原子与原子结构/无机化学探究式教学丛书

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内容简介

学习要求
　　(1)了解人类认识原子和原子结构简史，以化学科学史增强历史对学生智慧的启发。
　　(2)理解卢瑟福的原子行星模型、玻尔原子模型、量子化的原子结构模型[包括波粒二象性、不确定性原理、核外电子运动状态的描述(薛定谔方程、波函数与原子轨道、原子轨道的图形描述、电子云图形描述)]，掌握原子核外电子运动的特点。
　　(3)熟悉描述核外电子运动状态的四个量子数，掌握四个量子数的物理意义、取值范围；熟悉 s、p、d原子轨道的形状和伸展方向。
　　(4)熟悉原子轨道近似能级图，掌握多电子原子核外电子的排布；了解屏蔽效应[斯莱特(Slater)规则]、钻穿效应、能级分裂和能级交错的概念。
　　(5)了解原子核结构模型研究内容，特别是原子核壳层模型对超锕元素(transactinide element)合成的贡献。
　　背景问题提示
　　(1)通过对原子的结构和性质模块的学习，如识物质可无穷无尽地分割下去？
　　(2)了解人类认识原子结构的简单历史后，你认为原子核外电子运动的近代概念是什么？其基础是什么？随着科学技术的发展，你认为人类对原子结构的认识还会深入吗？你会产生什么遐想？
　　(3)2008年，美国Physical Review Letters发表了瑞典伦德大学科学家的一篇论文[1]，报道他们首次拍摄到电子运动的连续画面。在此之前，科学家都是用间接方法研究电子运动的，如反映电子跃迁的氢原子光谱。2011年，乌克兰哈尔科夫大学物理技术学院伊格尔(Blaga)带领科研团队成功“制造”并捕捉到电子云的影像照片[2]，这也是科学家首次获得电子云的照片。但这类光谱只反映了电子运动的结果，而不是电子运动的过程。你认为这与“不确定性原理”矛盾吗？
　　电子运动的连续画面
　　照片中显示了碳原子电子云(蓝色部分)的几种组合方式
　　参考文献
　　(4)建立原子核壳层模型后，科学家提出“稳定岛理论”，使新元素的合成迅速发展。它的科学性如何？原子核结构模型理论还会有更深层次的发展吗？
　　[1] Mauritsson J， Johnsson P， Mansten E， et al. Phys Rev Lett，2008，100(7):073003.
　　[2] Blaga C I， Xu J L， Di Chiara A D， et al. Nature，2012，483:194.
　　第1章 原子概念的变迁
　　美国著名物理学家、1965年诺贝尔物理学奖获得者费曼(R. P. Feynman，1918—1988)曾经说过：“如果有一天人类遭遇灭顶之灾，我们的全部知识也将随之被毁灭。假如我们还有时间给后人留一句话，那么这句话应当是：‘所有物质由原子组成。原子是一种永远运动的、远距离相互吸引、近距离相互排斥的微小粒子’。”[1]原子是物质发生反应的基本微粒，也是化学上最重要、使用最频繁的术语之一。人们对原子的认知经历了从哲学到科学的过程。原子论是元素派学说中最简明、最具科学性的一种理论形态。英国自然科学史学家丹皮尔(W. C. Dampier，1867—1952)认为，原子论在科学上“要比它以前或以后的任何学说都更接近现代观点”[2]。原子的基本概念在数千年后仍然被化学家所采用，那是因为它能够很简明地阐述一些化学界的现象[3]。
　　费曼 墨子 留基伯 德谟克利特 伽桑狄
　　1.1 哲学家的原子概念
　　1.自然哲学中的原子论自然哲学中的原子论在许多文献中都有记述。中国的墨子(约公元前468—约公元前376)曾提出物质分割到一定程度就不能再分割下去了：“非：斫半，进前取也，前则中无为半，犹端也。前后取则‘端中’也。斫必半，‘无’与‘非半’，不可斫也。”现可译为：“将一个物体切成两半，取前一半，将前一半再切成两半，仍取其前半，一直取到不能再分，犹如一个点。前半和后半分取，就一定在点与点间。如果分割方式是半分，‘无’和‘不能半分的’，是不可以分割的。”对原子概念的记述可以追溯到古印度和古希腊。有人认为印度耆那教的原子论是开创者大雄在公元前6世纪提出的，并将与其同时代的彼浮陀伽旃延和顺世派先驱阿夷陀翅舍钦婆罗的元素思想也称为原子论[4]。正理派和胜论派后来发展出了原子如何组合成更复杂物体的理论。
　　2.德谟克利特的原子论
　　大约在2500年前，古希腊哲学家对物质的组成问题争论不休。他们开始思索：万物由什么组成，物质可以被无休止地分割为越来越小的物质单元，还是存在构成世界的“砖块”？
　　公元前5世纪的古希腊哲学家留基伯(Leucippus，约公元前500—约公元前440)在致力于思考物质分割问题后得出一个结论：分割过程不能永远继续下去，物质的碎片迟早会达到不可能分得更小的地步。他的学生德谟克利特(Democritus，约公元前460—公元前370或公元前356)接受了这种物质碎片会小到不可再分的观念，并称这种物质的最小组成单位为“原子”(由希腊语“不可切分的”转化而来)。他对老师留基伯的学说进行了发展和完善，因此德谟克利特被公认为原子论的主要代表。德谟克利特认为：①万物的本原或根本元素是“原子”和“虚空”。
