原子核结构的研讨论文

原子核结构的研讨论文（精选5篇）

原子核结构的研讨论文 篇1

专题一:原子结构相关概念的学科及教学研讨

——科学概念与教学设计的时代性

主持人：魏锐 北京师范大学化学教育科学研究所 场内嘉宾：李宗和 北京师范大学 结构化学 教授

赵河林 山西大学附属中学 王秀忠 山东省实验中学

1、引入专题主题

主持人：从今天开始，我们就进入物质结构与性质模块的探讨，首先，我们进入专题一原子结构相关概念的学科及教学研讨。在高中化学新课程当中，把物质的结构和性质作为一个单独的模块列入选修课程当中，那我们为什么把物质的结构和性质作为一个单独的模块呢？也就是说在化学科研的发展进程中，有关物质结构和性质的研究对我们学生有哪些意义呢？请李宗和教授谈谈。

2、专家谈学科知识的意义及核心概念

李宗和：现代化学的任务是发现和制备新物质，发现新性能的物质具有一定的不确定性，即随机性。制备新性能的物质就显得尤为重要。结构化学的基本理论可以帮助预见新性能的物质，例如C60家族是在1985年发现的，但是早在1973年苏联的两位学者以及1980年美国的两位学者先后发表了C60的分子轨道能级，成为发现C60的先导，结构化学的基本理论对于制备新性能的物质具有一定的指导意义。分子设计担当了此任务。结构化学是现代化学的重要组成部分，也是现代无机、现代有机、医学、生命科学、材料科学、环境科学、能源科学以及信息科学的理论基础，中学设立物质结构及性能这门课是非常必要的，有利于他们去攀登科学的高峰，也有利于他们从事各项工作。在现代化学当中，有两个基本的概念，一个是量子，一个是轨道。量子是指什么呢？指的是物理量的变化是不连续的，轨道不是我们平常理解的轨迹，而是一系列连续运动的状态，是粒子运动状态的真实存在。

主持人：赵老师你好，你给我们老师一起来介绍一下在化学课程标准当中，对于中学化学学习阶段，需要建立哪些基本概念？

赵和林：各位老师，大家好。正如刚才李教授所讲的，物质结构与性质这门课对于中学生来讲是非常重要的。从学科角度来讲，对价层电子对互斥理论做出重要贡献的加拿大化学家著名化学家吉利斯皮（R J Gillespie）指出六种化学基本概念为“化学中的主要观念”，构成了现代化学的基础。这六种化学基本概念为：原子、分子、离子；微粒间的相互作用，如化学键，分子间作用力；分子的几何形状；三维化学；动力学理论；化学反应；能和熵。在吉利斯皮指出的六种化学主要观念当中前三条都与我们的物质结构与性质这个模块密切相关，也是出于学科这样的考虑，国家在课程标准里面对物质的结构与性质也有相应的定位。物质结构与性质这个模块有四个主题：原子结构与元素的性质；化学键与物质的性质；分子间作用力与物质的性质；研究物质结构的价值。在主题一中，涉及到的核心概念有：能级、跃迁；原子轨道、电子云；电离能、电负性。在主题二中，涉及到了比较多的概念，比如：离子键、共价键、配位键、金属键；σ键和л键、键参数；分子构型、手性分子、等电子原理；离子晶体、晶格能；金属晶体的基本堆积模型；原子晶体。在主题三中，主要涉及到的是：分子间作用力；氢键；分子晶体。在主题四中，也涉及到了一些核心问题，比如：原子结构与元素周期系；研究物质结构的基本方法和实验手段；探索物质结构的价值。那么应该说，主要的概念主要是从三个角度来划分的，第一个角度也可以叫第一个维度，是微粒水平。第二个角度是微粒间的相互作用，第三个角度是物质的构成方式。那么说这样的基本概念，相对于我们的传统教材应该说有很多的补充，那么有些老师也讲，一些大学的概念下放到了高中化学教材里面，那么是不是这样的下放是不是不合理呢？我想我们大家要从世界课程改革的视角来看待这样的一个问题，从全世界的课程标准或者教材来看，在结构与性质这个模块里面都有最近几年都有较大的发展的确很多大学的化学概念下放到了高中阶段，这也是历史的趋势和必然。比如我介绍美国科学课程的标准涉及到的一些概念，我们来看。比如有，能级、量子数、原子轨道、电子云、构造原理、元素性质、元素周期律和周期表；化学键、氢键和分子间作用力、分子极性、共振结构、偶极距、杂化轨道理论和VSEPR理论；堆积模型、晶胞、离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体等。所以从这样一个角度来考虑，我们应该从世界课程改革的视角来看待我们国家的课程改革。那么这样的一个改革是符合历史的趋势的。

主持人：王老师你好。关于这些核心的概念，你还有什么补充的没有？

王秀忠：简单说一点。两位老师都从比较高的视角和世界的角度谈了下这个模块出现的必要性。我感觉这些概念非常多，我们需要不需要掌握，需要不需要给学生落实，我谈一点自己的感受，就是按需分配。如果这个东西为我们的认识目标是有需求的，或者是有必要性的，我们要提，而不管这个概念是大学里边讲的还是高中里边讲的。比如说量子力学的结构模型的四个量子数的提出可能会存在一些争议。我想如果出现了这个东西，对我们后续要解决的电子排布问题是不是有一点支撑？如果不学这个，不了解这个，而在认识这些问题，那我们应该怎样去思考，这个比较值得我们去关注。再一个，我们在日产生活中，认识物质的话，我们直接运用的可能是分子层面或者晶体层面。而我们对于晶体层面的认识关键的是它的基本构成微粒以及微粒之间的相互作用，而这种相互作用是不是要考虑到分子层面呢？而这种相互作用，比如说共价键形成问题，是不是必须要用到要讲的原子结构问题，所以我们在引导学生认识问题的时候，我们还是要多考虑下这些概念的必要性，从而来思考它该不该出现，出现到什么一种程度，一种什么层次。

主持人：谢谢王老师。感谢刚才的几位嘉宾的介绍，让我们对物质的结构与性质这个模块整体的情况有了一个了解。在这个专题当中，我们就聚焦到一个概念，就是原子结构的问题。我们想它不仅是个基本的概念，还对后续学习有铺垫性的作用。但是在概念教学当中，以及学生的学习当中，会存在很多的困难。不管是哪个版本的教材，通常原子结构都是排在前面的，它为后面的学习搭建一个基础平台。但是在教学过程以及学生的学习过程当中都可能遇到各种各样的问题，我们老师也会存在各种各样的问题和错误认识，由此，就值得我们对这些问题进行反思：到底应该给学生介绍到什么程度，我们教到什么程度。在这些反思之前，我们更核心地关注一个问题，是我们作为老师而言，怎样来理解这些问题，怎么来理解这些概念。如何科学地来看待原子结构模型，如何科学地理解原子结构相关系的科学概念。然后我们自己再去思考怎样去提取对学生发展而言更重要的，再去转化为教学。这个专题我们就从这些基本概念入手，探讨这些概念应该如何理解。请李老师谈下，既然我们都认为原子结构是一个非常重要的概念，原子结构的假说的提出在历史上是十分重要的，你能给我们分享一下它的意义在哪里么？

李宗和：有关原子的问题在公元前400年希腊的哲学家就提出了物质的最小微粒是原子，它的提出使人们对事物的认识更深化了一步。在1803年道尔顿把原子的概念引入到化学当中，建立了原子模型，40年后提出了分子学说。这样，原子、分子论就提出来了。这样对事物的认识就出现了三个层次，一个是原子层次，一个是分子层次，最后就是聚集态形式。我们的教材就是从这三个层次来讲这个问题的。在1903年，汤姆逊又发现了电子，1911年卢瑟福用α粒子衍射实验提出了原子结构模型。这些都使人们进一步认识到原子是可以再分的，物质是可以无限再分下去的。人们对事物的认识进一步深化，越来越科学化。原子结构模型的建立应该说在卢瑟福的时候就给我们打下了很好的基础。1913年，玻尔根据氢原子的光谱然后提出了原子核最外层电子排布的模型，这个模型使我们进一步认识原子。到20世纪20年代的时候，又建立了量子力学模型，量子力学模型的建立使我们对原子的认识、电子的认识进入了一个新的阶段，而且是个飞跃的阶段。这样一来，这种化学认识奠定了现代化学的基础，使现代化学进入了用数学来描述的阶段，成为了一个有预见性的科学。这门科学建立以后，原子结构模型建立之后，使人们可以预见一个新物质的发现。比如可以预见新物质的性能、结构、包括键长、键角、二面角，它可以预见在一定条件下发生化学反应的产物以及产率，同时可以设计一个化学反应发生时的条件和催化剂的使用。这门学科还能提供较为合理和产率较高的合成路线。所以现代化学已经进入到了现在从实验逐渐走向数学化的阶段，为人们的预见打下了一个新的基础。这样在化学领域，人们就从必然王国向自由王国迈进，使化学更好地造福于人类。

赵和林：正如刚才李教授所讲，20世纪原子结构的发现为现在的化学奠定了非常重要的基础。原子结构的相关内容促进了整个20世纪自然科学的发展，我想我们在学习原子结构的时候，我们各位老师应该有对原子结构学科定位的概括。一般认为原子结构在20世纪的影响主要集中在以下几个方面。第一，原子结构的发现对自然科学研究的思维方法有重大影响；第二，对人类认识微观世界的认识方式和理论的影响；第三，对微观世界的结构的奥秘以及结构与性质关系的揭示；第四，对人类认识微观世界的技术发展的影响等等。

