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中正化學諮詢月刊 八十九年十一月一日 歡迎投稿,來稿請以電子郵件寄至chewph@ccunix.ccu.edu.tw
內容:
近來國內政治上紛擾不斷,經濟情況也同樣令人憂心,然而在此同時,或許並不是大部分的人都注意到,我們國家的基礎及高等教育與科技發展也同樣的面對著重大的挑戰.
從九年一貫教學,大學多元入學方案,
學士直升博士,在職進修專班等制度似乎都缺乏整體的考量與審慎的規劃.當今全台大學林立,但大部分學校之師資設備仍嚴重不足,再者,學生名額大增,相對的學生素質也大幅降低,此所造成的結果是許多大學畢業生的程度和以往專科生並沒有什麼差別,所能從事的工作也和以往專科生相同,只是學位上高了一些,卻大幅的浪費了社會成本.國內基礎研究的發展也有類似的情況,研究所大幅增加卻也看不出整體國民科學水平的顯著提昇.
現今最應該做的我們認為是整體教育體系的完善規劃,現有教學及研究資源的整合,以及教學品質與教學熱誠的提昇.否則,空有多元入學, 本期要特別感謝在本系進修的吳鳳技術學院的陳永隆老師提供我們百年來量子物理的第二部分以及虎尾技術學院的洪晉穎老師提供的三度空間分子模擬輔助化學教學簡介.此外,本期諮詢月刊因故延後出刊,在此鄭重向各位讀者表達歉意.
譯自D. Kleppner and R. Jackiw Science 2000, 289, 893. 中正大學化學系 陳永隆
1920年代中期，就在量子力學發展之際，另一波革命，量子物理的第二支-量子場理論也開始萌芽奠立基礎。然而不像量子力學是在短促疾風似地活躍中完整地建立起來，量子場理論有一個曲折的歷史，一直到今天這個發展仍舊延續著。儘管研究仍有許多困難，量子場理論是所有物理學裏最精確的，而且是建構理論研究上某些極重要領域的典範。 1916年，愛因斯坦(Einstein)提出自發輻射，企圖解釋量子場理論中的一個疑問，原子的電子從激態跳到基態時如何放射出光？但他無法計算出它的速率。為解決此問題，於是發展出光的量子理論。量子力學是物質的理論，而量子場理論則是場的理論，不只是電磁場，尚且包括其後所發現的場。 波恩(Born)、海森堡(Heisenberg)和焦耳頓(Jordan)在1925年出版一些光理論的起始概念，之後的萌芽階段則由狄拉克(Dirac)擔綱，他是一位年輕而且默默無聞獨立工作的物理學家，在1926年發表他的場論。該理論充滿陷阱(pitfalls)：龐大的計算複雜度、無限量的預測而且明顯地違反對稱原理。 1940年代後期，費因曼(Richard Feynman),許文格(Julian Schwinger)和朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)發展出量子場理論的新方向-量子電動力學(QED)。他們藉著再正規化來避免無限大，也就是減少無限量以便得到有限的結果。因對於複雜的的理論方程式沒有正確的解，所以用一系列難以計算的項目來表示近似解。雖然這些項目持續變小，在某些點上將開始變大。無論如何，QED是物理史上最成功的一部分，它描述電子和磁場的交互作用強度，而且已經被實驗證實。QED雖然成功，卻引進了一些難以理解的現象。最初認為”空洞”為真空是不合理的，已被證明”空洞”並非真的空無一物。相反地，它充滿著小、往復波動的電磁場，這些真空的波動被用來解釋自發輻射，再者，它們在原子的能量和電子的性質方面產生小但可測量的偏移，這些效應已經被一些精確的實驗證實。在低能量時，量子力學是很精確的，但在高能量時，必須考慮到相對論效應，需要更廣義的研究。量子場理論被發明用來調合量子力學和狹義相對論。 量子場理論在物理學所扮演的崇高地位，來自於它對自然界物質本性的解釋，量子場理論解釋為何有費米子(fermions)和玻色子(bosons)兩類基本粒子，以及它們的性質與本身自旋的關係，描述粒子(光子、電子、正電子)如何產生和毀滅，解釋量子力學令人費解的一致性(identity)，相同粒子如何絕對地相同，因為它們在相同的場產生。QED不只描述電子，尚且包括輕子(leptons)-μ介子(muon)、τ介子(tau meson)和它們的反素粒子(antiparticles)。因為QED是描述輕粒子的理論，無法用在像重子(hadrons)這種較複雜的粒子。重子包括有質子、中子和大部份的介子。為了描述重子，於是把QED廣義化，產生了量子色動力學(quantum chromodynamics)。