　　“原子”在希腊语中是“不可分的”的意思。他用这一概念指构成具体事物的最基本的物质微粒。②原子的根本特性是“充满”和“坚实”，即原子内部没有空隙，是坚固的、不可入的，因而是不可分的。③原子是永恒的、不生不灭的；原子在数量上是无限的；原子处在不断的运动状态中，它唯一的运动形式是“振动”。运动中原子间会发生碰撞，有时会粘连并组合成一种东西，而另一组原子组合成另外的东西等。这样万物就由作为实在的建筑石料的原子和虚空构成了。④原子的体积微小，是肉眼看不见的，即不能被感官所感觉，只能通过理性认识。然而在中世纪，一些西方的经院神学家们却因原子论与宗教学说教义相冲突而激烈反对这种观点。期间偶有恢复原子论的尝试，但都在教会的高压下失败。
　　15世纪初，古希腊原子论著作残片被发现，被意大利学者带回意大利传抄，于15世纪下半叶出版，并于17世纪被译成法语、英语广为流传。“原子”作为一个自然哲学概念，在伽桑狄(P. Gassendi，1592—1655)、培根(F. Bacon，1561—1626)、波义耳(R. Boyle，1627—1691)、伽利略(Galileo，1564—1642)等的努力下得以重拾。值得一提的是法国哲学家伽桑狄，他接受了原子论并极力宣传原子论思想。他认为世界上的一切东西都是按一定次序结合起来的原子总和，世界是无限的。他的有说服力的著作使人们对原子学说的关注得以复苏，并激发了科学家的兴趣，从而将原子论引入现代科学中。
　　1.2 科学家的原子概念
　　科学家从17、18世纪开始通过实验探索原子，直至20世纪初证实了原子的真实存在。
　　(1)1661年，自然哲学家波义耳出版了《怀疑的化学家》(The Sceptical Chymist)一书[5]，他认为物质是由不同的“微粒”或原子自由组合构成的，而并不是由气、土、火、水等基本元素构成。
　　(2)1789年，法国化学家拉瓦锡(A. L. de Lavoisier，1743—1794)定义了原子一词，从此原子用于表示化学变化中最小的单位。
　　(3)1803年，自然哲学家道尔顿(J. Dalton，1766—1844)基于牛顿的原子论提出了他的原子理论[6]：每种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子不可再分，一种原子不会转变为另一种原子；化学反应只是改变了原子的结合方式。现在看来道尔顿的原子理论显然有局限性，也没有涉及原子本身结构的讨论。有关原子本身结构的现代原子理论模型，直到基本粒子被发现以及量子概念被引入后才逐步建立。
　　(4)1811年，阿伏伽德罗(A. Avogadro，1776—1856)从原理上对道尔顿的理论进行了修正：提出分子是决定物质性质的最小微元，分子是由原子构成的[6]。阿伏伽德罗作出的修正划清了分子和原子概念间的区别，并与道尔顿的原子理论形成了解释物质微观构成的原子-分子学说。
　　(5)1821年，英国物理学家赫帕斯(J. Herapath，1790—1868)提出了气体的内能与气体分子的动能有关系[6]。随后，克罗尼格(A. Kr.nig)、克劳修斯(R. J. E. Clausius，1822—1888)、麦克斯韦(J. C. Maxwell，1831—1879)、玻尔兹曼(L. E. Boltzmann，1844—1906)等发展了分子运动论。这一理论从假设气体是由不断彼此碰撞或碰撞器壁的原子构成出发，解释了气体的宏观性质，如压力、比热容、黏性。分子运动论为支持原子真实存在提供了理论支撑[6]。
　　(6)1827年，英国植物学家布朗(R. Brown，1773—1858)观察到飘浮在水中的花粉粒会不停地做表面上无规则的运动，即布朗运动。
　　(7)1905年5月，爱因斯坦(A. Einstein，1879—1955)发表了《热的分子运动
　　论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》从分子运动论的角度，将布朗运动归因于水分子对花粉粒的不停撞击，并构建了一，个数学假想模型描述它[7]。
　　(8)1908年，爱因斯坦的数学模型得到了法国物理学家佩兰(J. B. Perrin，1870—1942)的实验验证，使有关原子是否真正存在的争论尘埃落定[8]。对原子理论的实验验证也是佩兰获得1926年诺贝尔物理学奖的原因之一。
　　波义耳 拉瓦锡 道尔顿 阿伏伽德罗 布朗 佩兰
　　1.3 现代原子理论
　　探索未知世界的重要途径是哲学思辨方法：科学实验是科学理论发展的动力和源泉，数学方法是从定性研究走向定量研究的重要工具和手段，辩证思维方法是现代科学研究的思想路线[9]。当原子理论由古代原子论(古希腊自然哲学思辨的原子本体论)发展到近代原子论(用科学方法解析不可分割的物质微粒)时，人们自然更想知道对于原子认识的第三个时期，即现代原子理论。这一阶段的特点是：①实验新现象的发现是现代原子论的突破口；②探索原子结构模型成为现代科学研究新方法；③从传统的定性研究走向精确的定量研究。近代原子论通过科学实验的方法认识到原子是一种不可解构的微粒，而现代原子理论随着量子力学的创立，开始从定性研究走向定量研究、模型研究，各种原子、电子模型纷纷被提出，电子及其运动也被发现。