理科教师首先要有创造精神

2009年教师节前夕,温总理到北京35中看望师生并听课,上午听完5节课后,下午召开座谈会。他发言时指出,我们的教育还“不适应国家人才培养的要求”,主要表现在“实践能力和创造精神还比较缺乏”。教育大计,以教师为本,而要培养学生的创造精神,教师自己,包括中学和中专学校的教师,首先要有创造精神。那下面结合个人的经历,谈点粗浅的体会。

1 不畏艰险 向科学家学习

众所周知,任何宏观物质都是由原子直接或间接组成的。而原子内有核子(质子和中子)外有电子。某原子质子和电子的个数,和它们在元素周期表中的原子序数相等,如1号氢原子其质子数和电子数皆为1;8号氧原子其质子、电子数皆为8等等。现在要问,除氢原子外的多电子原子,其核外的电子是乱七八糟在核外杂处的,还是分层有序排列呢?

1958年秋至1959年夏,笔者正在北京地质学院夜大学学习无机化学,给我们授课的是张黯教授,他在讲原子核外电子的排布规律时,首先指出电子是分层排布的,分层的依据取决于该电子的能值,而电子的能值只取决于其主量子数n(也可称为电子层数)和副(角)量子数l(也可称为亚层数)。而电子的能值是可以简单估算的。接着他介绍了北京大学徐光宪教授的经验式:

E=n+0.7(E为该电子的相对能值,下同)

徐教授的论文发表在1956年的《化学学报》上,让我们去学习。

徐教授在论文中首先指出它的计算式,是在苏联学者克契柯夫斯基1953年提出的“n+l”的基础上改进的。“克”学者的功绩是破天荒地使核外电子有了顺序;不足是该经验式过于粗略,如把第二能层新增加的一个亚层(2p)的能值估算的,和第三能层最低的E3s等高,均是3.0.在此基础上,徐教授给亚层数l打了一个“折扣”,加了个“0.7”的系数,于是有了上述他的新的计算式,可见学术研究也不是那么太神秘的。按新式计算的2p亚层的能值为2.7,的确低于E3s。

其次,徐教授还事实求是地指出,按新式计算的相对能值仍有两处与光谱实验的数据不尽符合。

1958年是我党提出“解放思想,敢想敢干”的年代,再加上笔者在北京地质学院礼堂刚听了李四光部长一个学术报告的鼓舞,22岁的我就“敢想”了一翻,难道徐教授提出的新公式,不可以改进得更符合光谱实验数据吗?笔者所以敢这样想,还因为那时正在读北大另一名教授傅鹰先生的著作,他大意说,“实验数据才是判定理论正确与否的最高法庭”。既然徐教授的公式仍有两处与光谱实验数据不符合,为什么不可以改进得使之符合呢?

学术探究光靠敢想那是远远不够的,关键是要“善想”,要思路对头,走求异思维和发散思维的路子。毛主席曾说,“我并不比别人聪明,但是我懂得辩证法”。用以矛盾论为核心的辩证法指导自己的学术研究,就是善想。同“克”学者和徐教授一样,笔者也首先肯定主量子数n的决定性作用。而对亚层l的作用作了科学地半定量的分析,光谱实验的大量数据表明,l越大,其对电子能值得影响就飞速加大。如l为1的p亚层,其相对能值仍被禁锢在同层内,而l为2的3d亚层,其能值就闯进了第四能层;l为3的4f亚层其能值竟超越第五能层,闯进了第六能层。这种随l梯级增大,相对能值加速上升的铁的事实,让笔者直观地感悟到:亚层号对能值的影响似和l并不成一次方的直线关系;然而和l也不成平方的关系,若按平方计算,E值又偏大了。亚层l对能值的影响很可能是成一次方和平方间的、中介方次的关系,即更复杂的曲线关系。于是笔者设计了几个方案,逐一进行试算比较,很快发现用“l32”方,即自乘3次开平方能使电子能值的计算更趋近光谱实验的数据。

还有一个问题徐教授的论文没有过多涉及,光谱实验中把具有相近能值的电子能级,可合并为一个近似能级组,举个简单的例子来说,E2p是和第二能层还是和第三能层合并为一个近似能级组呢?按“克”学者公式的计算,其能值和E3s等高,自然应和第三能层合并。按徐教授的公式计算,其能值和二层的“窗户顶高”约略,离第三能层近而和第二能层的E2s远,好像也应和E3s合并为一个近似能级组。然而E2p的实际高度只约略等于二层一个讲台顶面的高度,光谱实验的数据也正是把它和第二能层的E2s合并为一个近似能级组的。可见“克”学者和徐教授的有关计算值都偏大了。具体地说,即使在徐教授的计算式中,l前的系数也不应选0.7,似应选一个小于0.5的值……。

