【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè)量子數(shù)n來(lái)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(wèn)題。但是，玻爾的話呢，他的原子結(jié)構(gòu)模型不能解釋多電子光譜實(shí)驗(yàn)。多電子原子反映出來(lái)的光譜現(xiàn)象更為復(fù)雜，這樣就促使學(xué)生來(lái)思考，為什么對(duì)多電子原子來(lái)講從一條軌道躍遷到另一條軌道會(huì)產(chǎn)生多條譜線。這樣的話，是不是也反映著原子的特點(diǎn)，反映著電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。那么說(shuō)光譜實(shí)驗(yàn)同樣也是在反映原子結(jié)構(gòu)的特征，特別是核外電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。這樣的話，玻爾的一個(gè)量子數(shù)就無(wú)法圓滿地解決這樣的問(wèn)題，這樣就引出20世紀(jì)20年代量子力學(xué)的誕生。那么量子力學(xué)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(lái)表征電子層能量的細(xì)分。電子層能量的細(xì)分進(jìn)而解釋多電子原子的光譜問(wèn)題。所以在實(shí)驗(yàn)、假說(shuō)和模型這樣三個(gè)維度里邊，由于實(shí)驗(yàn)反映了原子結(jié)構(gòu)，又用假說(shuō)合理地解釋了結(jié)構(gòu)和光譜，那么這個(gè)過(guò)程就體現(xiàn)了原子結(jié)構(gòu)建構(gòu)過(guò)程中的能量觀。這樣的能量觀是通過(guò)實(shí)驗(yàn)、假說(shuō)和模型三維互動(dòng)來(lái)實(shí)驗(yàn)的，并不是直接告訴學(xué)生能量觀。我通過(guò)這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力得到提高，真正認(rèn)識(shí)到能量觀的價(jià)值和意義。王秀忠：趙老師的這個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)，我覺(jué)得整個(gè)設(shè)計(jì)充分考慮了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展。再一個(gè)，確實(shí)體現(xiàn)了人類認(rèn)識(shí)原子機(jī)構(gòu)的邏輯順序。這個(gè)地方我們首先是通過(guò)光譜發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，比如在玻爾那里也是，他不是主動(dòng)的提出這個(gè)觀念，而是遇到了問(wèn)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(wèn)題，從而提出了假說(shuō)，這樣的假說(shuō)被證實(shí)，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(méi)有去深化解釋復(fù)雜的，包括氫在內(nèi)。而這些現(xiàn)象的存在又督促人類對(duì)這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步的深化，趙老師在這個(gè)課上提出來(lái)了，也就是量子力學(xué)的結(jié)構(gòu)模型。這既遵守了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，又遵循了人類對(duì)這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)順序。我認(rèn)為是非常好的。主持人：在剛才的兩個(gè)案例當(dāng)中，我們看到證據(jù)和假說(shuō)之間的關(guān)系，體現(xiàn)了假說(shuō)之間的發(fā)展，那么在歷史發(fā)展的當(dāng)中，也就呈現(xiàn)了課上所說(shuō)的玻爾模型和量子力學(xué)模型。我這里回到學(xué)科概念上，想請(qǐng)問(wèn)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(lái)的，然后為了解釋氫原子光譜的事實(shí)，提出了這樣一個(gè)概念。光譜是分級(jí)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(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下是一個(gè)能量，在另外一個(gè)狀態(tài)下是另外的能量。能量的不連續(xù)性就設(shè)計(jì)出來(lái)了，這種設(shè)計(jì)完全是認(rèn)為的。但是這種設(shè)計(jì)又不能解釋很多的原子光譜，比如氫原子光譜的復(fù)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(xué)的觀點(diǎn)去討論問(wèn)題，低粒子運(yùn)動(dòng)的軌道，任何物質(zhì)運(yùn)動(dòng)都有軌道，還是按照這個(gè)想法去走，都有一個(gè)軌跡。因此后來(lái)就有索末菲的經(jīng)典理論，又提出來(lái)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(wèn)題。最后在完全碰壁的情況下，人們才想到走另外一條路，因?yàn)榭茖W(xué)的發(fā)展不是非得直線行進(jìn)，它有可能從另外一個(gè)分支，另外一個(gè)思想，另外一個(gè)角度來(lái)研究和發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)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(zhì)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(zhì)本身的重量、體積和其他物質(zhì)的相互作用，它就體現(xiàn)出了。波性呢，是指在傳播的過(guò)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?jiǎng)?chuàng)造一種條件，這種條件需要一種細(xì)小的狹縫。