＊王裕平

（貴州應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 黔南州計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)與分子模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 貴州 558000）

眾所周知，物質(zhì)是由原子、分子或者離子構(gòu)成的。在化學(xué)反應(yīng)中，原子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒。故在化學(xué)教學(xué)中，“原子”是一個非常重要的概念；使學(xué)生深入理解原子的概念與結(jié)構(gòu)是一件至關(guān)重要的任務(wù)，同時也是學(xué)生學(xué)好化學(xué)的基礎(chǔ)。若要使得學(xué)生深入理解原子的概念，就必須熟悉原子模型的發(fā)展及近代化學(xué)對原子結(jié)構(gòu)的描述。

早在公元前5—4 世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家Δημ?κριτο?、Λε?κιππο? 等人就已提出物質(zhì)是由大量、不可分割的細(xì)小微粒構(gòu)成的觀點(diǎn)，這些微粒也就是所謂的“原子”。原子種類、狀況及結(jié)合力的不同，形成了豐富多彩的物質(zhì)世界。中世紀(jì)期間，由于受宗教和神學(xué)的壓制，未得到繼續(xù)發(fā)展。1803 年，英國化學(xué)家Dalton 發(fā)展了原子論，他認(rèn)為原子是一個堅(jiān)實(shí)、不可再分的實(shí)心球；同類原子的屬性也是一樣的，在化學(xué)變化中保持穩(wěn)定的狀態(tài)與性質(zhì)；Dalton 原子論為近代化學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。直到1897 年，John Thomson 在真空放電時，發(fā)現(xiàn)了電子，為我們進(jìn)一步揭示原子結(jié)構(gòu)提供了有力線索，從而形成了原子結(jié)構(gòu)的“棗糕模型”。

隨后Ernest Rutherford 在1911 年設(shè)計(jì)了24He散射實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了長時間觀察；實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)24He 穿過金箔后，依然保持原有的速度或出現(xiàn)極小偏轉(zhuǎn)，也有一些偏轉(zhuǎn)比較大，個別被反彈了回來。從而證明原子內(nèi)部是空的，其質(zhì)量基本集中在一個點(diǎn)上，占據(jù)總質(zhì)量99.9%以上，電子在其周圍像行星繞太陽運(yùn)動一樣（太陽質(zhì)量同樣也占據(jù)了整個太陽系總質(zhì)量的99.98%）。但是該原子結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁學(xué)理論是沖突的，它不能解釋原子的穩(wěn)定性，也不能說明原子光譜的分立性。

因此，1913 年，丹麥物理學(xué)家Bohr 做出原子定態(tài)、基態(tài)及激發(fā)態(tài)的假設(shè)，并首次引入能量、軌道半徑的“量子化”觀點(diǎn)。該觀點(diǎn)不僅能解釋原子的穩(wěn)定性，也可說明H 原子光譜的分立性。但依然存在缺陷，對于稍復(fù)雜一點(diǎn)的原子，比如He，都會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。因此，Bohr 的原子理論依然不是最佳模型。主要原因在于它保留了所謂的“經(jīng)典軌道”概念，并沒有完全摒棄經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)。直到量子力學(xué)完全建立，在該力學(xué)體系下，原子結(jié)構(gòu)有了至今為止最為完美的解釋—電子云模型，而且現(xiàn)在已經(jīng)可以通過掃描隧道顯微鏡觀察到原子的模樣。

1.原子軌道知識點(diǎn)教學(xué)淺談

（1）概念理解。目前，以近代物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，原子軌道只是一個形象上的概念；學(xué)習(xí)者絕不可望文生義。在量子力學(xué)的描述中，一切微觀粒子的運(yùn)動并沒有確定的軌道和能量。微觀粒子具有波粒二象性，它的運(yùn)動行為是通過波函數(shù)來表達(dá)的。所以，原子軌道是指用于描述原子中，某個單電子運(yùn)動的波函數(shù)，它并不是一條形象的軌道，如拋物線、圓等，它是通過求解薛定諤方程所得到的一個函數(shù)式。其次，原子中，各個電子之間并不是相互獨(dú)立的，存在各種相互作用，如Coulomb 相關(guān)、Fermi 相關(guān)等；因此，這里所謂的單電子波函數(shù)也是在一系列近似條件下而求解得到的。

