对“地球自转”类比“电子自旋"的讨论

文章编号：1005－6629(2009)12－0068－02

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

类比(analogy)又称作类比推理(analogical rea-soning)或类比迁移(analogical transfer)，是一种常用的逻辑思维方式。类比是将熟悉的事物(称作类比源对象)和较不熟悉的事物(称作目标对象)的某些关系进行比较，并且明确这些关系是否具有一定的相似性。常见的类比模式可以表示如下：

类比通过联系学习者的已有知识，有效降低学习内容的难度，有助于学习者产生适当的学习迁移、形成概念和解决问题，是学习科学概念和原理的重要手段之一。利用“地球自转”类比“电子自旋”是高中化学《物质结构与性质》模块中常用的实物类比，但是该类比存在科学性错误，值得广大教师注意。

电子不存在确定的运动轨道，只能概率密度分布出现。核外电子除了分布在一定能层、能级上和形成一定取向的电子云，还具有自旋运动。人教版教科书编写者认为，电子自旋可以比喻成地球自转。自旋只有顺时针和逆时针这两种方向。这种观点是把地球类比电子，地球自转类比电子自旋。

然而，最重要的问题是，电子的确是围绕本身轴线转动，具有两种不同的自旋方向吗?答案无疑是否定的。如果把电子想象成电荷均匀分布的小球，通过计算可知电子的转动线速度大于光速，而这是绝对不可能发生的!量子力学研究指出，电子自旋是电子的固有(或者说是内禀)属性，与电子的空间运动无关，是一种新的自由度。电子自旋不能用坐标、动量和时间等变量表示，完全是一种量子效应，没有经典的对应量；作为角动量，满足角动量算符最一般的对应关系，在空间中任何方向投影只能取±1／2这两个值。这说明，电子自旋只是表示电子的两种不同的运动状态，我们不能使用经典物理学中相对应的量，如描述宏观状态的旋转、自转等词语来理解电子自旋；如果把电子自旋理解为电子围绕本身轴线转动，这种沿用经典图像的理解方式只是有利于建立数学模型和进行测量，实际上电子的运动状态却并非如此。

根据物理学史的研究，

我们能够大致了解“电子自旋”一词的来历：1924年，泡利提出4个量子数的思想，而且发现其中1个磁量子数只能取±1／2这两个值，但是坚信它根本无法在经典理论中得到解释。1925年，乌伦贝克与高斯密特为了解释反常塞曼效应，假设电子具有自旋运动，仿效得到自旋角动量、自旋量子数和自旋磁矩的计算式。假设提出之初，洛仑兹就指出“电子的转动线速度将大于光速”这一要害问题；泡利对“电子自旋”的观点更是一直持有异议，认为要清除经典力学的影响。但是在1926年3月，海森伯和约当将电子自旋概念应用于矩阵力学，圆满地解释了反常塞曼效应；同年4月，托马斯解决了因子2的计算问题。经过与波尔的激烈争论，泡利逐渐信服电子自旋概念。1927年，泡利把电子自旋概念纳入到矩阵力学体系。1928年，狄拉克建立了量子力学的相对论性波动方程，从理论中说明电子自旋的必然存在，“自旋”和“自旋量子数”等词语作为习惯名称沿用下来。1940年，泡利证明电子自旋是出于量子场论的需要，电子自旋成为量子力学中不可或缺的重要概念。由此可知，电子自旋概念经历了一个从否定到重新认识、解释的过程，其内涵与字面意义完全无关。

1984年《化学教育》第2期发表了季瑞溶撰写的论文，该文表示许多化学教科书中电子自旋概念的叙述存在着科学性错误。但是，时至今日。“电子自旋”一词的字面意义依旧长期引起人们对电子运动状态的错误理解。电子自旋作为一个极其抽象的概念，学生在高中阶段只需要知道如下内容：电子存在着自旋运动；这种自旋运动并不是表示电子能够围绕本身轴线转动，而是指电子处于一种称作“自旋”的特殊状态，分别用符号“”和“”表示，每一个原子轨道最多只能容纳两个自旋运动相反的电子。教师在讲解这一概念的时候，适宜特别强调电子自旋与地球自转在本质上存在着明显差异，不能作任何类比。

类比是根据一定的规则进行的思维过程，如果人们已经相信“电子能够围绕本身轴线转动”这样的说法，用“地球自旋”作为实例来设计类比，并且进行教学活动就是合情合理的。因此。在设计类比前，确定类比源对象和目标对象各自的关系是否具有科学性是极其重要的。这是建立良好类比的基础。同时，笔者建议人教版教科书编写者对教科书中该部分内容进行必要的修正，彻底纠正这一错误叙述。