主持人：从刚才两位老师的讨论当中，我想值得我们关注的两个关键词，第一个是模型，提到原子结构是一个模型和假说，第二个是模型是逐渐发展的。我想这对于我们的教学是非常有意义的，我们的教学是一个科学学习活动过程，不是直接灌输式地交给学生相应的概念，我们应该让学生了解这些概念是怎么来的。那么对于原子结构模型的发展，其中起到了一个推动性作用的事件就是原子光谱。那么，于是就有老师借助原子光谱的事实进行教学设计。那好，我们一起来分享一个教学案例。

3、王丽老师借助原子光谱的教学片断及专家点评

老师：漂亮的彩虹和精彩的焰火，这些五颜六色的光都因为科学家揭示了原子结构的一些问题而揭示了它们其中的秘密，这些我们最后都明白了是电子在运动的过程中有能量的变化而使我们看到了五颜六色的光。在电子运动过程中产生的这些光线我们叫光谱，太阳光谱是七色的，彩虹就是太阳光谱，它包含了所有波长对应的光。我们在学习的过程中观察到很多种金属元素在火焰上灼烧的时候会显示出特征焰色。为什么每种金属显示出各种不同的焰色呢？那么除了金属以外，其他元素是否能产生类似的光谱呢？今天我们就从最简单的元素，氢原子的光谱开始了解电子运动的状态。这是一幅氢原子的光谱图，同时我画了一个氢原子的原子结构示意图。在这个光谱图中，它对应的有四条谱线，这四条谱线说明了，根据科学家给我们的观点，说明了氢原子的核外电子的运动时要往外辐射能量的。这个能量是从哪来的？是什么样的过程使它辐射能量？它的能量为什么是一条一条一定波长的光来体现的呢？我们来看下这个演示过程。当电子在固定的轨道上运动的时候是不会向外辐射能量的，如果我给电子一定的能量的话这个时候，电子就会跳到更高的一个能层上，这个过程我们成为电子的跃迁。在这个过程中，电子吸收了能量，所以电子的能量升高了，可是电子在这个高能量状态的时候它不稳定，还会跃迁到这个低能量的状态。那我们看到的这个谱线是电子在高能量状态跃迁回低能量状态时放出的能量。这个能量是对应一定波长的光，所以这一种跃迁就对应了一条谱线。那同学又会产生一个疑问了：氢原子核外只有一个电子，它为什么会产生多条谱线呢？而且我这里截取的还仅仅是氢原子在可见光谱范围内的谱线就已经有四条，结合我刚才说的和这幅图示，看看是不是能想一想，为什么这个氢原子能产生多条谱线。右侧的图里面，标示了n=1,2,3„„，这里n代表了电子层，我用红圈标示了四种跃迁，这四种跃迁就是上面可见光区对应的四条谱线，通过这个你是否能看出来，它为什么会产生四条谱线？你来说说。

学生：跨越的电子层数不一样。

老师：你说下这四条谱线都是怎么跃迁的呢？

学生：第一条是从第三层跃迁到第二层，第二条是从第四层跃迁到第二层。老师：所以氢原子只有一个电子，但是在被激发以后它的不同原子的电子可以跳到不同能层上，不同能层再往回跃迁的时候，就辐射不同的能量。科学家玻尔也是依据以上事实和分析，最早提出了原子核外电子是分层排布的。这也就是原子量子化的最初说法。到现在，我们用来描述电子能量大小已经不是这一个量子数了，我们把它称为主量子数，当它取值不同的时候，就具有不同的能层。在我们同学探究和明白了氢原子的光谱以后，我们再选一种大家熟悉的原子。比如说Na原子，大家想想Na原子的光谱应该是怎样的？这幅图上面一幅就是Na的光谱图，看看跟你们想的一样么？那你就对比这个氢原子光谱和Na原子光谱，你看看有哪些异同？同时对于这幅图，你有哪些疑问？

主持人：王老师你好，看完刚才的案例，你能不能从教学的角度进行点评。王秀忠：对于这个问题，老师们可能都有自己的看法。比如老师认为教学目的就是玻尔模型的建立，我可以把玻尔模型直接呈现出来，它有三个要点，既快又准，还能够节约时间。像刚才的教学设计当中，王老师设计的一个案例。她是从光谱引出了波尔模型，针对这种情况来说，它会多消耗一些时间。我们静下心来想想，这两种处理方式，哪一种更好呢？更容易在学生那里落实到能力的培养。我么可以直接给出结论，但是孩子们要这个结论有什么用。而在实际教学过程中，我们要让学生知道这些结果是怎样出来的。将来遇到一些陌生问题的时候，他们应该怎样思考。我们可以引导学生，玻尔为什么会提出一种量子化的模型，他实际上是在一种不得以的情况下提出的，他要解释这种光谱现象。这是化学一种非常重要的发展模式和思维模式，这起到了很好的教育意义。

赵和林：正如刚才王老师所说的那样，原子结构教学中的确存在一些问题。一方面是直接给知识，不给过程，忽略了原子的能量观。为什么在教学过程中要体现过程和能量观？我应该从这几个方面来认识：第一，作为新课程，要求包含了三维目标，既要有知识技能，又要有过程方法，还要有情感态度价值观，如果我们的教学设计光体现知识的结构，那么这样的话很难展现它的过程方法，和对学生情感态度价值观的教育。原子结构这个知识体现了对学生思维方法的教育，而思维方法最大的敌人是结论，结论如果给得太快或者说不清楚过程而直接给出结论，那么必然成为思维的敌人。从知识的产生角度来讲，任何知识都是动态的，由其产生过程、发展变化过程。我们通常只注意知识的结果，而忽略知识的产生和发展的过程。光有知识的结果而没有知识的过程，学生难以体会到知识的意义和价值，那么不会对化学产生本质的一种兴趣。从教育意义上，我们也无法做到三维目标的意义，也难以培养学生的创新精神，学生也感受不到科学家创造过程，而在创造过程当中体现的是科学方法、科学态度和科学精神。所以，我们非常赞同王老师的课堂设计，她是要展现过程的，不仅仅是告诉玻尔的原子模型。两外一个，在体现光谱教学的过程当中，也体现了原子的能量观，这种能量观对今后的学习是非常有价值和意义的。比如元素的性质、电离能的大小，及其变化规律与原子结构的能量观有密切的关系。化学键的形成，元素周期表的结构也与能量观有密切的关系，再说到物质的宏观结构、晶体结构，比如晶体结构的成因，以及晶体结构的性质，比如晶格能等等，也与能量观密切相关。所以能量观在高中化学3中师很重要的观念。在原子结构这里就开始体现能量观，应该说老师是很有思想的。

4、专家释疑

主持人：我们接下来把这个讨论进一步拉回到学科概念当中。在这个教学片断当中以及在我们对原子结构教学当中，体现了量子化的思想，对于什么是量子和什么是量子化，我们很多老师是存在许多模糊的认识的。李老师你能不能给我们解释一下什么是量子和什么是量子化？

李宗和：微观粒子和宏观粒子的运动是不一样的。微观粒子能够体现出粒子性和波动性，在波粒二象性这个方面体现得很明显。这时候微粒的运动状态和宏观物质的差别很大，它的运动状态的变化伴随着物理量的变化，物理量的变化是不连续的。比如说，微观粒子运动的时候能量的变化是不连续的，角动量的变化是不连续的。这种物理量不连续的变化的最小单位就叫量子。一系列物理量的不连续变化就叫量子化。比如说状态的变化使能量一次次变化，这些变化不连续，那它就是能量量子化；角动量的一系列变化是不连续的，就叫角动量量子化。其实我们现实生活当中，这种不连续的状况是经常变化的，比如说上个台阶，它就是量子化的，每个台阶的高度就是一个量子。再比如说，人民币也有一个最小的单位，这个最小单位是一分钱，这个一分钱就是一个量子。比如太阳光是由一系列光子组成的，每个小的光子的能量都不一样，一个光子就是一个量子。

主持人：对于原子结构认识而言，量子化是一个非常重要的概念。在这个模型发展的过程中，通过光谱玻尔提出他的模型，通过光谱的分裂来说明能量的量子化。如何通过玻尔模型进一步发展，如果借助光谱的证据再进一步发展原子结构模型呢？我们来观看一个教学的片段。

5、赵和林老师教学片断及专家分析

赵和林：玻尔理论只是解决了氢原子光谱的问题，我们不能只拿一个电子的原子光谱来说明它就是完全正确的，还要经受其它实验的考验。我们来看多电子光谱对玻尔理论提出的挑战。看屏幕，对于氢原子电子从n=4的电子层跃迁到n=3的电子层时会有一条谱线，但是，对于多电子而言（如Na）电子从n=4的电子层跃迁到n=3的电子层时会出现多条谱线。玻尔理论能不能解释多电子原子的光谱实验呢？这个光谱多条谱线的背后，又隐藏着什么样的信息呢？我们应该用什么样的手段来探寻这后面的秘密呢？这些都是给我们提出来的问题，我们这节课就要来研究研究这样的问题。我想大家都想知道这谱线背后的秘密。请大家交流：多电子原子中的电子从nx→ny产生多条谱线的可能原因？请提出你的假说。我也希望同学们也走走前面科学家走过的道路。四个同学作为一个小组进行讨论6-7分钟，然后请小组代表发言。

学生：我认为时同一层电子之间的能量具有差异，因而产生多条谱线，很有可能电子对电子有影响，假说可能是电子层里面含有小电子层，每一层电子之间具有差异。

老师：你们这组来说说。

学生:我认为电子与电子存在一定的相互作用，还有就是电子层之间还有小的电子层，3和3,4和4是不一样的。

老师：怎么理解3和3,4和4是不一样的？

学生：同样是第三层存在能量的要求，第四层也存在能量的差异。老师：你们再来说说。

学生：我们跟他们的意见差不多，电子的第三层和第四层可以往下继续细分，比它小的电子层的能量都不一样，所以可以产生很多谱线。第二就是，多电子的电子与电子之间存在相互作用，造成谱线更多。老师：你们再来说说。

