原子能级知识对化学教学的应用 本文关键词：能级，原子，化学，教学，知识
原子能级知识对化学教学的应用 本文简介：摘要针对原子结构中原子能级的教学进行探索和研究，在加强学生对原子能级概念理解和掌握的基础上，扩展性引入其在X-射线光电子能谱中应用的简单实例，以期帮助学生突破原子结构中原子能级知识的难点。关键词普通化学；原子能级；X-射线光电子能谱；原子结构1前言普通化学是我国高等院校生物学、医学、环境和材料等专业
原子能级知识对化学教学的应用 本文内容：
摘要针对原子结构中原子能级的教学进行探索和研究，在加强学生对原子能级概念理解和掌握的基础上，扩展性引入其在X-射线光电子能谱中应用的简单实例，以期帮助学生突破原子结构中原子能级知识的难点。
关键词普通化学；原子能级；X-射线光电子能谱；原子结构
1前言
普通化学是我国高等院校生物学、医学、环境和材料等专业学生的一门重要基础课程。原子结构是普通化学课程中必须学习的重要内容，正如化学上经常说“结构决定性质，性质体现结构”，所以要了解不同物质的宏观性质，首先需要了解其结构，而原子结构是学习任何物质结构的起点。原子结构作为学生开始进入微观学习的开始，由于其具有微观抽象化特征，并涉及物理、数学和统计学中的较复杂的公式、术语，而且具有量子化、不确定性等“反宏观”的规律等，使学生很难深入形象地理解和接受原子结构的知识，进而会影响学生对后续分子、晶体和配合物结构的学习，最终直接影响学生对物质性质的把握。因此，某种程度上可以认为原子结构教学成功与否，直接影响学生对整个普通化学课程的学习，甚至影响今后生物学、医学、环境和材料等相关专业课程的学习。为此，有关如何开展对原子结构内容的教学一直广受关注[1-4]。
2研究结果与讨论
原子结构章节涉及面较广，包括量子力学基础及核外电子运动特性、氢原子结构的量子力学解释、多电子原子的结构及元素周期表与元素性质的周期性等[4]。而其中原子能级概念的理解是本章的重点和难点，结合几年来的教学分析，笔者认为可以具体从以下两个方面着手。深化学生对原子能级概念的理解原子结构包含原子核和核外电子，原子核结构属核物理研究范畴，化学研究核外电子的运动状态，因为物质的性质及化学反应都与核外电子的运动状态发生改变有关，与原子核无关。1926年，奥地利物理学家薛定谔从微粒的波粒二象性出发，提出描述微粒运动的波动方程。将电子质量、总能量等参数代入方程就得出方程的许多解，因电子运动量子化，这些解并不都合理，只有引入三个量子数（n，l，m）的解，才能描述电子的运动状态，并且一组量子数对应唯一解，也对应电子的一种运动状态，因此，电子运动状态波函数记为ψn,l,m(x,y,z)。描述原子中单个电子运动状态的波函数ψ常称为原子轨道（atomicorbit），这里的轨道指ψ分布的空间范围，而不是与宏观物体一样的运动轨道。一般把电子出现概率在99%的空间区域的界面作为原子轨道的大小。每个原子轨道所对应的能量即为原子能级（atomicenergylevel）。主量子数（principalquantumnumber）n和轨道角动量量子数l决定着电子能级的高低。其中主量子数决定电子离核平均距离的远近，也是决定电子能量高低的最主要因素。n的取值为1，2，3，4，…，对应表示为电子层K，L，M，N，…。相同n的电子在空间范围内运动，构成一层——电子层（electronshell）；n值越大，电子离核越远，能量越高；n值越小，电子离核越近，能量越低。因此，一般情况下E1＜E2＜E3＜E4＜…＜En。氢原子或类氢离子核外只有一个电子，能量仅仅由n决定。轨道角动量量子数（orbitalangularmomentumquan-tumnumber）l决定原子轨道（电子云）的形状，或轨道角动量的大小，也决定同一电子层中电子能量的高低。l的取值为0，1，2，3，…，（n-1），共n个值，对应光谱学习惯，表示为s，p，d，f，……。相同n和l的电子在空间范围内运动，构成一亚层——电子亚层（electronsubshellorelectronsublevel）。n，l同的电子属于同一能级，n，l任一不同的电子能量高低不等。n相同，l越大能量越高，如E2s＜E2p，E3s＜E3p＜E3d。总之，一般情况下Ens＜Enp＜End＜Enf。量子数（n，l）组合与能级相对应，如n=2，l=1，是指2p电子亚层或能级。磁量子数（magneticquantumnumber）m决定原子轨道在空间的伸展方向，或轨道角动量在外磁场方向分量的大小，与能量E无关。m的取值为0，±1，±2，±3，…，±l，共有2l+1个值。如l=1时，m可以取0，±1，表示p轨道有三个空间取向，或这个亚层有三个不同取向的p轨道。由于轨道能量与磁量子数无关，故处于同一能级的轨道被称为简并轨道或等价轨道（equivalentorbital）。每亚层中可能有最多轨道数是2l+1；三个量子数n，l，m决定一个原子轨道，但不能完全决定电子的一种空间运动状态。对于多电子原子，除了核与电子的相互作用，还需要考虑电子间的排斥能。由于电子的位置瞬息万变，给精确求解多电子原子的波动方程带来困难。这种电子间的排斥，可以理解为其抵消了部分核电荷对电子的吸引力，将其称为屏蔽效应（screeningeffect）。屏蔽效应主要来自内层电子，内层电子对外层电子的屏蔽作用较大，而外层电子对较内层电子近似看作不屏蔽。当l相同，n不同时，n越大，电子层数愈多，外层电子收到的屏蔽效应愈强，核对电子吸引愈弱，轨道能级越高。而外层电子具有钻到内部空间而更靠近核的现象，这种现象被称为电子的钻穿效应（penetrationeffect）。电子出现在核附近的概率增大，受到其他电子的屏蔽减弱，有效核电核越大，能量越低。