Question

请问"近代物质结构理论"是什么

Answer 1

河北机电学院学报
JOURNAL OF HEBEI INSTITUTEOF M ECHANO- ELECTRIC ENGINEERING
1992年 第9卷 第4期 Vo1．9 No．4

浅析物质结构理论中的科学美
河北师范学院
石家庄市十一中学，何志民 刘晓慧、， 一 一
[摘要] 本文依据原子结构理论、分子结构理论和晶体结构理论．初步探讨1原子、分子、离子及其晶体从宏观到微观结构中所蕴含的科学美。
关键词：垒主丝塑题：主些垫 堡鲨拉 美
0 引言
著名的教育家蔡元培先生说过“凡学校的教学课程中．没有与美育无关的”。化学作为
一门自然科学，它本身也具有科学美。科学美主要表现在对自然界或反映自然界的运动规
律的科学理论，科学成果在结构上的理解和欣赏。人f仃理解了它们结构的完满性、系统性
和秩序性．这种有机统一的、有规律的自然图景，因审美者对于大自然和对于科学劳动的
真诚热爱之情，达到。情景交融”的和谐心理状态，就会产生美的感受，就会促使人们用美
的观念、美的理想去发现美、创造美。化学科学美主要表现在可观察的物质世界是和谐有
序的，无限分割后的物质形态，即其内在结构也是和谐而有序的。
- 1 原子结构理论之美
1911年英国物理学家卢瑟夫根据实验结果总结出 粒子散射现象和原子核的存在，
提出了类似太阳系结构的原子模型．利用字宙的结构和惜类比原子内部结构的和谐，比较
直观和富于美感．从此打开了原子世界的神秘大门。1913年丹麦物理学家玻尔提出的原
子模型，进一步体现了微观世界对称、和谐、韵律之美．
1．1 结构上的和谐美
任何原子都是由带正电荷的原子核和带负电的电子组成的统一体。原子核虽然体积
甚小，却几乎集中了全部原子质量。而电子的质量只有氢原子核质量的1／1840。由于电子
运动速度很大，在核外的电场中无法找到静止的平衡位置，只有不停地在核外一定空间内
高速运转，才能达到吸引与排斥的动平衡。构成了 宇宙的和声 ，这首微妙的乐曲虽然不
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能为听觉昕感知，却可以为思维所理解，它在永恒的微观世界中传播。
原子接是由中子和质子组成的统一体。中-f和质子的数目有一个最恰当的比例范厨，
在这个范围内原子 0结构是最稳定的。例如氢原子核中1个质子可以独立存在，也可以与
1个中于相匹配，又可以和2个中子相匹配。由于比例不同而形成了氕、氘、氚三种同位
索。又如谩原子核中有6个质子，可以与6个中子匹配，也可以与7个中子匹配，从而形成
了 、5℃ 同位素。其他各元素也是如此，由于原子核中质子与不同数目的中子匹配，就构
成了自然界中千姿百态的新颈、精美的物质世界。质子和中子的不同匹配，是研究物质结
构、物质陛质的通用螺丝钉．也是揭开元素周期律及其他规律的关键，是大自然乐错中至
关重要的变调记号。
原子的结构和运动决定了自然界万物的性质。核外电子的分布及运动直接影响着物
质的物理l性质和化学性质，这意味着整个宇宙的和谐统一，取决于原子世界有条不紊的秩
序．这是一幅十分和谐的画面
1．2 结构上的奇特美
校外电子 运动状态强宏观物体的运动不同，没有确定的轨道，不能硝定或计算出它
在某一时刻所在的位置．也不能描画它的运动轨迹。只能以它在原子核外空间某处出现机
会的多少末描述。以氲原于棱卦运动的电子状态为例，可以看出，离原子核越近，电子出现
的机会越多。通过对电子三约研究，可以发现由于电子云有伸展方向，不仅有球形对称的
电子i．还有纺锤形的，亚普形I勺、花瓣形的。历史上人们对原子结构的认识，逐步由抽象
到具体．似乎进入了一个花韵世界，呈现在人们面前的是五彩缤纷的景象。
吉有多个电子的原子内部．电子也并不是杂乱无章的分布和运动。科学家们在大量观
察和实验的基础上， 【出了能级、轨道、电子层、电子亚层等概念。鲍利不相容原理、能量最
低原理f【】洪特规则恰当地解释了核外金个电子的分布及运动井然有序的状况。这两条原
理、一项规则锋如号角，～声令下使散乱的士兵排成了由低到高的队伍，各有各自站岗放
哨的活动范围，混乱、嘈杂的脚步声和吵闹声顿时隐去，整齐、利落的节奏感油然而生。核
外电子这岸规则的排列，随着核电荷数目的遵增，元素性质也随着发生周期性的变化。轻
