动漫在初中化学“原子的结构”教学中的可视化探究

本文探讨了动漫在初中化学“原子的结构”教学中的可视化应用价值。动漫作为创意媒介,为学生提供直观、生动的认知途径,促进对原子结构复杂性和抽象性的理解。通过模拟动态变化过程,动漫将抽象概念转化为有趣图像,让学生在轻松氛围中掌握知识。同时,动漫结合真实实验,加深学生对原子结构的认识,牢固掌握相关知识。此举可提高学生理解水平,激发化学兴趣,增强学习积极性,培养想象力和创新思维。

智享课堂,慧生共赢——《原子的构成》教学设计

创新整合点1.创设情境,促进深度学习本节课运用数字故事、微课、模拟实验、史料佐证等信息技术融合教育来创设情境,促进学生的深度学习。在教学中,通过恰当的问题设计,引导学生思考,为他们创设交流合作、讨论质疑的氛围,激发学生从现象到本质进行问题探究的欲望,以此促进深度学习的发生。

开展类比实验探究 突破微观认知瓶颈——以“原子的构成”为例

初中化学教学中,学生对原子构成的探究过程缺乏更加感性的认识,在原子构成的教学中引入类比实验探究教学,不仅有利于学生理性分析科学实验的探究过程,建立原子结构模型,同时能够让学生在类比分析中建立微粒观,初步认识物质构成的基本规律.

基于里德堡原子的无线电技术研究进展

近年来,量子信息技术飞速发展,其中基于里德堡原子的电磁传感器吸引了人们的极大兴趣。里德堡原子是一种处于高能态的原子,因其拥有对外场响应灵敏、具备自校准并直接追溯到国际单位制的测量能力、不受传统天线尺寸效应的影响等特点,十分适合于无线电传感与探测。自2012年Shaffer等突破性地利用里德堡原子的电磁诱导透明效应测量微波电场强度的灵敏度及不确定度均远高于传统微波测量结果之后,近十年来,以里德堡原子超外差测量等新理论和新技术为代表的研究已经实现了对电磁波的频率、极化、相位、强度等多参数的测量,相关工程化的技术也蓬勃发展,有望对传统的无线电技术产生颠覆性的影响。对基于里德堡原子的无线电技术近十年来的研究进展进行综述,从探测原理出发,梳理本领域的发展脉络,并对其未来发展趋势进行展望。

基于铷里德堡原子的频率可调谐微波电场测量

基于里德堡原子的能级调控特性实现了微波电场连续调谐测量。用铷原子气室作为微波电场传感器同时去感知待测微波场和调谐微波场,利用强调谐场对里德堡原子能级精细调节实现了待测场共振频率的同步改变,从而拓展了现有单频点微波测量的频率响应范围。在与68P_(3/2)→66D_(5/2)跃迁共振的调谐场作用下,利用测量的AT分裂光谱的幅值差来确定待测场共振频点的调谐变化,最终使共振的6.916 GHz待测场的共振频率的调谐范围从原有的30 MHz极限拓宽至150 MHz,为微波电场的量子计量及拓展应用奠定技术基础。

射频电场缀饰下铯Rydberg原子的电磁感应透明光谱

采用全红外光激发Rydberg原子的方案,选择探测光(852 nm)、缀饰光(1470 nm)和耦合光(780 nm),利用三光子激发方式实现了Cs原子Rydberg态(49P_(3/2))的制备.实验上,观测到射频电场作用下|7S_(1/2)?→|49P_(3/2)?Rydberg跃迁形成的电磁感应透明(EIT)效应,实现对Rydberg原子的光学探测,根据EIT光谱的变化来探究射频电场的幅度和频率对光谱的影响.研究表明,随着射频电场幅度的增强,观察到光谱现象从越发明显的ac Stark能移逐步过渡到复杂混合态的多个调制边带,并根据EIT主峰的频移进一步讨论频率对铯泡中电场屏蔽的影响.采用将低频电场调制到射频电场的方式,实现了基于Rydberg原子的50 Hz—1 kHz范围内电场解调,并对解调信号的幅度和频率进行拟合,保真度达到95%.研究结果对Rydberg原子射频光谱探测和低频电场的可溯源测量等提供有价值的参考.

基于HPS教学理念指向科学建模的教学实践——以“原子的核式结构模型”为例

基于HPS教育理念的课堂教学,能够更好地实现科学育人,理解科学本质,落实核心素养.结合HPS教学理念与Hestenes建模教学过程,以“原子核的核式结构模型”为例,设计盲盒实验引入课堂,借助NOBOOK虚拟实验平台进行实验探究,通过递进式的问题引导学生深度参与课堂,促进科学建模.