量子電動力學(QED)和量子色動力學(QCD)間非常類似。電子是原子的組成要素，夸克(quark)是重子的組成要素。在QED，帶電粒子間的作用力和光子有關，在QCD，夸克間的作用力和膠子(gluon)有關。不管它們間如何的相似，有極重要的差別存在QED和QCD間，不像輕子和光子，夸克和膠子永遠被禁閉在重子內，不能被游離出來研究。 QED和QCD是標準模型(Standard Model)的基礎，標準模型成功地解釋過去年代所進行的每一個粒子的實驗。無論如何，對於很多物理學家而言，標準模型是不適合的，因為基本粒子的質量、電荷和其它性質等數據必需從實驗獲得。一個理想的理論應該是可以預測全部的性質。 今天，探求物質的根本性質仍是科學研究的焦點，這讓我們回憶起在不可思議的年代裏建立了量子力學，他們的研究成果都是有著相當深遠的影響。不可避免地，我們把努力界定在重力的量子化描述上，努力了半世紀，雖然在QED的電磁場之量子化程序非常的出色，但在重力場時則失敗。這是一個吹毛求疵的問題，若廣義相對論和量子力學都正確，他們對於相同的事件必須提供一致的描述。在我們周遭的世界並沒有任何矛盾，因為重力和原子內電子的作用力比較是如此地微弱，以致於量子效應是可以忽略的，而古典敘述是如此的漂亮。但是對於黑洞系統而言，重力是非常地強，我們沒有可靠的方法來預測量子的行為。 一百年以前，我們對物理世界的瞭解是來自於觀察的經驗，量子物理給我們物質和場的理論，以及改變世界的知識。放眼下一世紀，量子力學將繼續提供基本概念和工具給所有的科學。因為量子物理提供正確和完整的理論，我們可以做可靠的預測。無論如何，今天的物理學和1900年的物理學仍有共同點：它仍然是經驗主義的，我們不能完全預測物質的基本組成性質，我們仍必須要測量它們。或許弦理論(string theory)或是一些現在僅止於構思的理論將解答這些謎題，所謂弦理論就是廣義化的量子場理論，除去無限大而以像點的物體(例如電子)取代。不管結果如何，期望徹底瞭解的夢想將繼續是一股向新知識推進的力量，從今以後一百年，追求夢想的結果將超過我們的想像力。 作者簡介：
1897 Pieter Zeeman 指出因為原子內帶電粒子的移動而放射出光。 Joseph John(J.J.) Thomson 發現電子。 1900 Max Planck 在量子化的能量輻射一文中，解釋黑體輻射，量子理論於是誕生。 1905 Albert Einstein 提出光具有波的性質，而且由不連續的、量子化的成束能量所組成，後來被稱為光子。 Ernest Rutherford 提出原子的原子核模型。 1913 Niels Bohr提出原子的行星式模型，以及電子存在於固定的能態，並解釋氫原子光譜。 1914 James Franck和Gustav Hertz 經由電子的散射實驗證實固定能態的存在。 1923 Arthur Compton 觀察到x-射線和電子互相作用時就像迷你撞球一樣，因此提供光具有粒子性質的進一步證據。 1923 Louis de Broglie 將波-粒子二相性廣義化，建議物質的粒子也具有波的性質。 1924 Satyendra Nath Bose和 Albert Einstein 發現計算粒子數的方法，稱為玻色-愛因斯坦統計法，他們預測極低溫的原子將凝結成單量子態，後來稱為玻色-愛因斯坦凝態。 1925 Wolfgang Pauli 提出不相容原理。 1925 Werner Heisenberg , Max Born 和 Pascual Jordan 發展矩陣力學，這是量子力學的第一種形式，邁向量子場理論的起始步驟。 Erwin Schrodinger 發展量子物理的第二種形式，稱為波動力學，包括科學上最有名的薛丁格方程式。 1926 Enrico Fermi 和 Pau A. M. Dirac 發現量子力學須要第二種方法來計算粒子數，稱為費米-狄拉克統計法，開啟通往固態物理的大道。 1926 Dirac 出版光的量子理論。 1927 Heisenberg 提出測不準原理，在同時間不可能準確測量粒子的位置和動量。 1928 Dirac 發展相對論效應的電子理論，包括反物質(antimatter)的預測。 1932 Carl David Anderson 發現反物質，一個稱為正電子(positron) 的反電子(antielectron)。 1934 Hideki Yukawa 提出原子核是藉由稱為介子(meson)的粒子來 傳遞作用力，就像光子傳遞電磁場的作用力一樣。 