化學(xué)教學(xué)中，為更加象形描述原子軌道，一般將原子軌道分解為角度分布函數(shù)和徑向分布函數(shù)的乘積來表達(dá)?；瘜W(xué)教材中常見的原子軌道輪廓圖即為角度分布函數(shù)在球坐標(biāo)下的圖像，光譜學(xué)標(biāo)記為s、p、d、f、g、h、i、j……軌道；能夠正確表達(dá)相關(guān)圖像也是化學(xué)教學(xué)中極其重要的一環(huán)。除此之外，還有等值線圖、電子密度等表達(dá)方式[1-2]。

（2）化學(xué)史的作用。在化學(xué)基礎(chǔ)知識教學(xué)中，也應(yīng)該充分重視化學(xué)史的應(yīng)用，原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識教學(xué)是化學(xué)中的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。但該部分知識具有完整的化學(xué)史材料，因此可以充分利用化學(xué)史進(jìn)行原子結(jié)構(gòu)知識教學(xué)，從而促進(jìn)學(xué)生對知識、科學(xué)本質(zhì)的理解以及概念轉(zhuǎn)變。統(tǒng)計(jì)研究表明，結(jié)合化學(xué)史進(jìn)行教學(xué)，可以提高學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解及學(xué)習(xí)興趣，從而加深學(xué)生對原子結(jié)構(gòu)知識的理解[3-4]。

（3）Bohr 原子模型的重要性。Bohr 原子模型是近代原子結(jié)構(gòu)理論的開端，首次提出了軌道與能量的量子化概念，是化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)量子力學(xué)概念的基礎(chǔ)。在此方面，相關(guān)研究者還提出以發(fā)散思維為主、收斂思維為輔及有所為有所不為、張弛有度的哲學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。通過對該內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可以使得學(xué)生在獲得基礎(chǔ)知識的同時，也能學(xué)到許多科學(xué)的思想方法、學(xué)習(xí)方法和研究方法[5]。

（4）化學(xué)模型教學(xué)策略。模型思維在數(shù)學(xué)、物理中是一種至關(guān)重要的研究方法，比如學(xué)習(xí)者經(jīng)常聽到數(shù)學(xué)模型、物理模型等概念。但是隨著近代化學(xué)的發(fā)展，尤其是量子化學(xué)及計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展使得模型思維、模型認(rèn)知在化學(xué)學(xué)習(xí)或教學(xué)中也變得越來越重要，從而形成了本教學(xué)研究中的化學(xué)模型教學(xué)方法。物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，故原子結(jié)構(gòu)知識點(diǎn)幾乎貫穿整個基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)或?qū)W習(xí)的始終；其次，該知識點(diǎn)也是最能體現(xiàn)模型思維的典型案例之一。從模型認(rèn)知視角來探討原子結(jié)構(gòu)教學(xué)，對于提高原子結(jié)構(gòu)的教學(xué)效果以及開展模型認(rèn)知教學(xué)都有一定的參考意義[6]。

通過原子結(jié)構(gòu)模型知識的學(xué)習(xí)，還可以引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探索原子結(jié)構(gòu)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建新的原子結(jié)構(gòu)模型去進(jìn)一步探索原子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)素養(yǎng)的提升[7]。同時，也可以避免形成陳述式課堂。

除此之外，也有教師在課堂上通過自行設(shè)計(jì)分光鏡，來分析有關(guān)元素的光譜進(jìn)行教學(xué)。但是，該方法在一般條件的課堂很難實(shí)現(xiàn)[8]。

針對此問題，有些教師借助量子化學(xué)密度泛函方法來建立相關(guān)分子軌道模型的計(jì)算，并繪制相關(guān)分子軌道輪廓圖、能級圖或借助Orbital Viewer 軟件，進(jìn)行互動性課堂教學(xué)；將學(xué)生較難理解的內(nèi)容定量、直觀地呈現(xiàn)出來。以此來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的[9-10]。

2.Gaussian軟件輔助教學(xué)