只有一些體積比較小，運(yùn)動(dòng)速度比較快的物質(zhì)通過(guò)狹縫的時(shí)候才顯示波性。原子和分子中的電子，質(zhì)量比較小，運(yùn)動(dòng)速度高，運(yùn)動(dòng)的區(qū)域也很小，它的粒子性和波動(dòng)性就完全體現(xiàn)出來(lái)了。于是人們從這種思路中建立了量子力學(xué)模型。用這種模型雖然沒(méi)有去研究氫原子光譜，也沒(méi)有研究多電子光譜，也沒(méi)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(guò)程中，可能遇到各種各樣的問(wèn)題，所以不要死走到底。學(xué)科知識(shí)的理解誤區(qū)及釋疑主持人：這樣是不是說(shuō)，科學(xué)家的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)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(dòng)作為類比，然后又從波動(dòng)的角度進(jìn)行思考，它涉及到一種認(rèn)識(shí)方式的轉(zhuǎn)變。我想像剛才李老師所說(shuō)的，從波動(dòng)性的角度來(lái)理解微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)我們而言是非常困難的，在我們的理解過(guò)程當(dāng)中，也肯定會(huì)有很多的困擾，存在一系列認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)。王老師能不能給我們介紹一下，通常我們?cè)诶斫膺@個(gè)問(wèn)題上我們存在哪些誤區(qū)？王秀忠：量子力學(xué)中涉及到的軌道跟玻爾模型中的軌道容易混淆，認(rèn)為是一回事，這些在我們教學(xué)活動(dòng)中可能存在，這些在我們的學(xué)生中也可能存在。因?yàn)樗且粋€(gè)詞表示出來(lái)的，可代表的含義可能不一樣。比如體現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)的電子云問(wèn)題，電子云中的小黑點(diǎn)到底代表了什么含義？有的老師可能就認(rèn)為代表了一個(gè)電子，還有的進(jìn)一步的話，認(rèn)為是電子曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的位置，等等這些都存在認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)。我們想作為老師來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)的時(shí)候，存在如何回避的問(wèn)題。趙和林：剛才王老師談到了中學(xué)生在認(rèn)識(shí)原子核外電子運(yùn)動(dòng)的一些誤區(qū)，應(yīng)該說(shuō)核外電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是原子結(jié)構(gòu)教學(xué)最核心的部分。而這個(gè)最核心的部分是由兩部分構(gòu)成的，一個(gè)方面是構(gòu)建學(xué)生的能量觀，另一個(gè)方面就是學(xué)生要用一種微觀的、統(tǒng)計(jì)的思想、概率的思想來(lái)認(rèn)識(shí)核外電子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。因?yàn)槭菑暮暧^到微觀，所以涉及到了人的認(rèn)識(shí)方式的轉(zhuǎn)變，我們實(shí)際上因?yàn)槲⒂^粒子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，微觀粒子運(yùn)動(dòng)特別快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)又看不見(jiàn)，所以我們通常看到的是宏觀物體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。那我們自然而然的，在學(xué)習(xí)微觀粒子的特點(diǎn)的時(shí)候，就用認(rèn)識(shí)宏觀物體的方式來(lái)認(rèn)識(shí)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。那么這樣的話就在軌道、連續(xù)等等認(rèn)識(shí)觀上存在誤差。在一項(xiàng)關(guān)于高中生使用教材以后，核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)概念的研究中發(fā)現(xiàn)，有百分之六十多的學(xué)生認(rèn)為共用電子對(duì)就是對(duì)特定電子存在于兩個(gè)原子核之間，它不會(huì)到別的地方去。多達(dá)百分之七十的學(xué)生認(rèn)為對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有強(qiáng)烈的軌道觀念，認(rèn)為電子總是沿著某種固定軌跡周期性運(yùn)動(dòng)的，那么日常生活中，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)總是會(huì)形成軌道的經(jīng)驗(yàn)被廣泛運(yùn)用到微觀世界當(dāng)中。從科學(xué)的發(fā)展來(lái)看，從盧瑟福模型到玻爾模型，到量子力學(xué)模型，這樣的發(fā)展是個(gè)革命性的變化。特別是量子化思想的提出，這在當(dāng)年對(duì)許多科學(xué)家來(lái)說(shuō)都是難以理解的，因此這樣的教學(xué)在學(xué)生的心目中產(chǎn)生這樣或那樣的問(wèn)題，這是正常的。但是我們的教學(xué)的核心是什么呢，就是在必修的基礎(chǔ)上，在學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)變學(xué)生的舊有觀念，樹(shù)立較為科學(xué)的觀念。主持人：感謝二位給我們分享了教學(xué)中常見(jiàn)的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，也調(diào)查了學(xué)生存在的一些錯(cuò)誤概念。我們把兩個(gè)問(wèn)題分開(kāi)來(lái)討論，一個(gè)是我們應(yīng)該給學(xué)生建立怎樣的認(rèn)識(shí)和觀念，這可能是存在教學(xué)難度的，因?yàn)榭紤]到學(xué)生當(dāng)前的水平，他能接受到什么樣的程度。