普通化學(xué)教學(xué)中原子能級(jí)知識(shí)的擴(kuò)展應(yīng)用研究

劉永東 張淑芬 鐘儒剛

摘 要 針對(duì)原子結(jié)構(gòu)中原子能級(jí)的教學(xué)進(jìn)行探索和研究，在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)原子能級(jí)概念理解和掌握的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展性引入其在X-射線光電子能譜中應(yīng)用的簡(jiǎn)單實(shí)例，以期幫助學(xué)生突破原子結(jié)構(gòu)中原子能級(jí)知識(shí)的難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 普通化學(xué)；原子能級(jí)；X-射線光電子能譜；原子結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）23-0077-03

Abstract In this paper， an investigation of how to teach the atomic level was performed. Based on firstly strengthening students under-standing of the basic concept of atomic energy level， the authors in-troduced some simple examples of the application of atomic energy level knowledge into X-ray photoelectron spectroscopy. It would be helpful for students to break through the understanding difficulties of atomic energy level.

Key words general chemistry； atomic energy level； X-ray photo-electron spectroscopy； atomic structure

1 前言

普通化學(xué)是我國(guó)高等院校生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境和材料等專業(yè)學(xué)生的一門重要基礎(chǔ)課程。原子結(jié)構(gòu)是普通化學(xué)課程中必須學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，正如化學(xué)上經(jīng)常說“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)”，所以要了解不同物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，首先需要了解其結(jié)構(gòu)，而原子結(jié)構(gòu)是學(xué)習(xí)任何物質(zhì)結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)。原子結(jié)構(gòu)作為學(xué)生開始進(jìn)入微觀學(xué)習(xí)的開始，由于其具有微觀抽象化特征，并涉及物理、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)中的較復(fù)雜的公式、術(shù)語，而且具有量子化、不確定性等“反宏觀”的規(guī)律等，使學(xué)生很難深入形象地理解和接受原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)，進(jìn)而會(huì)影響學(xué)生對(duì)后續(xù)分子、晶體和配合物結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，最終直接影響學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的把握。因此，某種程度上可以認(rèn)為原子結(jié)構(gòu)教學(xué)成功與否，直接影響學(xué)生對(duì)整個(gè)普通化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，甚至影響今后生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境和材料等相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。為此，有關(guān)如何開展對(duì)原子結(jié)構(gòu)內(nèi)容的教學(xué)一直廣受關(guān)注 [1-4]。

2 研究結(jié)果與討論

原子結(jié)構(gòu)章節(jié)涉及面較廣，包括量子力學(xué)基礎(chǔ)及核外電子運(yùn)動(dòng)特性、氫原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)解釋、多電子原子的結(jié)構(gòu)及元素周期表與元素性質(zhì)的周期性等[4]。而其中原子能級(jí)概念的理解是本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合幾年來的教學(xué)分析，筆者認(rèn)為可以具體從以下兩個(gè)方面著手。

深化學(xué)生對(duì)原子能級(jí)概念的理解 原子結(jié)構(gòu)包含原子核和核外電子，原子核結(jié)構(gòu)屬核物理研究范疇，化學(xué)研究核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)槲镔|(zhì)的性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)都與核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變有關(guān)，與原子核無關(guān)。1926年，奧地利物理學(xué)家薛定諤從微粒的波粒二象性出發(fā)，提出描述微粒運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)方程。將電子質(zhì)量、總能量等參數(shù)代入方程就得出方程的許多解，因電子運(yùn)動(dòng)量子化，這些解并不都合理，只有引入三個(gè)量子數(shù)（n，l，m）的解，才能描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且一組量子數(shù)對(duì)應(yīng)唯一解，也對(duì)應(yīng)電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)波函數(shù)記為ψn，l，m（x，y，z）。描述原子中單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)ψ常稱為原子軌道（atomic orbit），這里的軌道指ψ分布的空間范圍，而不是與宏觀物體一樣的運(yùn)動(dòng)軌道。一般把電子出現(xiàn)概率在99%的空間區(qū)域的界面作為原子軌道的大小。每個(gè)原子軌道所對(duì)應(yīng)的能量即為原子能級(jí)（atomic energy level）。

主量子數(shù)（principal quantum number）n和軌道角動(dòng)量量子數(shù)l決定著電子能級(jí)的高低。其中主量子數(shù)決定電子離核平均距離的遠(yuǎn)近，也是決定電子能量高低的最主要因素。n的取值為1，2，3，4，…，對(duì)應(yīng)表示為電子層K，L，M，N，…。相同n的電子在空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一層——電子層（electron shell）；n值越大，電子離核越遠(yuǎn)，能量越高；n值越小，電子離核越近，能量越低。因此，一般情況下E1

軌道角動(dòng)量量子數(shù)（orbital angular momentum quan-

tum number）l決定原子軌道（電子云）的形狀，或軌道角動(dòng)量的大小，也決定同一電子層中電子能量的高低。l的取值為0，1，2，3，…，（n-1），共n個(gè)值，對(duì)應(yīng)光譜學(xué)習(xí)慣，表示為s，p，d，f，……。相同n和l的電子在空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一亞層——電子亞層（electron subshell or electron sublevel）。n，l同的電子屬于同一能級(jí)，n，l任一不同的電子能量高低不等。n相同，l越大能量越高，如E2s

磁量子數(shù)（magnetic quantum number）m決定原子軌道在空間的伸展方向，或軌道角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向分量的大小，與能量E無關(guān)。m的取值為0，±1，±2，±3，…，±l，共有2l+1個(gè)值。如l=1時(shí)，m可以取0，±1，表示p軌道有三個(gè)空間取向，或這個(gè)亞層有三個(gè)不同取向的p軌道。由于軌道能量與磁量子數(shù)無關(guān)，故處于同一能級(jí)的軌道被稱為簡(jiǎn)并軌道或等價(jià)軌道（equivalent orbital）。每亞層中可能有最多軌道數(shù)是2l+1；三個(gè)量子數(shù)n，l，m決定一個(gè)原子軌道，但不能完全決定電子的一種空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。