不同轨道的钻穿能力顺序为s＞p＞d，所以当n相同时，Ens＜Enp＜End＜Enf。屏蔽效应和钻穿效应的共同作用导致少数能级发生交错，一般Ens与E(n-1)d、E(n-1)f容易发生能级交错，所以能级顺序为E1s＜E2s＜E2p＜E3s＜E3p＜E4s＜E3d＜E4p＜…。由此可见，在多电子原子中，轨道能量以及它的次序不是固定不变的，它会因原子核电荷数或电子数目的不同而发生变化。美国化学家Pauling根据光谱数据给出多电子原子的近似能级图，如图1所示。徐光宪先生总结出n+0.7l公式计算能级，n+0.7l值愈大，轨道能级愈高，并把n+0.7l值的第一位数字相同的各能级组合为一组，称为某能级组。原子轨道能级知识在X-射线光电子能谱中的应用掌握了原子的能级知识后，通常随后开始介绍原子的电子组态（electronicconfiguration）及核外电子排布，进而引出元素周期表及元素性质的周期性，但往往忽略了有关原子轨道能级在光电子能谱中的应用。众所周知，每种光谱在实际应用中各自具有不同特点及一定的复杂性，因此难以简单地描述清楚具体的应用。若能取一些较简单的模型，介绍清楚具体原理在一些光谱学中的应用，会使学生更好地理解所学知识，并达到理论联系实际的目的。此部分的教学也是受到MIT《化学原理》国际名校公开课的启发。X-射线光电子能谱（X-rayphotoelectronspectros-copy，PES）是原子内电子跃迁所对应的能量范围。如图2所示，X-射线在光谱中是波长为0.01～10nm的波。光电子能谱即是某能量为Ei的X-射线，当其辐射到某原子时，原子内的电子会被激发出来，并具有一定的动能（kineticenergy，K.E.）。根据能量守恒可推得，Ei=IE+K.E.，其中IE为电子在原子内需要克服的能量，即为电子的原子能级。由于Ei作为初始的源能量，其值固定，而激发出的电子所具有的K.E.可以被观测得到，所以电子的原子能级IE就可以计算得到，是初始源能量与测得的动能的差值，即IE=Ei-K.E.。以Ne原子的X-射线光电子谱图为例，如图3所示。当Ei=1254eV时，可以观察到激发出的电子具有的动能分别为384eV、1206eV和1232eV。因此，可以推断出Ne原子中存在三个原子能级分别为22eV48eV和870eV，也可推测出其分别对应2p、2s和1s能级的能量，由此可以让学生深刻体会到不同能级具有不同的能量。如Ne原子中第一能级组的1s原子能级，由于其距离核近，使得其能量值非常低，因此，要从其1s能级中激发出电子，至少需要870eV的能量；而第二能级组的2s和2p两个能级的能量远高于第一能级组中能级的能量，激发出这两个能级中的电子仅需克服48eV和22eV的能量。当然也明显看到2p上的电子所具有的能量更高，所以激发出2p能级的电子要比激发出2s能级需要的能量少26eV。基于此，可以总结出能量越低的能级的电子越稳定，因此其被激发出来需要的能量也会越多。补充两道练习题。1）试问哪些原子在X-PES的发射光谱中具有五个分立的动能光谱？【分析】经X-PES发射获得五个分立的动能光谱，说明体系应该有五个原子能级，那从最低的能级依次向上，分别为1s，2s，2p，3s，3p，因此可得到具有五个分立的动能光谱的原子应该包含这五个能级，应该包含从3p轨道上只有一个电子的最小核电荷数为13的铝原子，到3p轨道上占满六个电子的最大核电荷数为18的氩原子。【答案】应有1s，2s，2p，3s，3p五个能级，包含六个原子，分别为Al，Si，P，S，Cl，Ar。2）原子序数为72的铪原子，在X-PES发射光谱中能够获得多少条分立的动能谱线？【分析】按照原子的能级顺序，可以获得铪原子的核外电子排布情况：1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p64f146s25d2，经分析得出，其具有1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5p，6s，4f和5d共计14个原子能级，所以有14条谱线。【答案】有14条谱线。
3结语
教学中培养学生理论联系实际的能力，即运用所学知识解决实际问题的能力，是相当重要的。而对于现今以大班上课、理论授课为主的教学来说，要避免理论知识与实践脱节的问题，最现实可行的办法就是在理论授课过程中，尽可能地引入实际应用的实例。虽然学生仍无法自己动手去亲身体会，但通过更多实例的介绍，也可扩展学生对所学知识的应用的理解。对普通化学原子结构部分的讲解，既要重视对这部分理论知识的讲授，更要注意引入这些抽象知识实际应用的实例。通过对原子能级知识在X-射线光电子能谱中应用的介绍，不但可以让学生对基本理论知识有清晰的理解和认识，还可以让学生认识到如何运用这些知识在实际中解决问题，培养学生养成理论联系实际的思维习惯。
参考文献
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[2]梁爱琴,曲宝涵,宋祖伟,等.“原子结构”入门知识的教学设计[J].广东化工,2014(8):164-165.
[3]邓晓军,李晨,何炜,等.医用基础化学原子结构的教学设计与思考[J].化学教育,2015(24):63-66.
[4]郭晓丽,王澜,魏锐.原子光谱实验的设计及其支持下的原子结构教学[J].化学教育,2016(1):58-62
作者：刘永东 张淑芬 钟儒刚
原子能级知识对化学教学的应用 来源：网络整理
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