学生：电子每一层都是不一样的，每个层中的每个电子都是不一样的，具有的能量都是不同的，这可能也是造成谱线多的原因。还有就是，每层中可能有更细的分层。

老师：我们来总结下。首先的话，我觉得大家都能找到一个关系，就是谱线和能量的关系，以前我们认识原子核外电子没有能量观，但是经过上节课的学习能够用能量观来认识电子。那也就是说每一条谱线对应一定的能量，一种电子跃迁，这样多条谱线就对应了多种能量差，也反映了电子的多种跃迁。刚才大家都提到了同一电子层中的电子的能量可能不相同，存在能量的细分。还有他们有很贵的一点，还抓住了对比，一个是一个电子还有一个是多个电子，认识到了电子与电子之间相互的影响，可能造成同一电子层里的电子的能量有差异。实际上，这种差异是存在的。玻尔模型之所以能够解释氢原子光谱是不是因为氢原子简单啊？不存在多电子的相互作用。看来多电子原子的确对玻尔模型提出了挑战。我们就来想一个问题，既然电子能级的细分能够来解释多电子的情况，而这种细分也反映了多电子原子中电子的运动的区域。那么我们就要考虑了，用玻尔模型中一个量子数n还能不能很好地表征这种能量的细分。因此，玻尔模型经不起多电子原子的挑战，就退出了历史舞台。20世纪20年代新建立起来的量子力学理论在玻尔模型的理论基础上完全遵循了微观粒子所具备的特点，那就是微观粒子具有波粒二象性。而宏观物体主要表现粒子性。

主持人：刚才我们看到了赵老师关于模型进一步发展的教学片断。赵老师，你给我们介绍下你自己是怎样进行教学设计的？你在设计这个教学案例的时候有哪些思考？

赵和林：在这么一个教学案例的设计中，我首先考虑了这几个方面。第一就是，在现在的教学中存在一些问题。比如，第一，重结果轻过程，忽视光谱实验在原子结构产生过程中的意义，不能在过程中体现实验、模型的科学方法。我们在众多的教学课例当中可以看到原子结构的课堂教学有时萎缩为1到36号元素基态原子核外电子排布的教学。那么这样的原因，有的老师会想高考不考，那么高考考核什么，我们就讲什么。高考考核的是1到36号元素基态原子核外电子排布或者价电子排布，那么我就只讲这样的排布模型。让学生记住排布模型，就可以完成考试的要求。第二个问题就是有时候对核外电子运动规律的教学有时候过于科普化，这样的科普化不能带来对电子运动的真正理解，使学生无法摆脱学生对原子结构层的认识。这样就容易使学生失去迁移和理解的价值，所以原子结构的教学内容要体现量子化的思想，又在不能介绍波动方程的前提下，要重视实验这条途径，从光谱实验出发，帮助学生揭示电子运动的能量观，提升学生的认识能力和水平。正是基于这样的思想，我设计了从玻尔模型建构到量子力学模型建构的过程，在玻尔模型的建构过程中，有科学实验、假说和模型，那么是光谱实验反映了原子结构的一定特征。有了光谱实验以后，光谱实验反映出核外电子排布的一个模型，那么玻尔是怎样解决的呢？他提出了一个解说，这样的假说是用量子化的假说，并且用一个量子数n来表征能量的量子化。一方面得出了电子量子化的模型，一方面也解释了氢原子光谱问题。但是，玻尔的话呢，他的原子结构模型不能解释多电子光谱实验。多电子原子反映出来的光谱现象更为复杂，这样就促使学生来思考，为什么对多电子原子来讲从一条轨道跃迁到另一条轨道会产生多条谱线。这样的话，是不是也反映着原子的特点，反映着电子运动的特点。那么说光谱实验同样也是在反映原子结构的特征，特别是核外电子运动的特点。这样的话，玻尔的一个量子数就无法圆满地解决这样的问题，这样就引出20世纪20年代量子力学的诞生。那么量子力学的诞生，促使产生更多的量子数。更多的量子数就可以用来表征电子层能量的细分。电子层能量的细分进而解释多电子原子的光谱问题。所以在实验、假说和模型这样三个维度里边，由于实验反映了原子结构，又用假说合理地解释了结构和光谱，那么这个过程就体现了原子结构建构过程中的能量观。这样的能量观是通过实验、假说和模型三维互动来实验的，并不是直接告诉学生能量观。我通过这样的教学设计，让学生的认识能力得到提高，真正认识到能量观的价值和意义。

王秀忠：赵老师的这个教学设计，我觉得整个设计充分考虑了学生的认知发展。再一个，确实体现了人类认识原子机构的逻辑顺序。这个地方我们首先是通过光谱发现了问题，比如在玻尔那里也是，他不是主动的提出这个观念，而是遇到了问题，发现氢原子的光谱是线状而不是连续的，而去解释这样的问题，从而提出了假说，这样的假说被证实，形成一种模型。而这种模型只是解释了氢原子光谱是一种线状光谱，而没有去深化解释复杂的，包括氢在内。而这些现象的存在又督促人类对这个问题的认识更进一步的深化，赵老师在这个课上提出来了，也就是量子力学的结构模型。这既遵守了学生的认知发展，又遵循了人类对这个问题的认识顺序。我认为是非常好的。

主持人：在刚才的两个案例当中，我们看到证据和假说之间的关系，体现了假说之间的发展，那么在历史发展的当中，也就呈现了课上所说的玻尔模型和量子力学模型。我这里回到学科概念上，想请问李老师，您能不能给我们介绍一下这两种模型在发展前后，它的概念和模型的主要差异是什么呢？

李宗和：玻尔模型是从氢原子光谱提出来的，然后为了解释氢原子光谱的事实，提出了这样一个概念。光谱是分级的，是不连续的，就必然要涉及到一种轨道，电子在这样的一个运动状态下是一个能量，在另外一个状态下是另外的能量。能量的不连续性就设计出来了，这种设计完全是认为的。但是这种设计又不能解释很多的原子光谱，比如氢原子光谱的复杂性，也不能解释其他原子的光谱现象。还想按照经典力学的观点去讨论问题，低粒子运动的轨道，任何物质运动都有轨道，还是按照这个想法去走，都有一个轨迹。因此后来就有索末菲的经典理论，又提出来什么椭圆轨道，圆的轨道啊，各种各样的原子轨道，然后再继续解释问题。最后在完全碰壁的情况下，人们才想到走另外一条路，因为科学的发展不是非得直线行进，它有可能从另外一个分支，另外一个思想，另外一个角度来研究和发现这个问题。人们发现了光具有波粒二象性，那么电子也有波粒二象性，是不是在想，在研究物质是不是具有普遍规律，是不是都具有波性和粒子性。有的为什么波性突出，有的粒子性突出，那就再研究一下，所谓的粒子性是指物质本身的重量、体积和其他物质的相互作用，它就体现出了。波性呢，是指在传播的过程中遇到一些小的狭缝出现了干涉现象和衍射现象，绕射等等。研究后人们就发现，比如像电子它具有一定的粒子性，要形成波性就要创造一种条件，这种条件需要一种细小的狭缝。只有一些体积比较小，运动速度比较快的物质通过狭缝的时候才显示波性。原子和分子中的电子，质量比较小，运动速度高，运动的区域也很小，它的粒子性和波动性就完全体现出来了。于是人们从这种思路中建立了量子力学模型。用这种模型虽然没有去研究氢原子光谱，也没有研究多电子光谱，也没研究其他光谱，但是用它却解决了氢原子、多电子光谱。在思维的过程中，可能遇到各种各样的问题，所以不要死走到底。

6、学科知识的理解误区及释疑

主持人：这样是不是说，科学家的认识经历了一个非常大的变革。从经典的宏观的物体的有规律的有形的行动作为类比，然后又从波动的角度进行思考，它涉及到一种认识方式的转变。我想像刚才李老师所说的，从波动性的角度来理解微观粒子的运动状态，对我们而言是非常困难的，在我们的理解过程当中，也肯定会有很多的困扰，存在一系列认识上的误区。王老师能不能给我们介绍一下，通常我们在理解这个问题上我们存在哪些误区？

王秀忠：量子力学中涉及到的轨道跟玻尔模型中的轨道容易混淆，认为是一回事，这些在我们教学活动中可能存在，这些在我们的学生中也可能存在。因为它是一个词表示出来的，可代表的含义可能不一样。比如体现原子结构的电子云问题，电子云中的小黑点到底代表了什么含义？有的老师可能就认为代表了一个电子，还有的进一步的话，认为是电子曾经出现过的位置，等等这些都存在认识上的误区。我们想作为老师来引导学生进行学习的时候，存在如何回避的问题。

赵和林：刚才王老师谈到了中学生在认识原子核外电子运动的一些误区，应该说核外电子运动的特点是原子结构教学最核心的部分。而这个最核心的部分是由两部分构成的，一个方面是构建学生的能量观，另一个方面就是学生要用一种微观的、统计的思想、概率的思想来认识核外电子的运动特点。因为是从宏观到微观，所以涉及到了人的认识方式的转变，我们实际上因为微观粒子的运动特点，微观粒子运动特别快，远远又看不见，所以我们通常看到的是宏观物体的运动特点。那我们自然而然的，在学习微观粒子的特点的时候，就用认识宏观物体的方式来认识微观粒子的运动特点。那么这样的话就在轨道、连续等等认识观上存在误差。在一项关于高中生使用教材以后，核外电子运动状态的相关概念的研究中发现，有百分之六十多的学生认为共用电子对就是对特定电子存在于两个原子核之间，它不会到别的地方去。多达百分之七十的学生认为对电子的运动状态有强烈的轨道观念，认为电子总是沿着某种固定轨迹周期性运动的，那么日常生活中，物质的运动总是会形成轨道的经验被广泛运用到微观世界当中。从科学的发展来看，从卢瑟福模型到玻尔模型，到量子力学模型，这样的发展是个革命性的变化。特别是量子化思想的提出，这在当年对许多科学家来说都是难以理解的，因此这样的教学在学生的心目中产生这样或那样的问题，这是正常的。但是我们的教学的核心是什么呢，就是在必修的基础上，在学生错误认识的基础上，转变学生的旧有观念，树立较为科学的观念。