(1)原子軌道模型的Gaussian計(jì)算

雖然最近研究中，有給出過g 軌道在Matlab 中的可視化，但前提是要知道原子軌道的具體表達(dá)式[11]。這些表達(dá)式往往較長，書寫代碼極不方便，很難處理更高角量子數(shù)的原子軌道。因此，在該教學(xué)研究中，將借助Gaussian、Gauss view 等軟件來解決這一問題；并一次性輸出s-i 軌道的角度分布函數(shù)圖。

由于教學(xué)目的是畫出s-i 軌道角度分布圖；故只需保證Gaussian 計(jì)算結(jié)果的各個分子軌道與期望的原子軌道之間嚴(yán)格一一對應(yīng)即可。

所以，在輸入文件中先使用自定義基組gen 關(guān)鍵詞將s-i 軌道表示出來。此時軌道初猜不可用程序默認(rèn)數(shù)據(jù)，否則結(jié)果將把以上定義的各軌道混合到一起，無法區(qū)分。因此，需要用關(guān)鍵詞cards 指定初始猜測，具體可參見guess 關(guān)鍵詞中cards、save、only 等選項(xiàng)的使用。

為實(shí)現(xiàn)分子軌道與所期望的原子軌道一對一，在指定初始猜測時，還需將每一行中除了期望得到的軌道，其余所有系數(shù)都指為0，目標(biāo)軌道系數(shù)指為1。由于s-i 共有49 個原子軌道，所以初始猜測系數(shù)將形成以上的[49×49 單位矩陣]。

(2)Gauss view可視化處理

將上述Gaussian 軟件計(jì)算產(chǎn)生的atom-orbital.chk 文件用Gauss view 軟件打開，與查看普通分子軌道一樣的操作，即可得到角量子數(shù)為s-i 的49 個原子軌道角度分布函數(shù)圖像。

由于s-g 軌道圖像基本已比較熟悉[11]，以下將列出11 個h 軌道和13 個i 軌道的角度分布函數(shù)圖；圖1為11 個h 軌道的角度分布函數(shù)圖。

圖1 11 個h 原子軌道的角度分布函數(shù)圖

圖2 為13 個i 軌道的角度分布函數(shù)圖。

圖2 13 個i 原子軌道的角度分布函數(shù)圖

由以上可知在s-i 軌道中，隨著角量子數(shù)的增加，圖像中的節(jié)面也越來越多，花瓣數(shù)也逐漸增加。如有涉及到的成鍵方式或雜化軌道，必然也更加復(fù)雜。整個計(jì)算、處理過程學(xué)生需要全程參與，如此一來，學(xué)生明白了原子軌道概念的同時，也知道了教材中軌道圖像的具體來源；勢必加深對原子結(jié)構(gòu)知識的理解，為以后學(xué)習(xí)化學(xué)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.教學(xué)研究總結(jié)

在對原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識教學(xué)中，充分利用化學(xué)史素材有助于提高課堂氣氛及學(xué)生對概念的理解，同時也有利于核心概念的轉(zhuǎn)換與提高。再者就是應(yīng)該重視對Bohr 原子結(jié)構(gòu)模型的講解，該模型初步引入了原子軌道半徑與能量的“量子化”及定態(tài)、基態(tài)、激發(fā)態(tài)等觀點(diǎn)；為以后深入學(xué)習(xí)、理解化學(xué)基礎(chǔ)知識打下堅(jiān)定的基礎(chǔ)。其次，在化學(xué)基礎(chǔ)知識教學(xué)中，適當(dāng)使用化學(xué)模型也是一種提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)及獨(dú)立思考的有效方法。

在該教學(xué)中，我們有效使用了簡單、方便的Gaussian 與Gauss View 軟件作為輔助工具；通過建立正確的“化學(xué)模型”—原子軌道計(jì)算模型，讓學(xué)生親身體驗(yàn)原子軌道角度分布函數(shù)圖像的繪制，并且還給出了目前所有教材中都未曾介紹的高角量子數(shù)原子軌道，如h、i 軌道等；從而進(jìn)一步提高了學(xué)生對知識的理解，在提高學(xué)習(xí)成績的同時也鍛煉了學(xué)生的化學(xué)模型思維、數(shù)據(jù)處理能力及科學(xué)素養(yǎng)。