基于里德堡原子的微波全信息测量

介绍了里德堡原子微波电场传感器的工作原理,阐述了基于里德堡原子测量微波电场强度、相位、极化、频率等信息的技术特点,分析了基于里德堡原子的微波全信息测量的研究现状,探讨了当前绝对自校准测量和连续宽带高灵敏测量面临的困难,指出可以通过外场调控实现测量灵敏度提升和宽带连续频率测量;并可通过各种调制及解调手段简化相位、极化的测量和读取。分析了在热原子系统中利用多光子激发消除多普勒展宽以及采用冷原子消除多普勒展宽对于提升微波测量灵敏度的潜在优势,提出未来可利用里德堡原子的高轨道角动量态、强关联等特性进一步提升里德堡原子微波电场传感器性能。

氦原子的超球绝热势

利用B样条技术和两粒子角函数,对氦原子的超球绝热哈密顿方程进行数值计算.获得了氦原子1 S和1 P态的超球势曲线和绝热道函数.计算结果与文献中的结果一致.文中计算方法可以处理三体系统的高角动量问题.

增进化学科学本质理解的教学设计——以“原子的结构”为例

以人教版九年级化学“原子的结构”第1课时的教学设计为例,从化学史和核心素养培育的角度对主题内容的科学本质进行分析,通过将科学家探索原子结构的过程转化为学生的探究活动,如制作模型、引导学生思维外显和过程性评价等措施,学习科学探究方法,发展思维能力和微粒观,培养科学精神,增进学生对科学知识本质、科学探究本质和科学事业本质的理解。

基于里德堡原子的工频电场测量

里德堡原子是主量子数n很大的高激发态原子。里德堡原子由于具有大极化率特性,其对外部电场十分敏感,原子能级偏移与电场直接关联,可以用来实现对电场强度和频率的精确测量。该文通过双光子激发的方式实现室温中铯原子20S_(1/2)里德堡态的制备,并基于里德堡原子的电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency,EIT)光谱实现了工频电场的测量。实验中研究了工频电场的幅值和频率与EIT的频移关系,实现对工频电场强度和频率的测量。实验中EIT光谱频移是测量电场特性的关键,利用电光调制器对探测光相位进行调制,在EIT光谱两侧产生的边带峰与主峰频率间隔则严格等于电光调制器射频源频率,以此频率作为校准基准实现EIT光谱频移的准确测量。设计了一种微型光纤结构的传感器,可以实现电场的远距离测量。该研究方案对室外高压工频电场的可溯源精确测量及工程应用具有重要参考价值,适用于新型电力系统建设的测量要求。

基于里德堡原子的微波相移测量

基于里德堡原子的微波量子精密测量技术由于其高灵敏度、高分辨、宽带宽且可直接溯源至基本物理常数等优势,已在微波量子计量、通信、成像等领域展现出广阔的应用前景。通过提出一种基于里德堡原子的微波相移测量方法,利用热里德堡原子光谱实现对本振(LO)微波场与待测(SIG)微波场的外差探测,得到了相移与待测微波场相移相同的中频(IF)探测信号;然后利用锁相放大算法对探测信号进行处理,得到探测信号相对同频参考信号的相位差;最后,利用位移台在待测微波信号中引入相移,比较位移前后的相位差测量结果,实现了6.92 GHz微波信号相移的测量。对相移测量结果进行线性拟合,得到该频率的微波传播常数,与理论计算结果的相对误差约为0.2%,验证了这种全光学微波相移测量方法的可行性,并为微波量子精密测量技术在通信雷达等领域的应用奠定了基础。

基于冷原子的非平衡量子多体物理研究

量子多体物理和非平衡物理相结合,是当前物理学研究的重要机遇和挑战.非平衡量子多体物理不仅是当前物理学多个分支共同感兴趣的问题,而且是发展新兴量子科技不可或缺的理论基础.冷原子体系为研究非平衡量子多体物理提供了理想的平台.冷原子等人工量子体系的优势,体现在研究孤立系统热化、和环境耦合导致的耗散、系统参数的扫描、跳变和周期驱动等多种非平衡动力学过程.本文结合笔者的研究成果,给出3个具体的例子,展示基于冷原子的非平衡量子多体物理的研究,如何突破拓扑物理研究的已有框架,发展新的测量量子多体关联的方法,以及丰富规范理论研究的内涵.这类研究聚焦量子多体系统的拓扑、关联等基本性质,利用冷原子体系的优势以实现理论和实验的定量结合,以期提炼出具有普适性的物理规律,并推广到凝聚态物质、核物质等其他物理系统的非平衡过程.

微光学腔内单原子的俘获及其耦合强度的精确调控

通过在长度为336μm的光学法布里-珀罗腔内构建单个微尺度光学偶极阱,实现了腔内单个原子的俘获,俘获寿命为(2.60±0.18)s,从而实现了稳定的单原子与光学腔强耦合的腔量子电动力学系统.通过腔的透射光场能够实现光学阱中单原子俘获事件的检测,准确率为98.5%.实验通过精确控制俘获的单原子位置实现了单原子与腔模耦合强度在三维方向的精确调控,测量了不同耦合强度下的单原子真空拉比分裂谱.