问题自然比上述简单类比要复杂得多。如上述提到的3d亚层,其能值高于E4s,然而也仅仅是稍高而已。打个比方,它的相对高度仅相当于四层教室讲台台阶的高度,然而“克”学者又算成了和E5s等高,徐教授式算成了4.4,约略和该层“讲台顶”等高,都又偏大了。这也正是徐教授承认的与光谱实验有两个大偏差的实例之一。

综上,一个既合乎光谱实验数据,又能消除徐教授式中两处与实验数据不合的,新的电子组级计算式就被优选出来了:

 E=n+0.4l32

可能会有人担心新式选用l32,会使计算失去简明性,所幸对应s、p、d、f四个量子态,l只有0、1、2、3四个值,真对计算简明性有影响的就2与3两个数,它们自乘3次开平方并不复杂。按新式计算的E2p等于2.4,E3d等于4.13。

笔者将按新式计算的各能层不同亚层的能值,和美国著名学者鲍林依据大量光谱数据概括出的能级图,进行类比,发现二者符合得相当好。笔者甚为兴奋地将上述公式、有关电子能级的计算值、对比值,拿给恩师张教授看,得到他的首肯,他说:“的的确确徐教授没有解决的两处偏差值,你一举都给解决了。”这给了笔者很大的鼓舞。求实地说,就这个研究成果而言,笔者若也是一位大学的名教授,已经具备了发表的可能性。然而一个中专学校的年轻教师,甚至还是夜大学的学生,要改进世界著名学者的公式,并想发表、真比登天还难。笔者亦曾写成论文投稿,终是“泥牛入海”。后来有高人指点,让笔者找出该经验式的量子力学依据,笔者一方面有些不服气,有人向徐教授的经验式提出过要什么量子力学依据吗?没有。另一方面,人贵有自知之明,好吧,1961年笔者在北京地质学院夜大学学习五年毕业后,又上了中央电视大学物理系,因为只有物理系才学量子力学。学地质科学和化学系的学生,一般地说,数学、力学的功底都比较薄弱,所以要啃高等数学中的复变函数,电动力学等,是相当的困难;然而不先学好这些基础课,量子力学是根本没法听懂的。三年多后,量子力学学完了,很失望,“n+0.4l32”式的依据仍然没有找到。真是好事多磨,笔者利用一切业余时间到各大书店去看书……。真是“苍天不负有心人”,大约在十年动乱的第四年,也就是国庆二十年的1969年,我终于在前门外一个卖旧书的书店中,从一本理论物理的量子力学部份找到了论据,该书著者也是一个苏联学者,基于电子排斥能的因素,他提出:“亚层l对级值的影响,与该亚层能容电子数的平方成正比。”对应不同的l涉及的能容电子数仅有2、6、10、14这4个。笔者以l值为横标,其对应的e2为纵标,先得出4个交点,连4个交点,恰成一条曲线而不是直线,而这条曲线和据“0.4l32”所绘的曲线吻合得非常好。至此,可以说新经验式的量子力学依据已经找到了。

1976年,笔者首先在《化学通报》上发表了一篇文章,然后就集中精力赶写、修改《一组改进的电子能级计算式》的学术论文。论文初成后,有幸拜见了北京师范大学著名教授,关心中学化学教学的刘若庄先生,他对笔者的论文表示了充分肯定;接着又无限感慨且动情地说,“就像我们这样的人,在前几年也不敢涉足学术研究,而你还能顽强地孜孜不倦地进行钻研,真让我好生感动!”当笔者提出写的稿件不知投向何处时,他又说,我们大学的学报,自然科学版很快就要复刊了,而目前上来的稿件还不多,就投给我们学报吧。论文寄给北师大学报后,经刘若庄教授审定,终于在1978年第4期予以发表。从发现到刊出整整经历了20年的时间。