主持人：感谢二位给我们分享了教学中常见的一些错误认识，也调查了学生存在的一些错误概念。我们把两个问题分开来讨论，一个是我们应该给学生建立怎样的认识和观念，这可能是存在教学难度的，因为考虑到学生当前的水平，他能接受到什么样的程度。再一个，作为老师，我们自己应该怎样去看待原子的相关概念，我们自己应该怎样去理解。接下来我跟各位老师一起来分享一个调查结果。这个结果很有意思，使我们针对4000多名中学老师做的一个调查，是通过网络的形式的调查，然后它反映出对于原子结构我们自己怎么去理解原子结构，就有很多的有意思的想法和结论。那我么来一起看一下这个调查。我们的问题式这样设置的，给出的第一个问题是：原子的形状是什么样的，是球形对称的吗？A.是（22.07%），B.不是（77.57%）。第二个问题：选择上述选项的理由是？A.电子在核外做圆周运动（7.51%）；B.圆周运动的轨道可以有不同的取向（19.24%）；

C.有的电子轨道是正圆的，有的是椭圆的（7.25%）；D.电子运动用波动方程描述，像波一样振动（22.69%）；F.以上皆不对（8.63%）；G.说不清楚（11.62）。针对这个问题，李老师能不能给我们以指导。

李宗和：既然在原子当中、分子当中，电子的波动性显得突出，因此我们不能用准确的位置跟动量来描述，我们就用一个函数来表示，这个函数就是波函数，来表达它自己的运动方式。对于任何一个单个粒子的用波函数来表示的就叫轨道。所以说在那么小的范围内，速度又快，又具有波动性，干涉和衍射现象非常强，它不可能在一个小的轨迹上做运动。这种运动情况下，我们用轨道来描述，而不是轨迹。轨迹是指某一个时间就对应一个位置，而轨道呢，是指运动状态是怎样的。是不是把这样两个概念建立起来后，老师们就好了，学生也就慢慢明白了。

主持人：那我接着在追问你一个操作性的问题，比如说我们在提到了轨道的能量是量子化的，这样就有各种各样的图示来表示轨道的能量。比如说有的图示里s轨道和p轨道的能量是相同的，有的图里又是不同的，那我们又如何去理解这样的轨道能级图，以及氢原子和多电子原子的能级顺序是完全一样的么？以及能量是完全一样的么？

李宗和：不一样，原因在什么地方呢？氢原子一个电子，一个核。它是两个微粒间的相互作用，没有第三者参加。而多电子原子当中，或者分子当中，它就变了，电子之间有相互干扰，和单个电子相比，它就要综合考虑三体问题，这就跟两个不一样了。它的能量肯定会发生变化。原子轨道的定义是这样的，把原子中的每一个电子看成在核和其他电子平均作用下进行运动的。分子轨道也是一样定义的。

主持人：刚才您的介绍，我们就可以体会到一些宏观的类比是存在问题的，比如把轨道想象成能量确定的一些台阶，这个就确定了，不同的原子，电子数不同，就依次填充在确定的能量台阶里面，就像我们的楼梯一样，那么这样的理解是存在问题的。

李宗和：不管是1s轨道中的电子，还是2s中的电子，还是2p中的电子还是其他层的电子，他们都有可能在整个分子中运动。测不准嘛，只不过是在某个区域内出现的几率大或者小，比如1s在靠核的区域出现的几率大一点，它并不等于在其他位置不出现。比如2p吧，在1s这个位置吧，也出现，在2s、3d的地方也出现。测不准就是只知道它出现的几率，而不知道它确切的位置。任何一个电子的运动都充满了真个空间，不管是在s轨道、p轨道还是d轨道，都是充满了整个空间，仅仅是在某个区域出现的几率大，某个区域出现的几率小而已。

主持人：在使用能级的图示的时候，我看到有的图示表示s跟p的能量是一样的，有的又不是一样的。那么这样的图示是针对什么样的原子呢？

李宗和：对于氢原子来说，氢原子无论是在什么s轨道、p轨道、d轨道，在n相同的轨道上它的能量都相同。那也就是说，氢原子的2s、2px、2py、2pz的轨道能量都相同，所以电子出现的几率应该是各自都相同。就氢原子来说3s、3p、3d这样的几个轨道的能量也都相同。

主持人：这样我们就不难理解，如果我们讲单电子运动特点，讲氢原子的能级图，如果主量子数n相同，那么这些轨道的能量就是相同的，当引入多电子之后，电子之间的相互

2影响，能级就会发生裂分。

赵和林：所以从实验光谱的角度来看，为什么氢原子光谱非常的简单，而多电子原子的光谱相对就要复杂。而玻尔的研究首先也是从氢原子这样一个简单的光谱入手的。

主持人：这样从整个系统来看待原子。尽管我们解析的时候把模型进行简化，把它拆分成各种不同的轨道，每个轨道填充多少电子，但是它实际上是一个整体的体系。

王秀忠：这个跟物化上体系和环境类似，我选取这个对象为研究对象的时候，其他的都作为环境来考虑。

主持人：既然你谈到体系的问题，我想接着再追问李老师。比如我们在教学中涉及到电离能的问题，涉及到哪个电子先被电离出来，我们会简单的看做是电子填充在不同的能量阶梯上，能量高的就先电离出来。那么电离能就相当于那个轨道的能量。对于这个问题我们应该怎样看呢？

李宗和：其实电离能相当于被电离电子所在能量的负值。电离的时候，哪个先电离出来，靠什么呢？靠你外界打它，看你打什么，你用多大能量就能打出相应能级的电子，所以现在有紫外光电谱，还有一个sps光电能谱，我就打2s、2p和1s，不打其他的，电离的就是它。

赵和林：李老师，中学教学里边还有这样一个问题。有的老师会认为到，在讲到基态原子电子排布的问题，比如第四周期，我们先排的是4s轨道的电子，然后再排3d轨道的电子，那么这个电子在电离的时候失去，它又是怎样的一个顺序呢？

王秀忠：我插一句，刚才魏老师提到了这个问题，对于排布，我们的理解不一定是正确的，这种排布不是人为排布的，但是现在我们的理解是人为的排布。电子在里边存在的每一种状态是客观存在的，不是我们假想的时候，一个个塞进去的，先排1s，再排2s。

李宗和：一定要弄清这个问题，它是最外层电子排布，比如说，我有两个电子，排了1s，排了2s，第三个电子排谁呢，先进了两个之后，再说第三个，说的是最外层电子排布。并不是所有电子的排布顺序都是这个顺序。

主持人：也就是说假如新的电子之后，整个体系的微粒数增加了，它会对整个顺序产生影响。

李宗和：所以你在排布电子的时候试这么来填的。书上一再讲最外层电子的排布顺序是怎么怎么样的，这是根据什么呢？一方面是根据，现在能根据计算，以前都是根据光谱实验来完成的。

赵和林：认识这个电子的排布与电离能，都要有一个系统观，不能局部去认识。主持人：在刚才那个题目当中，我去掉了一个选项，我把这个选项补充出来展示给各位老师。刚才那个题目：原子的形状是什么样的，是球形对称的吗？选不是的比是的要多出很多。去掉的选项是这样的，E.p轨道的形状为“哑铃”形，叠在一起不是球对称（22.69%）。我们又做了进一步的调查，对于2p轨道电子，若图中的红色曲线表示电子概率密度（电子出现的机会大小）相等的线（类似于地理上的等高线）。您认为以下图形哪个可能更正确？

A 17.31% B 7.15% C 64.23% D.以上皆不对（1.98%）E.说不清楚（8.97%）。针对这个调查，李老师您给我们解析下这三个图形具体表达了什么样的含义，以及p轨道之间是什么样的关系，到底原子是不是球对称的？

李宗和：A是就电子分布几率来说的，A图对。B图是角度分布图，是用角函数做出来的，C图是用角函数的平方做出来的。对于一个电子的出现几率来说，应该是一个整体的，包括两部分，一部分是径向部分，一部分是角度部分，而且是整个的平方，即波函数的平方。所以A对。

主持人：这样我们看来，我们用这个图形，它其实是有一个界面的。我们来看下是不是可以用其他的模型来表达p轨道之间的关系。在这里，我展示了另外一种表达的方式，请大家看屏幕，左边表达了s轨道是一个球对称的，我们看到它的电子云分布没有一个截然的界面，抽象出来用一个实线表示。右边是p轨道的电子云分布，我们也用实线表示，可以看到在实线的内部出现的机会是比较大的，在线的外部出现的机会会小很多，但是不代表电子只出现在线内部或者沿着线运动。通过这两种电子云的表达方式，我们再把不同的轨道叠加在一起，我们看看它能形成什么样的形状。这个小点的图是1s轨道的电子云的图形表示，可以看出1s轨道是呈球形对称的，然后2s也是球形对称的，但是2s的半径会比1s大很多。我们接着看2p，2p就有取向了，它的半径跟2s比较相近，但是是有取向的。但看一个p轨道是不呈球形对称的。如果把两个p轨道叠加在一起就形成了轮胎的形状。如果垂直与直面还有第三个p轨道，三个p轨道叠加在一起，就是一个球形结构了。我们在接着看，3s也是球形对称的。3p是有取向的，另外一个3p也是有取向的，两个3p加在一起是轮胎形状，如果加上第三个3p轨道，也应该是球形对称的。那么在几个图形当中，我们通过s和p轨道的叠加，都说明了电子在核外的分布是球形分布的。那我再问下李老师，在我们看到的图形当中有d轨道图形，d轨道的花瓣就更多了，而且有5个d轨道，这5个轨道如果我们要让它叠加在一起的话，它也是球形对称的吗？

