不管是在s軌道、p軌道還是d軌道，都是充滿了整個空間，僅僅是在某個區(qū)域出現(xiàn)的幾率大，某個區(qū)域出現(xiàn)的幾率小而已。主持人：在使用能級的圖示的時候，我看到有的圖示表示s跟p的能量是一樣的，有的又不是一樣的。那么這樣的圖示是針對什么樣的原子呢？李宗和：對于氫原子來說，氫原子無論是在什么s軌道、p軌道、d軌道，在n2相同的軌道上它的能量都相同。那也就是說，氫原子的2s、2px、2py、2pz的軌道能量都相同，所以電子出現(xiàn)的幾率應該是各自都相同。就氫原子來說3s、3p、3d這樣的幾個軌道的能量也都相同。主持人：這樣我們就不難理解，如果我們講單電子運動特點，講氫原子的能級圖，如果主量子數(shù)n相同，那么這些軌道的能量就是相同的，當引入多電子之后，電子之間的相互影響，能級就會發(fā)生裂分。趙和林：所以從實驗光譜的角度來看，為什么氫原子光譜非常的簡單，而多電子原子的光譜相對就要復雜。而玻爾的研究首先也是從氫原子這樣一個簡單的光譜入手的。主持人：這樣從整個系統(tǒng)來看待原子。盡管我們解析的