对“能级”一节的教学探讨|能级
时间：2019-02-02 03:18:12 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：本文概述了玻尔理论的发展过程和基本内容，分析了教材中对“能级”一节各知识点的处理。对本节知识的教学方法，教材的分析、利用，难点的突破，以及在教学中遇到的困难等进行了探讨，并对本节知识教学方法的改进，以及如何突破本节的教学难点提出了建议。
关键词：玻尔理论；能级；跃迁；光谱
中图分类号：G633.7
文献标识码：A
文章编号：1003-6148(2008)1(S)-0014-3
1 “能级”的来历――玻尔理论
19世纪，人们已经知道物质是由原子组成。1911年E.卢瑟福提出原子核式模型，这一模型与经典物理理论之间存在着尖锐矛盾。按照经典物理理论会得出原子将不断辐射能量而不可能稳定存在的结论；原子发射连续谱，而不是实际上的离散谱线。玻尔着眼于原子的稳定性，吸取了M.普朗克、A.爱因斯坦的量子概念，于1913年考虑氢原子中电子圆形轨道运动，提出原子结构的玻尔理论。
1.1 玻尔的假设
理论的两条基本假设是：①定态假设：原子系统中存在具有确定能量的定态，原子处于定态时，电子绕核运动不辐射也不吸收能量。原子的定态可通过经典力学和角动量量子化条件得出。②跃迁假设：原子系统从一个定态过渡到另一个定态，伴随着光辐射量子的发射和吸收。
1.2 玻尔理论对氢原子光谱的解释
玻尔由基本假设出发，计算出氢原子的轨道半径和能量公式如下：
氢原子的轨道半径为
可见，氢原子的轨道半径和能量都不是连续的，即是量子化的。
把这种量子化的能量值称为原子能级（简称能级）。当氢原子由一个能级跃迁到另一能级时，就产生一条谱线。玻尔的计算结果与实验数据符合的很好。
1.3 玻尔理论的成功及局限性
玻尔理论对氢原子光谱的解释获得了很大的成功，在原子理论和量子力学的发展过程中起到了很大的作用。然而，玻尔只考虑了电子绕原子核的运动，实际上分子、原子、电子、原子核的运动是相当复杂的。所以玻尔理论对复杂的碱金属光谱就难以解释，对谱线的强度、色散现象、偏振等问题更无法处理。直到1926年，薛定谔等人建立了量子力学，人们才对微观粒子的运动规律有了更全面、深刻的认识。
2 教材对玻尔理论内容的处理
本章“量子论初步”分五节。第一、二节介绍光的波粒二象性，初步接触量子化、二象性、概率波等概念，第三节介绍能级概念，第四节介绍物质波的概念，第五节介绍不确定关系。
第三节“能级”分以下几部分讲述：
①引入：简述有核模型与经典物理理论之间的矛盾，玻尔理论提出的科学历史背景；
②玻尔理论的内容介绍和评判：介绍轨道量子化的概念和定态假设的内容，分析玻尔理论的成功和局限性；
③能级：提出能级、基态、激发态、电离的概念；
④光子的发射和吸收：讲述玻尔理论跃迁假设的内容，介绍能级图以及跃迁公式；
⑤“原子光谱”部分：介绍氢原子光谱，分析玻尔理论对氢原子光谱的解释。
3 教学中对教材的利用和改进
我认为在教学中应把教材中那些过时的，远离学生实际的材料、知识舍弃。对教材中主干知识和体现物理方法的内容，针对重点、难点，结合学生实际，结合物理学、科技的新发展花大力气进行拓展延伸。使学生能熟练地理解、掌握这些基本概念，基本规律和方法。对于非主干知识的拓展，只限于科普式的介绍一些最新的、正确的观点、材料，只要求学生知道是什么，不要求知道为什么，更不用介绍技术和操作的细节，起到扩大学生知识面和视野的作用即可。特别是在这个信息时代，应让学生用有限的时间和精力去高效的学习正确、有用的知识，而不是探索、重复前人的错误。应该吸收其优秀成果，走捷径去继承并加以发展。
3.1 关于“量子”
本节课整篇围绕“量子化”展开，可在全文却没有给出“量子”的概念或解释。“量子”一词来源于拉丁文，原意是“分立的部分”或“数量”。所谓量子或量子化，本质是不连续性。在宏观领域中，这种量子化（或不连续性）相对宏观尺度极微小，完全可以忽略不计。我认为，在接触玻尔理论之前搞清楚“量子”含义，对本节内容的理解有很大帮助。
3.2 引入部分