李宗和：肯定是。

主持人：那我接着再问您一个问题，在这个模型当中，我们用小点表示了电子云，表示了电子分布的一个情况，这样在我们的教材当中也会给学生呈现电子云的图形，也会呈现电子轨道的图形，那么我们应该如何理解电子云模型呢？它的这个点是什么含义呢？

李宗和：什么是电子云呢？原来的概念是这么说的，电子云是几率密度的一种表示方法，几率密度大的地方我们把点弄多点，几率小的地方我们把点弄少点，黑点多是说明电子在这个地方出现的几率密度大，黑点是代表几率密度的，而不是代表电子本身。用黑点表示出电子出现的几率之后，像空中的云，所以人们取名为电子云。

赵和林：那李老师，我想提一个问题。现在的教科书上都有电子云图和原子轨道图。这两个图有什么样的物理意义，在今后的使用当中应该如何使用。比如化学键，我们是应该看成原子轨道的组合，还是电子云的重叠？

李宗和：好。第一个要讲的，什么是轨道呢，是电子的运动状态，它具有波动性，就不能用位置和动量来描述，用波函数来描述，现在我们画的轨道图，是那个波函数的函数值，是波函数的函数图象，并不是电子运动的函数图象。几率密度也一样，是波函数绝对值的平方的图象，一定把这个问题跟另外的一个问题分开了。第二个要讲的是，在形成化学键的时候，电子是在轨道上运动的，你用什么来描述呢？你得用波函数来描述它。在研究化学键和分子形成的时候，说的是轨道的重叠，这种重叠还有一个特性，如果是相同符号的重叠，它的波动性增加，如果是相反符号的重叠，它的波动性减小或者相互抵消。在波动性增加的地方形成化学键，在波动性减小的地方不能形成化学键。对于两个轨道相互重叠，重叠之后有一个重叠积分，这个重叠积分的绝对值的平方就是电子出现的几率密度。

主持人：您提到了不确定性，提到了用波函数来进行描述，我想每位老师都想知道科学发展到今天，到底电子是怎么运动的？现在的科学进展有哪些新的结论么？

王秀忠：我们想知道它有没有一个真实的运动的轨迹。能不能表达？

李宗和：就现在来说，我们不能准确说有还是没有，今天提出的量子力学模型解决了绝大部分实验事实，不仅能解释实验事实，还能预见实验事实，具有绝大部分的合理性。是不是还有不合理的地方呢？这也有可能，我们算的能量未必就跟实验相符，那还有待于人们新的观察，新的认识，新的探讨。不要以为到了今天，量子理论就非常完备了，是不是还有其它的？是，还有，比如英国有个应变量理论，它说就能找到轨迹。还有多宇宙理论，平行宇宙，哪个对都要靠实验来验证。

主持人：这也反映了科学的魅力所在，也是科学教育的魅力所在。科学教育不是告诉学生科学家很伟大，解决了很多问题，而是对一个未知的世界提出各种各样的猜想。这些猜想会遇到各种挑战和问题。我们的孩子如果能知道这些，就会去探索未知的奥秘。在前面分析的案例当中，我们就是从光谱的案例当中来进行引入和讨论，作为认识原子结构的证据，来建立原子结构模型。但是很多老师在教学过程当中，很多老师都会让学生用一个图像来进行分析，图像也是比较的抽象和困难。我们能不能用形象化的手段，实验的手段来表示呢？我们一起来分享一个案例。

7、王澜获奖的教学片断及专家分析

王澜：欢迎大家进入物质结构与性质模块选修阶段的学习。我们今天上第一节原子结构，在学习这个之前，我们先来复习以前对原子结构有哪些认识。比如说以Na原子为例，我们通常用这种原子结构模型认识图表示Na原子结构认识图，我想问下这个原子结构认识图表示了Na原子怎样的结构？

学生：电子层是3层。

王澜：也就是说电子是分层排布的。每层的能量是否相同？ 学生：不同。

王澜：离核近的电子能量低，离核远的电子能量高。电子是静止的么？ 学生：不是。

王澜：那是怎么样的呢？ 学生：绕核高速运动。王澜：那2、8、1是什么意思？ 学生：每个电子层上的电子数。

王澜：必修阶段我们学习过卢瑟福α粒子散射实验，他提出了行星模型，那么现在就有这么一个问题呢，那是什么原因使科学家在卢瑟福模型的基础上提出了电子分层排布的呢？回顾历史我们发现，光对我们研究研究原子结构提供了非常多的信息。19世纪中叶，科学家们发现很多物质喷洒在火焰上会发出不同颜色的光，我今天把三种盐溶解在乙醇溶液当中，然后喷洒在酒精灯上。大家来看下现象，这个是硫酸铜，看下现象，有绿色的火焰；这个是氯化钠的乙醇溶液，应该是黄色的颜色；这个是硝酸锶的乙醇溶液，红色的火焰。这是大家非常熟悉的焰色反应。必修阶段我们就学过焰色反应，我们用焰色反应干什么呢？

学生：鉴别物质。王澜：当时科学家却把焰色反应当做是连接宏观物质和微观物质的桥梁，那大家想一想科学家是怎样将这两者建立起联系的呢？大家前后讨论一下。我们请这位女生回答下。

学生：不同颜色的光，它的能量是不一样的。

王澜：这位女生告诉我们，物理课上已经学过不同颜色的光，能量是不一样的。继续。学生：向外辐射的能量也是不一样的。

王澜：也就是说原子发光是向外辐射能量，根据能量守恒，那么它自己的能量应该降低。也就是说它降低的能量是不一样的。连接两者的是能量的不同变化。我们看，从科学上怎样表示这一过程，我们一般认为，原子在通常状况下能量处于能量较低的状态，在火焰中，原子吸收热，进入能量较高的状态，能量高的电子不稳定，会回到能量较低的状态。这个过程中，能量就会以特定颜色光的形式释放出来。既然我们知道光的颜色和能量对应，那我们能不能通过光的颜色来判断二者之间的能量差。平时我们看到的一种颜色的光真的只对应一种能量么？不一定，比如说，太阳光发出的白光，经过三棱镜可以得到七彩的光谱，那我们怎么分析今天焰色反应得到的光呢？现在我给大家介绍一种自制的简易分光镜，大家拿着光盘对着光看的时候会有七彩的光谱，是因为光盘能起到与三棱镜相类似的作用。用这个仪器对着灯光看就可以看到分光之后的图象。通过摄像头，图象就可以显示在电脑里边。用这个装置分析下刚才的焰色反应。先看氯化钠的，大家看到了什么？一条或者两条明亮的黄线。再换一下硝酸锶的溶液，可以看到多条红色的线。大家看看刚才拍摄的图象，图象都是由多条分裂的线构成的。那么一条线就代表一种能量，多条线就代表多条能量，我们就在这里添加多条能量的状态。核外的电子能够处于这几个能量状态，就像是图中的小人，这个小人可以站在任何台阶之上，我们就称为能量的量子化。20世纪初，玻尔认为核外电子在核外以一定半径绕核做圆周运动，当它从一个轨道进入另一个轨道的时候，就会吸收或者释放特定能量的光，这就是著名的玻尔模型。玻尔模型的电子层是用能级来划分的，所以称这些电子层为能层。玻尔模型也有它的问题，它解释的光谱是有限的，它只能解释单电子原子。科学家又提出量子力学的理论，成为我们认识原子模型的工具。它认为电子的运动是不确定的，没有确定的轨迹，只能用电子云来表示。电子云小点密集的地方，电子出现的概率大，小点稀疏的地方，电子出现的概率小。根据量子力学，我们可以解释很多很多的实验现象。但是直到2009年乌克兰科学家才帮助人类检测到单电子原子运动的图象。如果说电子云代表了电子运动的无序性，那么光谱告诉我们电子能量的有序性。光谱是我们做的实验事实，而电子云模型呢，也已经通过实验验证了。那二者之间的矛盾应该如何调和呢？我们类比一下，通过能量量子化，把电子云也拆分成能量不同的能层。能。通过量子力学的计算，比如通过这个电子云可以拆分成这两个能量不同的电子云，这两个能量不同的能层形成的电子云叠加起来就是我们刚才看到的电子云。我们结合现在能层的概念再来理解一下Na原子结构模型，这一个个半径表示的还是能级，但是跟玻尔的却不一样了，它是一个概率分布的。我们来回顾一下刚才的研究过程，焰色反应到线状光谱，再到量子化的猜想，进而建立了玻尔模型，玻尔模型被量子力学模型取代。谢谢。

王秀忠：在教学设计当中有些环节是不是需要，应不应该出现，还是取决于它的功能价值。最终的教学目的是有价值的，并且这种操作是比容易实现的，我觉得还是可以尽量采用。如果在教学过程中可以弱化的话，可以归结为一种桥梁作用，迈过去就可以，那么是不是必须采用这种方式，那也是根据老师自己的情况来决定的。

赵和林：刚才王澜老师谈到了，对于光谱这样一个素材的使用。对于光谱素材的使用，我想谈论如下几点。第一，原子光谱实验的复杂性，有吸收光谱和发射光谱，电子跃迁有时候还存在跃迁禁阻的问题。中学教材中大都给的是发射光谱，那么我们在教学中应该怎样面对？我觉得，第一，我们不要再给光谱分类，不讨论光谱仪的实验原理和跃迁禁阻的问题，这些问题在教学中都要回避。我们只要求学生了解最核心的部分，即光谱上的线可以表征光的能量，线条的连续则是能量连续，线条不连续则是量子化，那么能量从高能量的轨道跃迁回低能量的轨道而来的。玻尔模型说电子是在能量确定的轨道上运动的，所以说光谱的背后隐藏了原子结构的秘密。在连续光谱和线状光谱中，教材都有出现，我们应该重视线状光谱的解读，得到的是能量的量子化，不用刻意去探讨经典电磁理论和电子稳定与不稳定的情况。在选修这个模块的时候，物理上这个模块还没有进行，所以在选用光谱的时候要尽量简化，体现其最核心的部分。