2 开拓进取 不懈追求

关于化学元素的科学分类,20世纪50年代,我国的教科书主要沿用的是苏联学者的观点,以原子外层电子数等于“4”为界标,小于4者为金属元素,大于4者为非金属元素……。然而例外者颇多,如在小于4的元素中,外层电子数为1的H,为2的He,为3的B(硼),他们并不属于金属;大于4的元素中,如外层电子数为5的Sb(锑)、Bi(铋),为6的Po(钋),它们又不属于非金属。再说外层电子数恰等于4的碳、硅、锗、锡、铅等又如何呢?外层电子数等于2的He,等于8的Ne、Kr、Xe等又属于哪类元素呢?足见他们的分类原则存在片面性,没有抓住元素科学分类的本质。

1959年暑假后,当时笔者在北京水利水电学院为预科班教高中化学,首先对前苏联学者的上述分类原则产生了质疑,几经周折后发现,用原子外层不饱和电子数(即价电子数j)作分子,以该价电子群的主量子数n或电子层数为分母,可得一活性比值,据此比值j/n可将化学元素严整的分成4大类:即比值小于1的为金属元素,如Na(1/3)、Ca(2/4)等;比值大于1的为非金素元素,如B(3/2)、N(5/2)、O(6/2)等。那么界于二者间,比值恰恰等于1的元素应为化学上的两性元素,如Be(2/2)、Al(3/3)、Ge(4/4)等。而价电子数为零,即外层电子数饱和的元素,不论其外层电子数是2还是8,即比值为“0”的元素,皆为惰性气体元素。

不仅如此,4大类元素在仅有主族的简化周期表中,不但其分布区域很有规律(参看附表),且有很深的寓意。首先,惰性气体皆分布在最右侧同一纵行中。两性元素分布在除最右纵行外的,左上至右下的对角线(带)上,它们是H、Be、Al、Ge、Sb、Po,还有待发现的比值为7/7的117号元素。在这条对角线的左下侧为金属元素区,如钠、钾、镁、钙等,且活性比值越小即核电荷对价电子的引力越小,就越易失电子;再之位置越靠近左下角,其金属性就越强,如比值为1/7、最顶角的Fr(钫),是为最活泼的金属元素。不难推论,在这对角线的右上区为非金属元素区,且其比值越大,越靠近右上顶角,其核电荷对价电子的引力越大,该元素的非金属性也就越强,如比值为7/2的F(氟),就是最活泼的非金属,其次是氧(6/2)与氯(7/3)等,为很活泼的非金属元素。

过渡元素由于外层价电子数均不大于2,而其电子层数至少亦不小于4,所以它们的活性比值均小于1,如Ca后的第一过渡系元素钛、钒、铬、锰、铁等,均属于金属元素。

再看同一主族元素从上至下,用活性比值也可以半定量区分同族递变性,如价电子数为4的第IV主族,C(4/2)、Si(4/3)、Ge(4/4)、Sn(4/5)、Pb(4/6),这5个元素,最中间活性比值恰为1的锗,是为化学上的两性元素。其上的碳和硅,因比值均大于1皆为非金属元素,然而C的比值又大于Si,所以其非金属性也强于Si。锗以下的锡与铅,因比值皆小于1,所以都是金属元素。由同族递变性不难看出该价电子群的主量子数或电子层数的重要作用。

有关元素分成4大类的新方法的论文,经北京师大吴国庆教授审稿后,1989年10月发表在《北京师范学院学报(自然科学版)》上。

3 敢想善思 永不自满

在20世纪80年代前后,涉及元素周期表的新形式,元素电负性的新标度等课题的文章,还陆续发表在《百科》、《化学教育》及《北京师范学院学报》上。

1998年4月,拙著《元素周期律与周期表的研究》一书,由北京教育出版社出版。书中用可以半定量计算的“近似能级组”揭示了周期的实质。用“随核电荷数递增,元素的性质直接随活性比值的量变而呈周期性的质变”,揭示了元素周期律的实质。笔者还设计了诸如“量子式”、“天坛式”、“城楼式”等新型的元素周期表。

从1958年起步,到1998年上述“专著”的出版,经历了整整40年,正如我国宋代爱国大诗人陆游所说,乃是“少壮功夫老始成”吧!

回顾个人这先坎坷后顺畅的40年,笔者之所以能在原子结构、周期律与周期表的探究中锲而不舍,能有那怕是少许的创新精神,能有所发现,有所前进,笔者深深地体会到,毛泽东思想的哺育是最根本的。具体地说,既敢于正视矛盾,又在一定程度上善于分析解决矛盾,能去伪存真、扬沙觅金,透过现象抓本质;并自觉地培植自己的创造精神,也不能不说有很深的渊源关系。

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