“探秘生活中常見熒光物質(zhì)與熒光現(xiàn)象”活動(dòng)案例*

徐惠+朱鵬飛

摘要：介紹了在教師指導(dǎo)下學(xué)生開展對“熒光現(xiàn)象”探秘的綜合實(shí)踐活動(dòng)。具體包括文獻(xiàn)研究熒光現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理；尋找生活中常見的熒光物質(zhì)：葉綠素a、原卟啉IX、維生素B2、奎寧、熒光增白劑、羅丹明B等；利用這些物質(zhì)完成趣味熒光實(shí)驗(yàn)；調(diào)查熒光現(xiàn)象在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，并最終在實(shí)驗(yàn)研究和理論研究的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確評價(jià)熒光現(xiàn)象的意義。

關(guān)鍵詞：熒光物質(zhì)；熒光現(xiàn)象；中學(xué)化學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)

文章編號：1005–6629（2014）2–0031–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

綜合實(shí)踐活動(dòng)是區(qū)別于學(xué)科課程的一門非學(xué)術(shù)性課程，主要是通過學(xué)生的親身實(shí)踐，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法、增強(qiáng)科學(xué)探究的能力、加深對社會(huì)的了解、加強(qiáng)課堂知識(shí)和社會(huì)生活的聯(lián)系[1]。目前綜合實(shí)踐活動(dòng)作為國家規(guī)定學(xué)校必須執(zhí)行的一門課程，已受到各個(gè)學(xué)校的重視，我們也在摸索和探尋中嘗試開展化學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)，并力求在活動(dòng)與實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)。

2011年關(guān)于“紙巾熒光劑超標(biāo)”[2]以及“豬肉發(fā)熒光”[3]等新聞報(bào)道頻頻見諸各類媒體，學(xué)生因這類新聞而激發(fā)出了對于熒光現(xiàn)象以及熒光物質(zhì)的強(qiáng)烈好奇心。鑒于此，我們在參加化學(xué)競賽的學(xué)生中開展了“探秘生活中常見熒光物質(zhì)與熒光現(xiàn)象”這一密切聯(lián)系生活實(shí)際的化學(xué)綜合活動(dòng)?；顒?dòng)開展的過程中不僅提升了學(xué)生的化學(xué)研究能力，拓展了學(xué)生的化學(xué)視野、增強(qiáng)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，更為今后進(jìn)一步開展其他化學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)積累了一些實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)介紹如下。

1 實(shí)施方案

1.1 知識(shí)和技能準(zhǔn)備

綜合實(shí)踐活動(dòng)指導(dǎo)教師首先對參加實(shí)踐活動(dòng)的學(xué)生進(jìn)行“圖書館資料如何查詢”、“中國知網(wǎng)如何使用”、“網(wǎng)絡(luò)搜索引擎介紹”等幾方面內(nèi)容的講授，使學(xué)生了解獲取基本知識(shí)的來源和方法。然后結(jié)合中學(xué)實(shí)際介紹“苯環(huán)的芳香性”、“剛性平面”、“電子躍遷”等基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)，為學(xué)生閱讀與“熒光”相關(guān)文獻(xiàn)打下基礎(chǔ)。最后綜合實(shí)踐指導(dǎo)老師還必須對需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)生進(jìn)行基本的實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，以使學(xué)生掌握該綜合實(shí)踐活動(dòng)所需的基本實(shí)驗(yàn)操作技能。

1.2 綜合實(shí)踐小組的劃分及研究內(nèi)容和方案

為使得綜合實(shí)踐活動(dòng)能夠在學(xué)校規(guī)定的課程實(shí)施時(shí)間內(nèi)順利完成，并使得學(xué)生學(xué)會(huì)團(tuán)隊(duì)分工合作，我們在實(shí)施該綜合實(shí)踐活動(dòng)時(shí)按照學(xué)生個(gè)人興趣愛好以及課題研究的幾個(gè)具體方面將參加該綜合實(shí)踐活動(dòng)的學(xué)生分為四個(gè)小組。

第一組負(fù)責(zé)查閱文獻(xiàn)獲知熒光現(xiàn)象產(chǎn)生的基本原因及熒光物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。要求將文獻(xiàn)結(jié)果整理成文并制作相應(yīng)PPT在整個(gè)課程實(shí)踐小組展示。