8、学科知识释疑

主持人：也就是看我们最核心的教学目标是什么。如果我们期望让学生体会到认识发展过程当中，它是有一个证据的，那我们就把这个证据凸显出来。如果期望学生建立这样的一个概念，并把这个概念当做后续发展的前提，关注这个概念本身就可以弱化光谱。所以我们的讨论是给老师呈现各种各样的教学可能，供老师进行选择。我给各位老师展示一下教学案中的装置，用硬纸做成的盒子，常见的光盘上是有刻痕的，刻痕就起到了光栅作用。把光盘插进盒子里面，可见光透过狭缝，通过视窗就可以看见光谱的图象。这样我们是通过肉眼来查看光谱。这个仪器是能够自制的。把这个装置跟照相机结合就可以接到计算机里面，通过大屏幕展示给学生，可以让效果更加直观。拓展资源里有关于如何制作这些实验装置。我们也可以把这样的教学活动安放到学生的课外探究活动中去，跟其他活动整合。回到核心概念的建构上，很多老师在讲量子化的概念时，很多老师肯定会提量子数。量子数也是一个比较抽象数学的概念，有不同的取值，到底它是什么含义呢？李老师给我们解释一下。

李宗和：比如说一个宇航员从北京出发，去发射中心做飞船上天。首先坐汽车去机场，然后坐飞机到发射中心。这样就经过不同的阶段，在做汽车的时候肯定有一个速度，飞机的时候也有，飞船的时候也有。三个速度放在一起，就标志而来宇航员的运动状态。我们把这样的三个数叫量子数。比如表示能量的量子数n表示在不同的运动状态下，n不同，它的能量就不同。角量子数表示电子在不同的运动状态下有不同的角动量。磁量子数呢，就表示角动量在磁场方向上的分量。可以这样简单理解量子数。

主持人：那1/2是什么含义呢？

李宗和：你说的是自旋量子数。自旋量子数说的是一种运动状态，是在哪里区分开的呢？是在实验当中把它分开的，比如Na原子光谱，经过一个磁场的时候就分开了，左右两边各一个，具有对称性，一个正一个负。正负二分之一是在实践当中总结出来的。磁量子数m有不同的取值，是为了满足数学上某些边界条件而提出的，实际上它也确实是这样的。跟外磁场相互作用的时候，在磁场方向上的角动量大小已经分成了几部分，计算之后跟实际结果一样。所以不要去追问为什么，因为有些是数学结果，有的是实验结果，有些是实验结果和数学结果完全吻合之后确定下来的。

主持人：关于量子数在教学的实施过程当中，王老师和赵老师有什么样的观点？以及你们是在教学当中是怎么处理的呢？

王秀忠：现在存在一种争议：在高中化学教学中，量子数究竟要不要。在新课改开始的时候，就有过争议。所以老师们要自己取舍，自己做出选择。

赵和林：量子数讲起来会有一定的难度，但是会提升学生的理解力，以及后续概念的理解力。不讲的话会减小学生的学习难度，但是也削弱了学生对原子结构的理解力。对出不出量子数，我是这样认为的。我们先对原子结构的认识层次划分五点。第一，认识到微观粒子的运动状态不同与宏观物质，描述方式也不同，可以用统计概率来认识电子的运动状态，也就是电子云；第二，电子层是电子活动的区域，不是现实中有半径的现实轨道，根据能量电子层还可以细分；第三，量子数标记这电子的运动状态；第四，量子数是由波动方程解得的一组数据，量子数之间存在一定的关系。第五，能够写出波动方程，并利用数学知识求解。对于基础不好的学生，可以不出现量子数，但是要保留量子化的思想，通过通俗易懂的语言让学生接受。区分高中和大学学生应该达到的水平。鲁科版从2010年取消了量子数，但是仍然保持了量子数的物理意义，量子化的思想以及能级这样的概念，这也是一种处理方式。这既降低了学生的学习难度，又和大学所要达到的水平有所区分，又不影响后续教学。

李宗和：你们说的对，应该根据学生的实际情况。看你教学达到的目标来确定。这四个量子数对于化学反应的发生、化学键的形成等等相当有用。比如你想把周期表解释清楚，你就必须把量子数的取值范围解释清楚。一切都看实际情况来确定。

赵和林：所带学生的基础好，就可以讲解量子数。如果学生的基础不好，我们就可以退而求其次。

李宗和：我谈谈主量子数n，在氢原子中，它决定能量。在多电子原子中，n只起标号的作用，能量是由n和l共同决定的。不能把氢原子的情况套到多电子原子上，也不能把多电子原子套到氢原子上，因为里边有多电子的干扰。我再谈谈能级的概念，它是指能量量子化后的能量值。能层是人为的规定方式，把n相同的轨道规定为一个能层。电离能和氧化值容易混淆，比如说一氧化碳，碳的氧化值是+2，并不能说碳的氧化值是+2，它就打掉了2个电子，有些书上把这个的多样性解释为电离能的多样性，这是错误的。氧化值是形式上的一种能量，是人为规定的，必须把电子给电负性强的，并不是把电子真的给了电负性强的。再说亲和能，电离能是等于轨道能量的负值，并不等于说亲和能就是空轨道的能量。对于电负性，很多老师不强调电负性本身的含义，一句带过。要讲清电负性的相对性和使用电负性的环境。

9、专家给教学建议

主持人：最后请王老师给我们提点关于原子结构教学的建议。

王秀忠：在讲这个知识时，我们要首先明确课标的要求，它要求了解核外电子的运动状态，知道电子在一定条件下可以跃迁，了解简单运用。对这几句话，我们要有个解读。对于具体的知识点，学生应该了解原子结构模型的发展过程，不仅仅是知识上的，更是认识思维上的：每个模型为什么会出现，又为什么会被否定？将来我们的认识特点是怎样的？再有一个就关注玻尔模型的基本观点和量子力学模型的基本观点。以原子结构模型的发展历程为背景，结合咱们的一些栏目，引出玻尔的原子模型，这里边很重要的一个就是光谱。光谱就是一个桥梁作用。我的观点是简洁地展示原子结构各种模型产生的背景，和否定以及被改进的原因，简单引入光谱的介绍，通过一个栏目进行设计符合原子结构要求的模型。这个可能是在卢瑟福模型的基础上提出来玻尔模型的。这个观点，我在课上是让学生去思考的，卢瑟福的结构模型是这样的，现在的问题摆出来了，光谱显示不是连续的，而是线状的。让学生先去思考怎样解释，难度可能很大。让学生却体会这个过程，当结果出来时，学生就会有一个对比。我们评价玻尔的原子结构的模型，也可以抛给学生，同时给学生铺设一些台阶。最后引出量子力学的结构。提醒给位老师，这节的知识线索是怎样的，还要充分考虑学生的认识线索，从而形成我们的教学设计。还有深广度的控制，根据我们实际情况进行穿插。

主持人：如何理解和教授这些概念存在各种争议，我们花了这么大的精力来讨论这些问题，并不是经过我们的研讨就把教学给解释清楚了，我想最重要的是发现其中的教学问题，提供给老师可以借鉴的素材。下面的更大的空间就交给老师去设计了，这也是高中选修模块留给老师们的空间。谢谢！附录：

1、作业

选取本专题涉及的一个学科概念，结合视频学习并通过进一步研读大学教材或查找资料，谈谈你对这个概念有哪些新的认识。

2、拓展资源 ①原子结构与假说

②为不同能力倾向学生科学素养的发展奠定基础——高中化学选修课程内容分析及教学建议(续)③为不同能力倾向学生科学素养的发展奠定基础——高中化学选修课程内容分析及教学建议(待续)④乳山一中-基态原子的核外电子排布-教学案例 ⑤简易高分辨分光镜的制作

⑥高中化学新课程《物质结构与性质》选修模块学科问题访谈录——访北京师范大学化学学院结构化学专家李宗和教授

⑦高中化学教材的研究和编制——人教版《物质结构与性质》疑难探析

⑧从促进学生科学素养发展的视角研究高中化学新课程教材——北师大“新世纪”(山东科技版)选修模块教材《物质结构与性质》的分析 ⑨波耳轨道贡献

专题5 原子结构 篇2

例1 同位素示踪法可以研究化学反应进程。用18O标记的乙酸CH3CO18OH可以表明在酯化反应中羧酸失去羟基。有关18O的叙述正确的是（ ）

A. 该原子质子数为18

B. 该原子所含中子数与19F相同

C. 该原子电子数为10

D. 该原子与16O互为同位素

解析 在原子中，各微粒之间满足一定的数量关系。由于原子呈电中性，故质子数＝核外电子数。具有相同质子数，不同中子数（或不同质量数）的元素的不同核素互为同位素，18O质量数A＝18，质子数Z＝8，中子数N＝18-8＝10，19F中子数N＝19-9＝10。答案：BD。

点评 注意原子表示方法中的左上角符号与左下角符号的具体含义以及原子中微粒相互之间的关系。

考点2 离子组成、半径比较

例 2 已知1~18号元素的离子aXm+、bYn-，其电子层结构相同，则下列说法不正确的是（ ）

A. a-m=b+n B. a>b

C. 原子半径：X>Y D. 离子半径：aXm+>bYn-

解析 短周期中，离子形成途径为：金属原子失电子形成阳离子aX[失去me-]aXm+，非金属原子得电子形成阴离子bY[得到ne-]bYn－，两者电子层结构相同，在周期表中位置：[ YX ]。故有a-m=b+n，质子数：a>b，原子半径：X>Y，离子半径：aXm+