Rh氧化物团簇向单原子的原位自适应演化

负载型金属催化剂在催化过程中通常会发生相变、烧结、表面重构和解离为单原子等变化.这样的结构演化不仅可以由温度诱导,也可以由反应产生的吸附物种诱导.然而,结构的变化对催化剂的影响存在两面性,既可能因此形成新的活性位点,也可能导致催化剂失活.因此,希望催化剂在反应中进行适应反应环境的结构演化,从而形成更高效的活性位点.结构演化的途径可以是金属物种直接在催化剂表面迁移,即固-固路径;也可以是催化剂表面原子浸出到溶液中,即固-液路径.揭示具体催化剂的演化路径,对催化剂的设计与改良有重要意义.本文通过浸渍-煅烧法将RhOx团簇负载在Al_(2)O_(3)上.然而,该催化剂在氢甲酰化初始阶段并不具备反应活性,但其在反应过程中由CO诱导,原位演化成了具备催化活性的缺陷位点与Rh单原子.活化后的催化剂在110℃,30 bar合成气的条件下,丙烯氢甲酰化的比活性达到了3.0×10^(4)mol molRh^(-1)h^(-1).通过高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜观察了活化前后催化剂表面RhOx团簇的结构变化和Rh单原子的形成,利用X射线光电子能谱、X射线吸收精细结构谱和原位漫反射傅里叶变换红外光谱观察了催化剂价态和配位结构的变化以及CO气体处理对催化剂的直接影响,结果表明,催化过程中没有形成Rh-Rh金属键,从而避免了Rh的团聚失活;通过电子顺磁共振测试研究了催化过程中催化剂表面缺陷浓度随时间的变化.通过电感耦合等离子体-原子发射光谱验证了Al_(2)O_(3)和CeO_(2)均能吸附均相Rh物种,并引入吸附能力更强的CeO_(2)捕获氢甲酰化反应中从Rh/Al_(2)O_(3)固体进入溶液中的Rh物种,利用CO探针红外检验了Rh的配位情况,证实了Rh物种的溶解-再吸附演化过程.对Rh/Al_(2)O_(3)的热过滤实验结果表明,均相Rh物种提供了18.6%的总活性,但回收后催化剂的活性损失和Rh含量的流失远低于该数字,表明部分再吸附作用在一定程度上提高了催化剂的稳定性.结构表征和机理研究揭示了Rh物种的固-固和固-液-固两种原位演化路径.在催化过程中,RhOx团簇被CO还原形成氧缺陷,使得周围的Rh原子获得了吸附CO的能力.同时,Rh物种在反应底物和溶剂的作用下,溶解到溶液中,进而部分再吸附回到载体上.综上,本文不仅提供了一种高效的丙烯氢甲酰化催化剂,也加深了对催化剂动态演化的认识.

基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术(特邀)

里德堡原子是一种高激发态的原子,具有较大电偶极矩,相邻能级差可覆盖DC~THz的超宽频谱范围,因而可以实现电磁场高灵敏、超宽带的传感接收。基于里德堡原子的无线电光学测量是通过碱金属原子在探测光和控制光等两束激光的精确调控下转变为里德堡原子,并使探测光透射光谱产生电磁诱导透明效应,进而在输入的无线电信号的作用下,使其透明光谱发生Autler-Townes(AT)劈裂,完成无线电信号到光学信号的转化,从而实现无线电信号频率、幅度、相位等信息的提取,具有直接解调、无需校准、抗电磁毁伤等特点。近年来,该技术在电场计量、电磁频谱侦测、通信、雷达等电子信息技术领域引起人们的强烈关注。该技术的关键在于如何从原子系统输出光谱中快速准确地提取出无线电信号的信息。针对静态无线电信号、动态无线电信号、单频无线电信号、多频无线电信号等不同类型的无线电信号,对应的信息提取和光谱处理方式也不同。依据不同类型的无线电信号,对基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术进行分类,并综述其原理、技术特点及国内外研究进展,最后结合该技术特点及其应用前景,对未来发展趋势作了展望。

卟啉网状结构材料负载单原子的光催化CO_(2)还原

基于刚性、多孔性和多功能性,以及模块化优化、合理的设计和集成、可调谐和光化学性能等优点,卟啉网状结构材料已被证明是金属单原子锚定的优良载体,并在CO_(2)光催化还原领域拓展了一种新的载体.我们主要总结了近5年来以反应卟啉网状结构材料为载体的单原子催化剂光催化CO_(2)还原反应的最新研究进展,提出并探讨了该多相催化剂光催化CO_(2)还原的应用前景以及面临的挑战.