再一個(gè)，作為老師，我們自己應(yīng)該怎樣去看待原子的相關(guān)概念，我們自己應(yīng)該怎樣去理解。接下來(lái)我跟各位老師一起來(lái)分享一個(gè)調(diào)查結(jié)果。這個(gè)結(jié)果很有意思，使我們針對(duì)4000多名中學(xué)老師做的一個(gè)調(diào)查，是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的形式的調(diào)查，然后它反映出對(duì)于原子結(jié)構(gòu)我們自己怎么去理解原子結(jié)構(gòu)，就有很多的有意思的想法和結(jié)論。那我么來(lái)一起看一下這個(gè)調(diào)查。我們的問(wèn)題式這樣設(shè)置的，給出的第一個(gè)問(wèn)題是：原子的形狀是什么樣的，是球形對(duì)稱的嗎？（%），（%）。第二個(gè)問(wèn)題：選擇上述選項(xiàng)的理由是？（%）；（%）；，有的是橢圓的（%）；，像波一樣振動(dòng)（%）；（%）；（）。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，李老師能不能給我們以指導(dǎo)。李宗和：既然在原子當(dāng)中、分子當(dāng)中，電子的波動(dòng)性顯得突出，因此我們不能用準(zhǔn)確的位置跟動(dòng)量來(lái)描述，我們就用一個(gè)函數(shù)來(lái)表示，這個(gè)函數(shù)就是波函數(shù)，來(lái)表達(dá)它自己的運(yùn)動(dòng)方式。對(duì)于任何一個(gè)單個(gè)粒子的用波函數(shù)來(lái)表示的就叫軌道。所以說(shuō)在那么小的范圍內(nèi)，速度又快，又具有波動(dòng)性，干涉和衍射現(xiàn)象非常強(qiáng)，它不可能在一個(gè)小的軌跡上做運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)情況下，我們用軌道來(lái)描述，而不是軌跡。軌跡是指某一個(gè)時(shí)間就對(duì)應(yīng)一個(gè)位置，而軌道呢，是指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是怎樣的。是不是把這樣兩個(gè)概念建立起來(lái)后，老師們就好了，學(xué)生也就慢慢明白了。主持人：那我接著在追問(wèn)你一個(gè)操作性的問(wèn)題，比如說(shuō)我們?cè)谔岬搅塑壍赖哪芰渴橇孔踊模@樣就有各種各樣的圖示來(lái)表示軌道的能量。比如說(shuō)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(jí)圖，以及氫原子和多電子原子的能級(jí)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(gè)電子，一個(gè)核。它是兩個(gè)微粒間的相互作用，沒(méi)有第三者參加。而多電子原子當(dāng)中，或者分子當(dāng)中，它就變了，電子之間有相互干擾，和單個(gè)電子相比，它就要綜合考慮三體問(wèn)題，這就跟兩個(gè)不一樣了。它的能量肯定會(huì)發(fā)生變化。原子軌道的定義是這樣的，把原子中的每一個(gè)電子看成在核和其他電子平均作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(huì)到一些宏觀的類比是存在問(wèn)題的，比如把軌道想象成能量確定的一些臺(tái)階，這個(gè)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(tái)階里面，就像我們的樓梯一樣，那么這樣的理解是存在問(wèn)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(gè)分子中運(yùn)動(dòng)。測(cè)不準(zhǔn)嘛，只不過(guò)是在某個(gè)區(qū)域內(nèi)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(diǎn)，它并不等于在其他位置不出現(xiàn)。比如2p吧，在1s這個(gè)位置吧，也出現(xiàn)，在2s、3d的地方也出現(xiàn)。測(cè)不準(zhǔn)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(gè)電子的運(yùn)動(dòng)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(gè)空間，僅僅是在某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的幾率大，某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的幾率小而已。主持人：在使用能級(jí)的圖示的時(shí)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(duì)什么樣的原子呢？李宗和：對(duì)于氫原子來(lái)說(shuō)，氫原子無(wú)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(shuō)，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(yīng)該是各自都相同。就氫原子來(lái)說(shuō)3s、3p、3d這樣的幾個(gè)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(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，講氫原子的能級(jí)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(dāng)引入多電子之后，電子之間的相互影響，能級(jí)就會(huì)發(fā)生裂分。趙和林：所以從實(shí)驗(yàn)光譜的角度來(lái)看，為什么氫原子光譜非常的簡(jiǎn)單，而多電子原子的光譜相對(duì)就要復(fù)雜。而玻爾的研究首先也是從氫原子這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的光譜入手的。主持人：這樣從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看待原子。盡管我們解析的