点评 注意离子中各微粒间关系。半径比较的一般规则：①电子层数不同的，电子层数越大，半径越大；如Cl>F，K +>Na+，Cl->F-。②若电子层数相同，则核电荷数越大，半径越小；如Na>S，O2->F ->Na+。③若电子层数和核电荷数都相同，则电子数越多，半径越大；如Cl->Cl。④特殊情况如，原子半径：Li>Cl。

考点3 同位素、相对原子质量

例3 元素周期表中ⅠA族R元素有mR′和nR″两种天然同位素， R′和R″的相对原子质量分别为a和b，R元素中R′和R″原子的百分组成分别为x和y，则下列说法不正确的是（ ）

A. m与a近似相等

B. nR″原子质量是一个碳-12原子质量的[b12]

C. R的相对原子质量为ay+bx

D. R的碳酸氢盐相对分子质量为ax+by+61

解析 原子质量集中在原子核，近似等于质子与中子质量之和。某同位素原子的相对原子质量，是以碳-12原子质量的[112]作为标准，该原子的真实质量跟一个碳-12原子质量的[112]的比值。某种元素的相对原子质量，是按各种天然同位素原子所占的一定百分比算出来的平均值。根据题给信息，R元素有两种同位素，其（平均）相对原子质量为（ax+by）。根据ⅠA族元素R的碳酸氢盐的化学式为RHCO3，求得其相对分子质量。答案：C。

点评 掌握同位素的概念，并与同素异形体、同分异构体相区别。

考点4 核外电子排布

例4 A原子的L电子层比B原子的L电子层少3个电子，B原子核外的电子总数比A原子电子总数多5个。则A、B可能是什么元素？

解析 核外电子排布由内到外逐层排列，在1~20号元素的原子核外电子排布中，K层最多2个，L层最多8个，M层排布8个。B比A多5个电子，L层只比A多3个，说明还有两个电子排在M层，所以L层有8个电子。

设x为A原子的L电子层电子数，依题意，A,B两原子的电子层结构是：

[&K&L&M&A&2&x&0&B&2&x+3&2&]

由核外电子排布规律，x+3＝8，x＝5。所以A为氮，B为镁。

点评 牢记1~20号元素原子的原子结构示意图，并能利用电子排布规律分析其他原子的核外电子排布方式。

【专题训练】

1. 贫铀弹是弹芯用贫铀合金制成的炮弹或炸弹。贫铀是从金属铀中提炼出核材料铀235以后得到的副产品，其主要成分是不具放射性的23892U，故称贫化铀，简称贫铀。贫铀弹爆炸后产生的放射性微粒对水源和土壤造成污染。下列关于23892U说法正确的是（ ）

A. 中子数是92

B. 质量数为238

C. 铀元素的相对原子质量为238

D. 铀235与铀238互为同素异形体

[+49] [2 8 18 18 3]2. 张青莲是我国著名的化学家。1991年，他准确测得In的相对原子质量为114.818，被国际原子量委员会采用为新的标准值。这是原子量表中首次采用我国测定的相对原子质量值。已知In的原子结构如图所示，则下列关于In的说法不正确的是（ ）

A．In为长周期元素

B．In为过渡元素

C．In原子中有49个中子

D．In在反应中容易失电子

3. 短周期的三种元素X、Y和Z，已知X元素的原子在短周期中原子半径最大，Y元素的原子比Z元素的原子多8个电子，Y元素的原子次外层电子数与其他电子层电子数总和相等。则这三种元素所组成的化合物的化学式不可能是（ ）

A．X2YZ4 B．X2Y2Z4 C．X2YZ3 D．X2Y2Z3

4. 已知短周期元素的离子，aA2+、bB+、cC3-、dD-都具有相同的电子层结构，则下列叙述正确的是（ ）

A. 原子半径：A＞B＞D＞C

B. 质子数：d＞c＞b＞a

C. 离子半径：C＞D＞B＞A

D. 单质的还原性：A＞B＞D＞C

5. 某元素的一种同位素的原子的质子数为m，中子数为n，则下列说法正确的是（ ）

A. 不能由此确定该元素的相对原子质量

B. 这种元素的相对原子质量为(m+n)

C. 若12C原子质量为w g，此原子的质量为(m+n)w g

D. 核内中子的总质量小于质子的总质量

6. 某元素原子的质量数为A，它的离子Xn+核外有y个电子，w g这种元素的原子核内的中子数约为（ ）

A．[A(A-y+n)wmol] B．[w(A+y-n)Amol]

C．[w(A-y+n)Amol] D．[w(A-y-n)Amol]

7. 下列有关叙述中，正确的是（ ）

A. 根据主族元素的原子序数，可以确定其中子数

B. OH-中电子数大于质子数且质子数大于中子数

C. 发生氧化还原反应有可能使一种元素的阳离子转化为另一种元素的阴离子

D. 质子数等于电子数的某种粒子，可能是一种分子或一种离子

8．利用短周期元素A、B合成一种硬度大、熔点高的物质X，已知A原子核外最外层电子数为a，次外层电子数为b，B元素最外层电子数为a-b，内层电子数为2a，则该化合物的化学式可表示为（ ）

A．BA B．A2B C．B3A2 D．AB2

9．已知，同位素化学性质几乎完全相同。标准状况下，将一定量重水蒸气通入足量Na218O2中，充分反应后，收集到标准状况下氧气2.24 L。

（1）转移电子 mol，生成氧气的摩尔质量为 ；（2）固体增重 。

10．第4周期的A、B、C、D四种主族元素，其原子序数按A、B、C、D顺序增大，已知A和B元素原子的次外层电子数为8；C元素原子次外层电子数是最外层电子数的3倍。请推断：

（1）写出元素名称：A 、B 、C 、D ；

（2）D的簡单离子是 ；

（3）最高价氧化物水化物碱性最强的是 ；

（4）B原子与D原子间形成化合物的化学式为 。

11．短周期的三种元素X、Y、Z，原子序数依次变小，原子核外电子层数之和是5，X元素原子最外层上的电子数是Y和Z两元素原子最外层上的电子数的总和；Y元素原子的最外层上的电子数是它的电子层数的两倍，X与Z可以形成XZ3的化合物，请回答：

（1）X的原子结构示意图是 ，Y的元素符号是 ；

（2）XZ3化合物的空间构型是 ；

（3）Y的最高价氧化物水化物的结构简式是 ；X的最高价氧化物具有强氧化性，一定条件下可与XZ3作用生成X的单质，方程式为 。

12．A、B、C、D、E、F均为短周期主族元素，且原子序数依次增大。A、D元素同主族，A原子与B原子的质子数之和等于C原子的质子数，A+与C2-的核外电子数之和等于D+的核外电子数，A、B、C原子的核外电子数之和等于E原子的核外电子数。请回答以下问题：

（1）由A、B、C三种元素可组成一种常见离子化合物，该物质的化学式为 ；

（2）A元素与C元素可形成化合物甲和乙，甲的水溶液呈弱酸性，则甲的电子式为 ；

（3）D、E元素可组成化合物丙，向丙的水溶液中滴入甲的水溶液，溶液变浑浊，该反应的离子方程式为 ；

原子结构与元素的性质教案 篇3

教学目标：

1、知识与技能：初步掌握元素的性质与原子结构的关系、初步学会总结元素的性质递变规律的能力。

2、过程与方法：自主学习、归纳总结同主族元素的性质；自主探究元素性质与原子结构关系以及同主族性质递变规律。

3、情感态度与价值观：逐步养成勤于思考，勇于探究的科学品质，培养理论联系实际的科学观念和科学态度；树立事物变化是量变引起质变的辨证唯物主义观点。

教学重点、难点：

元素周期表中同主族元素性质与原子结构的关系、及同主族元素性质的递变规律。

教学方法：

引导——探究——实验。

教学过程：

[引入] 元素周期中，为什么把Li、Na、K等元素编在一个族呢？它们的原子结构和性质有什么联系呢？请同学们打开课本第5页，填写第5页的表格，探究碱金属的原子结构。

[投影] 课本第五页表格

[板书]

1、碱金属元素（1）原子结构

[ 师 ] 你能发现碱金属元素原子结构的共同和不同之处吗？

[ 生 ] 讨论总结

①原子的最外层电子数相同,一个电子；

②原子的电子层数逐渐增多；

③原子的核电荷数逐渐增多；

④原子半径逐渐增大。

[过渡] 我们已经知道碱金属元素原子结构上有相似和不同，那么它们的性质如何呢？是否也有相似和不同呢？

[演示] 演示钾与氧气的反应。

[学生] 观察现象，并对比钠与氧气反应的现象。

[总结] ①都熔化成银（银白）色小球，但钾先燃烧；

②颜色不同；

③钠、钾都易和氧气反应，钾比钠反应剧烈，钾更 易与氧气反应。

[演示] 演示钾与水反应的实验

[学生] 对比钠、钾和H2O反应，现象有哪些相似和不同？得出怎样的结论？ [总结] 浮、熔、游、响、红；K轻微爆炸；钠、钾都易和水反应，钾比钠反应剧烈。

[思考] 通过实验我们知道钠和钾都能和O2、H2O等反应，在反应中Na、K失电子表示出还原性，但钾更易发生反应。碱金属性质为什么会相似呢？又为什么有不同呢？你认为元素的性质与它们的原子结构有关系吗？