松、优美自 八电子稳定结构的主旋律和全充满半充满的副旋律，交替回响于周期律的每一
个周期里。而当族与族之间形成的美丽和弦充满整个周期律时，周期律所蕴含的内在的深
层的美就波更深刻的揭示出来。这美强烈地震撼着每一个认识和运用周期表的人，使他们
的心灵受到净化和陶冶。
1．3 结构上的对称美
科学理论的对称性和对称方法来源于自然界物质形态及其运动图景所具有的广泛的
对称睦。原子结构理论也是如此。
圆形、球形本身就有均齐、圆满、和谐、韵律的意思。而小至徽观的电子、中子、质子、原
子、分子，大到天体．都是用圆形表示，而其各自的运动轨迹，也是用圆形、类圆形的概念来
描述，来揭示其本质，使理论更完美，更引人人胜，更符合我们的审美特色。’
科学理论形式上的对称性可以使表述更为优美。原子结构理论中有两个描述守恒的
量。一是电荷守恒，即核电荷敦=质子数=核外电子数=原子序数。一是质量守恒，即质
量数(^)一质子数(z)+中子数(Ⅳ)。例如知道碳的原子序数为6．质量为12，就可知道中
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子数、质子数均为6，这不禁使人联想到镜前美丽的面庞与镜中俊俏的映象}塘边婀娜的
垂柳与水中成荫的倒影．无论时间怎样更替，空间怎样摧移，它的对称、均衡永远存在 因
此也就使人们为它的真、善、美所折服
2 分子结构理论之美
十九世纪初，随着道尔顿的原子论的出现，而开始了“化学中的新时代 ·逐步形成了
关于物质构造的三个层次，即原子—— 分子—— 宏观物体的概念。在这里分子的结构、性
质和相互转化被推到首要地位，并成为化学的主要研究对象。
2．1 分子模型之美
分子就几何形状来分，有线型的、三角锥形的、立方体型的、花篮形的、夹心面包形的
等等 于是，分子模型便成了化学研究最基本和最普遍的课题。分子模型既具有宏观世界
中各种造型的神种形式美，又具有微观世界中原子结构理论、价键理论奇妙的内在美。
水的球棍模型(圈1)是江河之水、大洋之水、潺潺
溪水之水以及大气层中水蒸气等各种外在形式不同的
具体表现 它是宇宙中含有相同质子数的氧原子和氢
原子结合时键的种类与数量，相互结合时的次序和性
质高度形象化的反映。它形式简洁对称，符合适当的比
例．内涵又十分深远。纤维状三氧f~ (so ) 的分子
模型(图2)、六氟化硫的i／t．面体分子模型(图3)、乙
烯的凯库勒分子模型(图4)、多瘤病毒DNA的麻花 图l 水分子的球棍模型
F F
固 回 )=I
固 b F● F
图2 纤维状三氧化硫 图3 六氟化硫的正八面体 图4 乙烯的凯库勒
(SO ) 的分子模型 分子模型 分子模型
状三级结构模型(图5)以及环已
烷的椅式、船式半椅式、扭船式分
子模型、环丁烷的蝴蝶式分子模
型等，在反映科学抽象理论前提
下，更体现了形式美，
2．2无机物分子结构理论之美
无机物分子都是由有限种类
的原子构成的，它们在结构上都
是按化合价规律，用符号模型来 图5 多瘤病毒DNA的麻花状三级结构模型
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描述，具有一定的统一美 每种物质分子又都有各自的结构，具有独特的美。
例如：氨(NH )分子中，氦原子虽井层韵5
个电子，每个氢原子有一个电子．根据最讣层8
电子t 2电子的稳定结构，启发人们用美的理想
去思考和探索，最终发现氮原子采取SP 不等
性杂化，利用3个杂化轨道和三个氢原子形成
可沿对称轴作旋转的 键，另一轨道梭孤对电
子对所占据，所以决定了氨分子具有三角锥形
的结构(围6)，氮原子位于锥顶，三个氢原子位
于锥足。
又如SO 在蒸气状态下，硫和氧原子最外层各有
6个电子 人们从8电子稳定结构的理论中受到启迪，
发现SO 只能按如下的结构(图7)，郎三个氧原子构
成一个相当对称的平面三角形，硫原子位于中心，采取
SP 杂化与3个氧原子形成3个口键，4个原子提供6
个电子形成贯穿整个分子的大 键 ，以确保每一个
原子处于摄完美、箍稳定的状态。在SO 固态的每一
种变体中．每一个原子既具有8电子的节奏和层次，而
图6 氨分子的三角锥形结构
整体又是那么和谐有秩序。 图7 SO 的结构
举不胜举的无钒分子结构，在人们心中勾画、渲染出一幅幅和谐而有序的自然图画，