第二組學(xué)生結(jié)合文獻(xiàn)查閱和調(diào)查，尋找日常生活及自然界中常見具有熒光特性的物質(zhì)。要求查閱清楚所尋找到的熒光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，以及產(chǎn)生熒光的原因，并收集含有熒光物質(zhì)的實(shí)物若干，于整個(gè)實(shí)踐組展示。

第三組學(xué)生利用第二組同學(xué)尋找到的具有熒光特性的物質(zhì)設(shè)計(jì)完成引發(fā)這些物質(zhì)熒光現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并拍攝實(shí)驗(yàn)視頻或照片若干。

第四組學(xué)生通過文獻(xiàn)分析并結(jié)合另三組同學(xué)研究成果，撰寫“我眼中的熒光現(xiàn)象”綜述。要求通過調(diào)查了解熒光現(xiàn)象目前在日常生活各個(gè)層面的應(yīng)用實(shí)例，并結(jié)合調(diào)查的結(jié)果闡述如何正確地看待熒光現(xiàn)象。

2 成果呈現(xiàn)

2.1 第一組報(bào)告——熒光現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及熒光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該組同學(xué)利用搜索引擎以“熒光”為關(guān)鍵詞搜索了網(wǎng)絡(luò)資料，弄清了熒光產(chǎn)生的相關(guān)機(jī)理。并利用校圖書館館藏大學(xué)教材找到了熒光物質(zhì)所有具有的結(jié)構(gòu)特征。在實(shí)踐中提升了資料獲取能力以及信息整合能力。

2.1.1 什么是熒光

常溫下，當(dāng)某種物質(zhì)被某種波長的入射光（通常是紫外線或X射線）照射，吸收光能后即進(jìn)入激發(fā)態(tài)，并發(fā)出比入射光的波長長的出射光（通常波長在可見光波段，波長400～700 nm），具有這種性質(zhì)的出射光就被稱之為熒光[5]。而螢火蟲以及熒光棒則是通過化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象，一般稱為“化學(xué)發(fā)光”或“生物發(fā)光”，不屬于我們此處研究的“熒光現(xiàn)象”。

2.1.2 熒光現(xiàn)象產(chǎn)生的光物理過程

具有熒光性的分子吸收入射光的能量后（如圖1所示），該物質(zhì)中電子從基態(tài)S₀

（通常為自旋單重態(tài)）躍遷至具有相同自旋多重度的激發(fā)態(tài)S₁或

S₂

。處于激發(fā)態(tài)的電子可以通過各種不同的途徑釋放其能量回到基態(tài)。如激發(fā)態(tài)S₂ 的電子可經(jīng)由非?？斓模ǘ逃?0^-12秒）內(nèi)轉(zhuǎn)換過程無輻射躍遷至能量稍低并具有相同自旋多重度的激發(fā)態(tài)S₁ ，緊接著以發(fā)光的方式釋放出能量回到基態(tài)S₀ ，這里發(fā)出的光就是熒光，其頻率即為ν_F 。由于S₁ 激發(fā)態(tài)的能量相對低，故在這一過程中發(fā)出的熒光的頻率ν_F 低于入射光的頻率ν_A。熒光態(tài)的壽命為10^-8至10^-5秒。

此外，電子也可以先從激發(fā)態(tài)經(jīng)由系間跨越過程無輻射躍遷至能量較低且具有不同自旋多重度的激發(fā)態(tài)S₁ （通常為自旋三重態(tài)），再經(jīng)由系間竄躍等方式無輻射躍遷至激發(fā)態(tài)T₁ ，最后以發(fā)光的方式釋放出能量而回到基態(tài)S₀ 。由于激發(fā)態(tài)和基態(tài)S₀ 具有不同的自旋多重度，這一躍遷過程是被躍遷選擇規(guī)則禁戒的，因而需要比釋放一般熒光更長的時(shí)間（從10^-4秒到數(shù)分鐘乃至數(shù)小時(shí)不等）來完成該過程；當(dāng)停止入射光后，物質(zhì)中還有相當(dāng)數(shù)量的電子繼續(xù)保持在亞穩(wěn)態(tài)上并持續(xù)發(fā)光直至所有的電子回到基態(tài)，這種緩慢釋放的光通常被稱為磷光，磷光頻率為ν_p 。