[讨论板书]（2）化学性质

①碱金属元素原子的最外层电子数相同、均为一个电子，它们化学性质相似；

②它们都能与O2等非金属单质及水反应，产物中均显+1价。

③不同：随着核电荷数增加，它们的电子层数增多，原子核对最外层电子的引力减弱，所以它们的化学性质也有差异。Li→Cs越来越活泼，金属性增强。

[教师] 碱金属在化学性质上有相似和不同。它们的物理性质又怎样呢？是否也有相似和不同，根据书本第7页的表，归纳碱金属的物理性质及变化规律。

[学生] 阅读课本第七页表格，并总结。

除铯外都是银白色、质软；密度都很小，从Li到Cs由大趋小（K例外）。熔点低，且熔沸点Li→Cs由高→低。

[过渡] 通过以上探究，我们知道碱金属元素的性质和原子结构有着密切的关系。其它主族的元素情况如何呢？请分析卤素的原子结构，结合已学过的Cl2的性质，试着推测卤素在化学性质上的相似性和不同之处。

[学生] 根据课本第七页图示，在教师引导下讨论。

[归纳] 相同：碱金属原子的最外层电子数相同，它们的化学性质有相似之处，卤族元素原子的最外层电子数也相同，所以它们的化学性质也有相似之处。Cl2是强氧化剂，可以和金属H2、H2O反应。F2、Br2、I2应该也是氧化剂，也可以和金属、H2、H2O等反应。

不同：碱金属原子结构也有不同之处，核电荷数不同，原子半径不等，导致了性质不同。F、Br、I原子结构也有与Cl原子结构不同之处，因此F2、Br2、I2的性质与Cl2也有不同之处。

Li→Cs，r↑F↓越来越容易先电子。卤素与之相似，F→I，r↑F↓先电子能力增强，得电子能力减弱。F2，Cl2，Br2，I2氧化性减弱。

[教师] 同学们分析得很有道理，理论推测是否正确呢？如何验证呢？实践是检验真理的标准。化学研究必须以实验为依据。

在初中里我们是根据怎样的实验事实来比较金属的活动性即还原性强弱的呢？非金属单质氧化性的强弱用怎样的实验事实来说明呢？

[学生] 通过金属与盐溶液的置换反应比较金属还原性的强弱

[教师] 我们可以通过卤素间的置换反应，比较卤素氧化性的强弱

[实验] 课本第八页实验1-1。

观察现象，完成化学方程式

[教师] 通过以上实验，你得出什么结论？与先前推测是否一致？

[板书] 2.卤族元素

卤素单质的氧化性：F2＞Cl2＞Br2＞I2

[讲解] 根据非金属单质与氢气的反应，也是我们研究非金属单质氧化性强弱的常用方法，请同学们看课本第8页，卤素单质与氢气的反应，比较反应条件和气态氢化物的稳定性，从中可以得出什么结论。

[学生] 阅读第八页内容并总结。

[板书] 从F2→I2，与氢气反应越来越难，气态氢化物稳定性逐渐减弱。

卤素单质的氧化性：F2＞Cl2＞Br2＞I2 [教师] 碱金属元素的物理性质有一定的相似和变化规律，卤素单质的物理性质又如何呢？

[学生] 看课本第8页资料卡片，认真分析资料，总结变化规律。

[总结] F2→I2单质的颜色逐渐加深，F2→I2密度逐渐增大，熔点、沸点逐渐升高。

[总结] 通过比较碱金属单质与O2、H2O的反应以及卤素单质与H2反应，卤素单质间的置换反应，我们可以看出：元素性质和和原子结构密切关系，与原子核外电子排布，特别是最外层电子数有关。通过研究其他主族也有类似情况。原子结构相似的一族元素，它们在化学性质上表现出相似性和递变性。

[板书] 在周期表中，同主族元素从上到下原子核外电子层数依次增多，原子半径逐渐增大，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱。所以，金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。

《原子的核式结构》教学设计 篇4

一、教材分析

“原子的核式结构”是高中原子物理的重要内容，传统的教学设计虽然也能让学生掌握原子的核式结构内容，但不难看出传统教学模式仍为“师传生受”，学生还是被动地接收知识，即使学会了，也不能算会学，无法让学生体会建立模型研究物理问题的方法，理解物理模型的演化及其在物理学发展过程中的作用。面对新课程改革的要求，为营造一个让学生自主学习的良好环境，本人结合平时的实践，对本节内容采用通过让学生小组讨论：用汤姆生的葡萄干布丁模型能否解释ɑ粒子散射实验现象，一步一步得出卢瑟福的原子核式结构模型，在教学中虽然不能进行真实的实验，但同样处处渗透着新课程理念的科学探究思想，从而利于提高学生的逻辑推理能力，观察能力，有利用培养学生勇于攀登科学高峰，不怕苦、不怕累的科学精神，这种通过让学生自己动眼观察、动脑思考，引导他们自己获取知识，不仅活跃了课堂气氛，还发展了学生的思维能力和创新能力。本节课的设计旨在追寻前人的足迹，通过对粒子散射实验分析，从而否定汤姆孙的原子模型，建立卢瑟福的原子核式结构模型。让学生了解在科学研究中，科学家们通过对实验事实的分析，提出模型或假说，这些模型或假说又在实验中经受检验，正确的被肯定，经不起检验的被否定，在新的基础上再提出新的假说。科学的研究这样螺旋上升和不断深入发展的。

内容分析

粒子散射实验和原子核式结构的内容是本节教学重点。其中粒子散射实验是常用的获取微观世界信息的方法，在原子结构的研究中有非常重要的作用，以后的质子和中子的发现都与粒子散射实验有关。本节对于原子核式结构的建立，粒子散射实验更是起到决定性的作用，所以重点在于对粒子散射实验观察、现象的分析以及从现象中猜测合理的结构。

“原子的核式结构”是高中原子物理的重要内容，除了让学生掌握原子的核式结构内容，让学生体会建立模型研究物理问题的方法，理解物理模型的演化也很重要。通过让学生小组讨论：用汤姆生的枣糕模型能否解释ɑ粒子散射实验现象，一步一步得出卢瑟福的原子核式结构模型，在教学中虽然不能进行真实的实验，但同样处处渗透着新课程理念的科学探究思想，从而利于提高学生的逻辑推理能力和分析能力。

学情分析

对于原子的结构其实学生早已经知道，初中的物理、化学中都已经清楚。所以原子结构如何不是本节课要教授的目的，如何从粒子散射实验现象中得出合理的原子结构模型才是本节要关注的重点。前面光的波动性、光的粒子性的学习使学生对于从现象找本质，建模型或假说的过程已不再陌生，所以对学生进行适当的引导、提问即可理解原子核式结构模型。前一节学习了电子的发现过程，学生已经知道原子是有结构的，那么结构如何分布呢？

超常重力与类原子结构 篇5

按照万有引力的计算，金星的质量比地球质量小，其表面的重力也比地球小，形成如此大的气压是奇怪的。而且，气压大到如此程度，材质较轻的探测器如果有一定的密封空间就会因巨大的浮力浮在大气层中，很难下潜到这个“气海”之底，因而是不会撞到金星的固态表面上去的。

金星神秘的大气压必然与重力有关，金星表面存在着超常重力这是毋庸置疑的。也就是说，其电场力要比地球的电场力大得多。随着人类对宇宙的探索，结论很快就会出来。

由于金星是逆向自转，可以判断其热压电效应已经结束，现处于电子回流阶段，不过，金星的磁极没有发生反转，而是自转方向发生了变化。

关于水星，人类大部分的了解来自美国的一艘无人飞船——“水手10”号。“水手10”号是目前第一个、同时也是唯一一个接近水星的航天器。它于1974年和1975年三次飞近水星。“水手10”号航天器在第一次飞近水星时经过水星阴面，它的电视摄像机从700千米左右的高空对这颗行星进行了观察。它发回的图像使人类首次看到了这颗位于太阳系最深处的行星。这些图像表明水星看上去和我们的月球十分相似。“水手10”号三次飞近水星，拍下了这颗行星大约一半面积的照片。照片表明，水星表面有成千上万个古老的圆坑，也可以叫做环形山。有些环形山很大，直径达数百千米。

水星的密度很大。天文学家们相信这一点可以由水星具有巨大的核心来加以解释，它构成了整个行星的75%。核心的外面只有一层由岩石构成的薄薄的外壳。“水手10”号还发现，水星有一个很弱的磁场，尽管天文学家们此前没有期望能在这颗行星上发现任何磁场。但是，这似乎并没有什么可以奇怪的，真正奇怪的是，“水手10”号发现水星周围有一层薄薄的大气，其中包含氦气、氢气和氧气，这让人百思不得其解。

在地球的重力场中，氢气和氦气这两种气体根本不受重力约束，并不会以单质形态存在，它们会从地表一直上升，直到远离地球而去。

以前人们总认为，这是太阳的光和热造成物质分子的热运动，使分子热运动达到了逃逸速度。可是，靠近太阳的水星表面存在大量的较轻的元素，这却是很奇怪的。

与地球相比，水星受到的光和热更多，分子热运动将更加激烈，水星上的氢、氦等元素为什么不逸散呢？比地球小得多且与太阳非常接近的水星竟能保留那么多的轻元素，分子热运动显然不是地球大气中氢、氦逃逸的原因。

事实上，单个的电子在重力场中其受力方向并不是向下的，也就是说它受到的是反重力。在量子物理学中，电子的静止质量是根据“荷质比”的方法测定的，而它在电磁场中的受力方向总与质子的受力方向相反。在自然界中，由于没有人能把一个电子放到天平上称量一下看它有多重，所以对电子的受力问题没有人注意它的方向。

电子受热（吸能）以后，它会围绕原子核做高速的圆周运动，这会使原子核完全笼罩在一层电子云之中。当这层电子云的负电场屏蔽掉中心正电场的对外作用时，整个原子与重力的排斥作用就会增强，一些本来较轻的原子核重量就会减弱或消失，因而不再受重力约束，在电子的“挟持”中向宇宙中逸散。

所以说，电子热运动才是轻元素逃逸的根本原因。

在水星上，轻元素不能逃逸的原因，正是因为水星存在着比金星更强的电场，它的重力更加强大，任何气体分子都不能挣脱。