教材指出，根据卢瑟福原子模型和经典电磁理论推出原子应当不稳定和辐射电磁波的频率是连续的这一结论与实验事实相矛盾。可以让学生体会到，正是这个矛盾，推动了能量量子化理论的提出，促进了量子力学的建立和发展，从而达到对学生进行辩证唯物论、认识论和方法论的教育目的。教学中可让学生阅读自主学习。
3.3 玻尔理论的内容介绍和评判部分
教材中将玻尔的“定态假说”称为“原子结构假说”。按照经典电磁理论，原子应是不稳定的，但实际情况不是这样，这一点，教材并未强调，原因是学生过去并没有“做加速运动的带电粒子要辐射能量”这样的认识。相应地，教材也没有提到玻尔理论中“定态”这个概念。讲到轨道量子化的时候，教材重点描述了“量子化”，有意淡化了“轨道”，没有采用过去教材中常用的以同心圆代表氢原子轨道的插图。这样做，避免了强化轨道的图景。为了使学生更深刻理解玻尔理论的这部分内容，我让学生总结，这些假设解决了经典电磁理论和卢瑟福原子模型的哪些矛盾？学生在逐条对比中加深认识。
然而在下面的类比分析中，教材还是用了地球和人造卫星这个例子。它确实可以帮助学生理解原子状态的不连续性，但也更容易使学生产生电子做匀速圆周运动的错误认识，也在无形中强化了“轨道”的概念。所以在教学中有必要对学生解释，经典的理论在这里已经不再适用，其实氢原子中的电子是没有轨道的，电子在原子中运动的“轨道”这样的说法，表达的只是一种可能性。
3.4 “能级”和“光子的发射和吸收”部分
主要讲解玻尔理论中“跃迁假设”的内容。教材突出了最有积极意义的能量量子化的观点，舍去了能级公式的推导和计算，直接给出了氢原子的能级图和一些可能的能量值，可能的跃迁方式。这样做就是为了提高学生的学习效率，体现课改和素质教育的精神。在一些习题中还会看到关于能级公式的计算，我认为应该大胆舍弃。高考考察的重点是能级跃迁的规律，这部分内容应当做适当的拓展。
原子跃迁是一个比较难理解的知识点。在教学中，我先讲授了跃迁的概念及跃迁公式hν=E�m-E�n，让学生阅读教材，然后请他们例举生活中与原子跃迁相似的事件，交流他们对此知识点的理解。学生举出了非常好的例子：能级就好比台阶，原子跃迁就好比一个人在跳台阶。人可以从上跳到下，也可以从下跳到上，可以跳一级，也可以跳多级，但是不可能跳到某两级之间。向上跳相当于原子由低能级向高能级跃迁，跳的台阶越多，需要的能量就越大，如果上跳时具有的能量在到达二级与三级之间，他就无法到达第三级台阶而是落在第二阶上。这样一个类比，形象生动地描述了原子跃迁的过程，很容易突破了难点。但它也有一个缺点，生活中的台阶大多是高度一致的，而能级图中每两个能级的差是逐级递减的。目前还没找到更合适的例子，我就让学生记住这个区别。
3.5 “原子光谱”部分
玻尔理论的一个重要贡献就是正确解释了氢原子光谱。教材中“原子光谱”这部分内容也可以看成是玻尔理论的应用。可以围绕几个问题展开：
①能量量子化的观点怎样解释原子光谱是线状光谱？
②为什么各元素的原子光谱不同？
③为什么可以用光谱分析确定样品中有哪些元素？
④光谱分析有什么优越性？光谱分析在现代科学，如地质、冶金、石油、生物医学、地球化学、材料和环境科学等各个领域内获得了广泛应用。可向学生做简单介绍，使其了解物理在科技进步以及社会发展中发挥的重要作用。
4 有待解决的问题
一些学生在学完整章会有这样的烦恼：“学完能级，对原子结构有了清晰的认识，但是学了物质波，看了氢原子的电子云好像又变得糊涂了。”其实，对电子等微观粒子，由于不能用确定的坐标描述他们在原子中的位置，因此，电子在原子中运动的“轨道”这样的说法其实是没有意义的。电子云表示的是电子在原子核各个位置出现的概率。
我想学生之所以会有这样的疑惑，是因为学习能级这节中“轨道量子化”时留下了错误的前概念。这部分内容建立在卢瑟福的核式结构模型之上，本身就是不完善的，教材出现它的目的应该是为“能量量子化”做准备。
这块“鸡肋”，舍掉，学生该如何理解能级？不舍，错误概念又怎样消除呢？
参考文献：
［1］杨福家.原子物理学.北京：高等教育出版社，1991
［2］戴剑锋.物理发展与科技进步.北京：化学工业出版社，2005
(栏目编辑 赵保钢)
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