1946-1948 Isidor I. Rabi , Willis Lamb 和 Polykarp Kusch 做實驗指出狄拉克理論的矛盾。 1948 Richard Feynman , Julian Schwinger 和 Sin-Itiro Tomonaga 發展出光子和電子交互作用的第一個完整理論，稱為量子電動力學，解釋狄拉克理論的矛盾。 1957 John Bardeen , Leon Cooper 和 J.Robert Schrieffer表示電子可能成對，它的量子性質允許它們無阻礙地旅行，提供對超導的零電子阻力的解釋。 1959 Yakir Aharonov 和 David Bohm預測電磁場藉古典物理的禁閉方法影響電子的量子性質。在1960年觀察到阿哈羅諾夫-玻姆效應(Aharonov- Bohm effect)，而且暗示出意想不到的巨觀效應。 1960 Charles Townes , Arthur Schawlow等發展功，Theodore Maiman 發展第一個實用的雷射。 1964 John S.Bell 提出 ”貝爾不等式”(”Bell’s inequalities”)的實驗測試，是否量子力學可以提供最完整可靠的系統描述。1970s 建立粒子物理的標準模型的基礎，物質是由夸克和輕子所構 成，它們經由四元力(four physical forces)互相作用。 1982 Alain Aspect 進行 ”貝爾不等式”的實驗測試，證明量子力學的完整。1995 Eric Cornell , Carl Wieman 和 Wolfgang Ketterle冷卻金屬至小於百萬分之一等級的絕對零度，捕捉金屬原子雲，產生玻色-愛因斯坦凝態，是70年前首次被預測，這項成就導致原 子雷射和超流體的產生。
從事幾年的普通化學及實驗教學下來,個人覺得光靠課堂上的講授、黑板的抄寫、繪圖等,仍有部份的教材內容,無法順利表達,讓學生的學習因而打了折扣。上述情形雖然可以藉由各種教學媒體(教學錄影帶、投影片、幻燈片…)的輔助,而獲得改善。但是教師穿梭於班級教室間,攜帶各種教具或模型,實在不方便,若加上教室中支援設備的不足,常會造成時間的浪費,影響進度。 傳統式的教學輔助媒體(教具、模型…等),由於數量有限,所以經常只是由教師在講台上示範說明,難得有機會讓學生動手體驗。若以塑膠製品的分子骨架模型而言,「球」上的鑽孔以及「棒」的長度皆已固定,使用上甚是不便,更別提鍵長、鍵角些微改變時,能確實展現出來。下課以後,學生也很少能借用該模型,反覆練習。 由於傳統的教具在操作上不太方便,加上國內使用微電腦的人數日益增多,資訊網路的便利性,使得學生的學習方式更加多樣化。以往的化學教學方式,已有不敷學生需求的現象。為了順應時代潮流,乃將化學中分子結構及相關內容,以3-D電腦模擬方式繪圖,經由電腦網路連結,將教材內容展示出來,讓學生可以不受時間、空間的限制,隨時取得相關資料,輔助學習。 本項工作的初期,我們參照虎尾技術學院化學課程及化學實驗所使用之化學藥品,利用 HyperChem 軟體或 PC SPARTAN Pro 軟體,繪製該化學品的三度空間分子模擬(Molecular Modeling)圖形,儲存成 Brookhaven PDB 的檔案格式。當使用者以MDL Information Systems Inc.發展的Chime 軟體,外掛(plug-in)在網頁(web page)上,可以2D和3D的分子模擬顯示,了解該化學品的最佳化結構(Optimized Geometry)。使用手動或自動的旋轉 (rotation), 能以各種角度觀看圖形。也可以經由滑鼠按鈕動作,量測分子模擬的鍵長(Bond Distance)、鍵角 (Bond Angle)、二面角(Dihedral)或(Torsion)等性質。使用者可依自己的喜好,設定不同顯示方式,如此不但獲得各分子的基本資料,使用操作時也不致於太過單調。學生除了利用上網瀏覽的方式以外,若想要更進一步了解該分子,我們亦可提供光碟資料片,讓同學以SPARTAN View軟體瀏覽,期能對學習有所助益。 本輔助教學網頁現已完成普通化學課程專題簡介,以及普通化學實驗所使用藥品的分子模擬展示,網址為 http://www.chem.ccu.edu.tw/~cyhung/index.html 歡迎您參觀、使用。如有欠妥之處,尚祈諸位先進多多賜予指正。
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