而其中隐含的哲理——原子的价键理论，给人们一种浓厚有力的启示，燃起思绪中理性的
闪光。
2．3 有机分子结构之美
在无机化学中一般用化合物的分子式足以
清晰表达出结构之美。而在有机化合物中，一个
有机分子常常有几百个原子或原子团。特别是
有机化合物同分异构体的发现，更使有机化学
■
分子结构的研究陷入迷雾之中。 圈8 乙醇的分子结构式 ．
学建筑的著名德国化学家凯库勒在1857年提出了具有对称美形式的碳氢化合物结构。图
8所示是乙醇的分子结构式，在这个分子结构中，碳原子互相结台形成一条直链，其他原
子对称地附着在链的两侧，形成了对称的美的构型。凯库勒的碳碳结构模型解开了一些有 ’
机化合物结构之谜，为有讥化学结构理论的建立奠定了基础。1865年的一个晚上．凯库勒
的灵感思维诱发了顿悟，他想出了一个用六角形环状结构表示苯分子结构的图形。正如他
在朦胧中感觉到的，苯分子中的原子排着一字长蛇阵，在火焰中来回穿梭跳跃t一会儿弯
曲，一会儿翻卷，突然排头的咬住了排尾的尾巴，形成了一个圆环．并且不住地旋转起来。
这是多么形象逼真、栩栩如生的比喻啊!苯分子的结构式满足了原子结构对称的美学要
求。奠定了芳香族化学的基础。这个美妙对称的结构．只要其中有一个或多个氢原子被其
他原子或官能团所取代，就可以表达各种比较复杂的芳香化合物的结构。而它们的分子结
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构，无不体现出对称美的形式。
3 晶体结构理论之美
离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体，其外部形体和内在结构，给人们在精神上
的享爱是协调一致的。各种晶体的优美不论是整体，还是局部都可以同时体现到。
3．1 离子晶体结构之美
一提到离子晶体，首先想到的晶莹无瑕的
氯化钠晶体，那大小均匀、有棱有角、有对称中
心整齐排列的小立方体。其角、其棱、其轴、其面
一一渗透了对称美的因素。其内部结构有条不
紊、和谐美妙、给人展示出一幅动人的 面。那
大小各异+各具有球形对称的电子云，从各个方
面向空间伸展密集，构成了立方面心结构的晶
胞，其配位数为6：6，在空闻按着这样的方式，
每隔一定的距离在每个晶胞前前后后、上上下
下、左左右右重复地排列着(图9)，呈现出其结
构特有的周期性，其节奏感并不亚于元素周期律
的节拍。 图9 氯化钠体中Na 与CI一
的排列方式示意图
其他如氯化铯、硫化锌、氟化钙等离子晶
体，无论是几何外形还是内在结构的每一个晶胞，无处不渗透着对称和周期性美的含意．
3．2 分子晶体结构之美
五颜六色的磷晶体，无色透明或冰状或石棉状或具有胶体外观的s0 晶体，以及散
发着芳香的一些有机化合物晶体，都属于分子晶体。
分子晶体的外观能给人仃丁以感性美。例如共价型有限分子正烷烃c： H 的晶体，其外
观呈现一定的既象锯齿又象蛇舞的链状结构，蜿蜒曲折，从链的一端透视过去，却给人以
一种匀称适度之感
从键的内部结构来看，大小不同的球形，对称的微粒，在各自的范围内跳着自己的旋
转舞。对称的正、负中心忽重合、忽交错，象彩灯一榉忽明忽暗，若隐若现。各个微粒相互
作用是那么有节奏那么和谐。
芳香族化合物分子跟正烷烃分子一样，也具有美的结构。碳原子骨干的主要组成部分
是苯环和聚苯环，通过这些环，由离域电子形成了贯穿整个分子的大 键，显示平面形分
子的构型。大 键对称地分居在平面两侧，似各自封闭的回环，似花瓣。电子在整个大-f键
中自由自在地敖游，出现在每一点的几率几乎都是均等的。
分子晶体不仅有满足我们耳目的宏观感性美，还有包含在统一性和秩序性中简洁概
括的理性美。既有精致缜密的微观美，又有神秘无限的朦胧美，给人留下无穷的想象和玩
昧的余地。
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3．3 金属晶体结构之美
自古以来金属晶体就给人仃]以美的享受，婉转悠扬的钟声，铿铿锵锵的乐队齐奏，以
及玲珑 1透的金银首钸．都是这样。
金 晶津不仅 它的宏观造型给人带采美，它的内部结构也同样给人以简洁、明了、
和谐、统一的享爱。尽管金属晶体千姿百态，性质干差万别，却不外乎有三种常见的晶体结
构，即：体 立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。金属晶体就整体本身是静止的，但