2.1.3 具有熒光現(xiàn)象物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

發(fā)熒光的物質(zhì)一般具有下列結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）分子中含有共軛雙鍵等強(qiáng)吸收基團(tuán)，且在一定程度上共軛體系越大，π電子的離域性越強(qiáng)，越易被激發(fā)而產(chǎn)生熒光。（2）分子的剛性平面有利于熒光產(chǎn)生。剛性平面結(jié)構(gòu)主要可以減少分子的振動(dòng)和碰撞去活的可能，有利于熒光的產(chǎn)生。（3）諸如-OH、-NH₂、-OR等給電子取代基可使共軛體系增強(qiáng)，導(dǎo)致熒光增強(qiáng)[7]。

2.2 第二組報(bào)告——調(diào)查尋找生活中存在的典型熒光物質(zhì)

該組同學(xué)首先通過網(wǎng)絡(luò)和圖書館相關(guān)資料查詢具有熒光性質(zhì)的物質(zhì)名稱和結(jié)構(gòu)，再分析這些物質(zhì)可能存在于哪些日常生活常見的物品，最后再實(shí)地尋查菜場、藥店、超市等多個(gè)場地收集含有熒光物質(zhì)的具體物品。通過不懈的努力共尋得日常生活中含有熒光特性物質(zhì)多種（如表1所列）。

該組同學(xué)在完成本組任務(wù)的過程中不僅充分鍛煉了信息獲取能力，更走入了社會(huì)提升了溝通和交流的能力。

2.3 第三組匯報(bào)——利用生活中常見熒光物質(zhì)引發(fā)熒光實(shí)驗(yàn)

第三小組是由整個(gè)實(shí)踐小組實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ψ顝?qiáng)，且最喜歡動(dòng)手操作的學(xué)生組成的。他們不僅要設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案將第二小組同學(xué)收集來的含有熒光物質(zhì)的各種日常物品中的熒光物質(zhì)釋放，還要多次實(shí)驗(yàn)從而摸索出觀察到熒光現(xiàn)象的最佳途徑。多次的實(shí)驗(yàn)不僅是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘?，更是意志的鍛煉，熒光?shí)驗(yàn)的成功不僅證實(shí)第二組同學(xué)研究結(jié)果的真實(shí)性，更讓學(xué)生進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)是化學(xué)的基礎(chǔ)。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)1 葉綠素?zé)晒鈱?shí)驗(yàn)

所需儀器與試劑：紫外光源（波長315～400 nm）、研缽和研杵、100 mL燒杯、3～5片菠菜葉子、95%乙醇。（此處使用紫外光源為網(wǎng)購一般驅(qū)蟲用的黑光燈）

實(shí)驗(yàn)過程：取2～3片菠菜葉在研缽中磨碎，然后將研碎的菠菜葉溶解在50 mL 95%乙醇中，過濾得濾液。在暗室用紫外光源照射菠菜汁，觀察熒光。如果觀察不到熒光，加入乙醇稀釋該溶液。實(shí)驗(yàn)觀察到綠色溶液在紫外燈照射下呈現(xiàn)紅色熒光。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)2 原卟啉熒光實(shí)驗(yàn)

所需儀器與試劑：紫外光源（波長315～400 nm）、100 mL燒杯、棕色殼雞蛋2只、0.1 mol/L鹽酸。

實(shí)驗(yàn)過程：將2只棕色蛋殼放入50 mL 0.1 mol/L鹽酸中，鹽酸與蛋殼中的碳酸鈣反應(yīng)，雞蛋殼表面立即產(chǎn)生大量的氣泡，待碳酸鈣反應(yīng)完畢后，蛋殼中的原卟啉被釋放出來。在暗室中用紫外燈照射含有原卟啉的溶液，可以觀察到綠色熒光現(xiàn)象。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)3 維生素B2熒光實(shí)驗(yàn)