嵌入铂单原子的苯并咪唑基共价有机框架实现高效可见光析氢

氢气(H_(2))是一种清洁的无碳燃料,具有很高的能量密度,是化石能源的潜在替代品之一.半导体光催化水分解反应可将取之不竭的太阳能转化为氢气中的化学能,从而提供一条有前途的、经济和环境友好的产氢路线.光催化析氢反应(HER)涉及光捕集、激发、电荷分离和传输,以及表面质子还原过程.光激发态通常在几皮秒内发生,通过辐射或非辐射复合弛豫返回到基态,然而,光生电子迁移到表面并触发两电子的质子还原是一个慢过程,时间通常在几毫秒或以上.整个过程中转换效率因光生电子极易复合而大大降低.因此,如何延长光生电子寿命,促进电子及时传递到表面析氢位点,提高催化位点的析氢速率,是设计水分解高效光催化剂的关键,也是该领域的难题.有机半导体催化剂可以从地球丰度高的轻元素制备,具有成本低、毒性小和结构多样等特点.其中一个典型代表是共价有机框架(COFs),其具有大的比表面积及丰富可调的骨架组成和孔道结构,在分子水平上的可设计性具有独特优势.苯并咪唑化合物具有较大极性和灵活可调的π共轭结构,被广泛用作光电器件的共轭辅助分子.以苯并咪唑基单体直接合成的COF种类罕见,且未见相关COF用于光催化反应的报道.本文通过选用不对称的苯并咪唑单体(2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑)与三醛基间苯三酚直接通过席夫碱化学反应缩合,制备了苯并咪唑基COF.该COF材料有效促进了光吸收和电荷分离/传递,以及高活性Pt单原子析氢位点的形成,在可见光驱动的析氢反应中表现出较好的析氢速率和转换频率.采用微波辅助的溶剂热策略快速合成了苯并咪唑基COF(PABZ-Tp),通过X射线衍射、傅立叶变换红外吸收光谱、13C固态核磁共振等研究其结构.光学和光电化学表征结果表明,PABZ-Tp在可见光范围.内展现出较好的光吸收,具有较低的激子解离能(17.8 meV),有效促进了长寿命自由光电子的形成.骨架中带负电荷的苯并咪唑基团不但是Pt单原子形成和稳定的主要因素,还有助于构建良好的电子迁移通道,从而有效促进了光生电子快速传递到表面Pt单原子位点,使得该催化剂在可见光驱动的析氢反应中表现出较高的催化效率,析氢速率高达115 mmol g^(-1)h^(-1),转换频率为4475.1 h^(-1).理论计算结合瞬态吸收光谱等实验结果表明,苯并咪唑COF框架是产生高活性的关键,对于光吸收、电荷分离传递以及高效析氢位点的构筑均起了重要作用.综上,本文构筑了一种高效的COF基有机光催化剂用于可见光析氢过程.展示了使用不对称咪唑基单体构筑功能化COF材料的广阔前景.

纳米银球附近三能级原子的自发辐射动力学特性

基于格林函数预解算子方法,研究了纳米银球附近V型三能级原子的自发辐射动力学特性.结果表明,原子的自发辐射动力学强烈依赖于原子的跃迁频率和所处位置.原子动力学演化谱呈现出双主峰的特征,距离较近时,高频峰宽度远小于低频峰宽度;自发辐射动力学振荡频率由演化谱双峰频率差决定,而振荡衰减快慢主要由演化谱峰宽决定;距离越近,相干振荡越强;2个跃迁频率越接近自发辐射增强谱峰值频率,演化谱峰高越低,尤其是低频峰,相干振荡越弱.

基于里德堡原子的电场传感技术

概述了基于里德堡原子的电场传感技术的基本原理,分析了里德堡原子电场测量具有的高灵敏度、宽频、可溯源至国际单位制(International System of Units,SI)、高空间分辨力等优势。讨论了激光参数、探测器噪声、环境电磁场干扰等因素对里德堡原子场强测量灵敏度与测量频率响应带宽的影响,介绍了频率调制、重泵浦、参数优化等提高场强测量灵敏度的方式,并阐述了单辅助场原子外差法、双辅助五能级外差法等提升测量频率响应带宽的方法。探讨了里德堡原子电场传感技术在计量、通信、雷达、成像等方面的应用情况,指出应通过优化原子气室结构、设计高性能光电探测器、提升光学腔性能等方式进一步提高里德堡原子电场测量灵敏度;应深入研究里德堡原子电场测量的不确定度来源,并对里德堡原子传感器进行全面的测试和表征;应开展里德堡原子电场测量相关装置的小型化、工程化设计研究,从而进一步提升里德堡原子电场测量技术的实际应用性能。