由于形体的变化其内部结构却呈现出流动感。郊大小均一球形对称的金属原子中容易失
去的价电子，均匀地分布在整块金属的范围里，自由自在地作着穿梭运动，显示出金属内
部的辽阔与自由，充分体现了金属晶体中动与静、大与小、繁与简的对立统一，造成了一种
和谐之美。
3．4 原子晶体结构之美
璀璨夺目坚硬无比的金剐石，质硬有滑腻感的灰黑色石墨，具有美丽变形的硅晶，都
属于原子晶体。
自古强来，金刚石就以：的外在美成为富贵、豪华、财富的象征。从其内部结构来看，
每一个晶弛如同一个向上耸立，向下伸展的金字塔，每一个碳原子都以SP。杂化与相邻的
四个碳原子以共价键相结合。表现出一个个尖角努力向最高处飞腾。而每一个原子并不
失去8电子构镇静与稳定，始终以庄严的结构，感发人的心灵深处。每一个碳原子中心的
小小金字塔都以C—C共价单键相连，键长都是1．55×10 。m，键角都是109。28 ，使空间
变成浑圆的整体，结合成无限网状的巨型分子。每一个原子，每一个晶格有如夜空中灿烂
的群星，以显示其聚散和谐之美
所有的原子晶体，都以其富于音乐舞蹈中节奏感和聚散统一之美，为晶体结构理论增
光添彩
4 结语
■
原子结构理论 分子结构理论、晶体结构理论为化学的发展建立了的坚实的理论基
础。这些理论使原来杂乱无章的化学固地由物质内在的逻辑关系统一起来。这三种理论
相互依存、相互交织融为一淬，充分体现了化学结构理论的美。当然，十全十美是不可能
的 物质结袖理论在数量和内涵上都不会永恒不变。美和美中不足，是促使结构理论体系 ’
不断发展．不断完善的一对矛盾，这正显示了在科学发展中科学美学的重要作用。
参考文献
[1] 徐纪敏．科学美学思想史．湖南人民出版社，1987
[2] 腾守尧．审美心现描述．中国社会科学出版社，1985
[33 彭立勋．美感心理研究．湖南人民出版社，1985
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The Aesthetical Point of View in the Object Structure
L Jie H e Zhimin
(Hebei Normal Collage)
／a'u Xiaohui
(The Eleventh Middle School of Shl Jia Zhang)
Abstract
Based on the structural theory of atom +molecule and also the cryst—al—struct theory,
this paper is an initial exploration intended to show the micro tr t and the
macr。struccure of at。m ，molecule％ion and its crystal from the aesthetical point of iew_
Key words： atomic struc~Alre
molecular structure；
crystal structure；
aesthetics of science

Answer 2

物质和物质的具体形态是共性和个性的关系。哲学是研究物质的共性的，哲学的物质范畴是对一切物质形态、结构和属性的共同本质的认识。自然科学是研究物质的个性的，物质结构理论是对某一具体物质形态的结构和属性的认识。哲学物质范畴所反映的物质的惟一特性，即客观实在性，是绝对的、不变的；自然科学的物质结构理论是科学在一定发展阶段上关于自然界物质结构一定层次的理论概括，是随着自然科学的发展不断深化的，是相对的、可变的。哲学物质范畴以自然科学物质结构理论为基础，物质结构理论又以哲学物质范畴为指导。哲学物质范畴不断从物质结构理论中吸取营养，自然科学关于物质结构理论的重大突破，总是极大地丰富着哲学物质范畴，近代自然科学的出现和发展导致了近代形而上学唯物主义物质观的形成，现代自然科学的出现和发展为辩证唯物主义物质概念的完成奠定了科学基础。同样地，物质结构理论的研究要以哲学物质范畴提供的世界观和方法论为指导。自然科学对物质结构的研究，只有接受辩证唯物主义物质范畴理论的指导，才能把握新的物质现象，才能对复杂事物和现象做出科学的分析和合乎实际的说明。