所需儀器與試劑：紫外光源（波長315～400 nm）、100 mL燒杯、研缽和研杵。

實(shí)驗(yàn)過程：在研缽中將復(fù)合維生素片研磨成粉末，并將粉末轉(zhuǎn)移到燒杯中加50 mL水溶解，隨后在暗室中用紫外光照射，可觀察到黃綠色熒光現(xiàn)象。

2.3.4 實(shí)驗(yàn)4 奎寧熒光實(shí)驗(yàn)

所需儀器與試劑：紫外光源（波長315～400 nm）、100 mL燒杯、黑松汽水或通力水。

實(shí)驗(yàn)過程：將黑松汽水倒入燒杯中，直接在暗室中用紫外燈照射，可觀察到紅色熒光。

2.4 第四組匯報(bào)——如何正確看待熒光現(xiàn)象

第四組同學(xué)通過網(wǎng)絡(luò)和各類期刊文獻(xiàn)調(diào)查熒光現(xiàn)象的應(yīng)用范圍、應(yīng)用實(shí)例以及應(yīng)用原理，并將所調(diào)查的結(jié)果寫成綜述，在整個(gè)綜合實(shí)踐小組展示。學(xué)生在綜述的過程中學(xué)習(xí)了科技文獻(xiàn)的寫作，提升了資料整合能力。

2.4.1 熒光現(xiàn)象的應(yīng)用綜述

2.4.2 對于熒光現(xiàn)象的評價(jià)

熒光現(xiàn)象是特殊結(jié)構(gòu)的物質(zhì)產(chǎn)生的特殊光化學(xué)現(xiàn)象，廣泛存在于我們的生活之中。此類現(xiàn)象并不神秘，我們應(yīng)從容看待，遇到諸如“豬肉熒光”等新聞報(bào)道時(shí)不應(yīng)為事物表面的“神秘”所蒙蔽，而應(yīng)具有從事物本質(zhì)看待具體問題的基本觀念。此外，正確利用熒光物質(zhì)和熒光現(xiàn)象可更多發(fā)展科技，造福人類。如奎寧等物質(zhì)本身具有熒光性，但人們關(guān)注這類物質(zhì)熒光性以外的用途，也是對物質(zhì)應(yīng)用的不同方面。同時(shí)也應(yīng)注意熒光現(xiàn)象使用的適度問題，如利用熒光物質(zhì)給紙類等增白不應(yīng)一味追求“白”而忽略熒光物質(zhì)給人類健康帶來的危害。只有根據(jù)生產(chǎn)生活實(shí)際，合理適度利用熒光現(xiàn)象才是科學(xué)的做法。

3 總結(jié)與反思

本綜合實(shí)踐活動(dòng)，是我們嘗試在學(xué)生中開展的一個(gè)較具學(xué)科深度的研究課題。通過該課題的開展，我們認(rèn)為化學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課題的選擇應(yīng)充分關(guān)注生產(chǎn)生活熱點(diǎn)與學(xué)生的興趣點(diǎn)，兼顧這兩點(diǎn)的課題能夠充分激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，為活動(dòng)的順利開展提供的動(dòng)力與激情。

本活動(dòng)的開展教師并未完全放手，而是在最初的知識(shí)準(zhǔn)備階段和活動(dòng)小組建立過程中發(fā)揮了主導(dǎo)作用，教師有效的組織和引導(dǎo)是順利開展綜合實(shí)踐活動(dòng)的重要保障。

該綜合實(shí)踐活動(dòng)從內(nèi)容上看，涉及理論的學(xué)習(xí)，文獻(xiàn)的查找、實(shí)驗(yàn)的開展、物質(zhì)的尋求等多個(gè)方面，要求學(xué)生通力合作方可完成。多方面能力的培養(yǎng)是綜合實(shí)踐活動(dòng)開展的宗旨，綜合實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧以上所述各個(gè)層面。

從最終呈現(xiàn)的活動(dòng)成果來看，我們的研究并未能涵蓋“熒光現(xiàn)象”的所有問題，研究的結(jié)果也未能提出創(chuàng)新的觀點(diǎn)。但綜合實(shí)踐活動(dòng)側(cè)重于學(xué)生科研意識(shí)、分析問題能力以及實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)，為今后發(fā)展打下基礎(chǔ)。

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