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第二章
物質的組成
2-1
物質由原子組成
1
2-1 物質是由原子組成的

費曼( Feynman)
1918~1988
美國物理學家

只能用一句話概括人類
有史以來所獲得的最重
要科學知識,那句話會
是什麼?
所有的物質都由原子組成!
2
從原子觀點看物質三態
固態
液態
升溫
升溫
降溫
平均距離
性質
很近
固體內的原子或
分子並非固定不
動,而是在各自
的平衡位置附近
作振動。
氣態
降溫
稍遠
原子或分子間彼
此束縛的作用力
相對減小,無法
將其拘束在固定
的位置上。
極遠
當原子或分子間
的距離夠大時,
作用力會減弱到
原子或分子完全
掙脫彼此的束縛。
3
原子論的歷史
 西元前5世紀的古希臘哲學家劉基伯
(Leukippos) 與其學生德謨克理特
(Democritus)提出物質碎片會小到不
可再分的觀念,並稱這種物質的最小
組成單位為“原子”(atom)
(意思是“不可分割)
 在這些觀念的基礎上,發展了物質由
火、氣、水、土這四大元素組成。
4
原子論的歷史
 1808年道爾頓發現相同的兩種元素生成兩種或兩種以
上的化合物時,若其中一種元素的質量不變,另一種
元素在化合物中的相對重量成簡單的整數比,稱為倍
比定律。
例如:一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)同是碳的氧化物。
100克的碳和133克的氧反應以生成一氧化碳,和266克氧反應
以生成二氧化碳。因此,可以和100克反應生成此二種碳氧化
物的氧,其質量比是1:2(133:266),為簡單整數比。
 道爾頓認為倍比定律可看作是原子論的一個間接推論。
5
哪個實驗證實原子的存在?
 布朗運動:
英國植物學家布朗(1827)
觀察到載玻片上的液滴雖然是
靜止的,懸浮其中的花粉 卻一
直不停地進行著不規則的折線
運動,此現象稱為布朗運動 。
6

解釋:
1.愛因斯坦認為布朗運動是花粉受周圍水分子不均勻的
碰撞所致。花粉的體積遠大於水分子,一般來說,受到來
自四面八方水分子碰撞的力道大致相等,花粉所受合力
為零,因此會作等速運動。
2.但有時候,受到周圍水分子的碰撞較不均勻時,花粉所受
合力不為零,因此運動的方向及速率便會發生變化。
3.由於水分子和花粉間的碰撞是隨機的,故造成了花粉的
不規則運動。1905 年愛因斯坦甚至利用統計的方法算
出花粉進行折線運動的平均距離。

布朗運動被公認為原子或分子存在的直接證據。
7
原子的大小
1mm(毫米)=10-3m
1μm(微米) =10-6m
1nm(奈米) =10-9m
1 Å(埃) =10-10 m
十億分之一米
1.氫原子的半徑約為1 Å=10-10公尺
2.原子的質量(atomic mass unit 簡寫為a.m.u.)
1a.m.u=1.66x10-27kg
8
Q:我們是否以光學方法可以看見原子?
答:不行,因為 原子的大小大約數個 A
可見光的波長約 3800 A ~ 7700 A 之間
用光學顯微鏡無法看見任一顆獨立的 原子或分子
9
原子顯微鏡
 二十世紀的科學家能使用原子顯微鏡「看到」
或操控原子或分子排列的方式
偵測物理
中文名稱
量
原子力
AFM 原子力顯微鏡
STM 掃描穿隧顯微鏡 穿遂電流
橫向解析
度
0.2 nm
0.2 nm
10
原子力顯微鏡
(AFM)
探針
原理:尖針與樣品表面原子間的作用力,會造成懸臂的微
小偏折由反射光反推懸臂偏折的程度,並計算出探
針與樣品表面的距離重覆上述步驟,便可拼湊出樣
11
品表面原子排列的圖像。
原子力顯微鏡
(AFM)
AFM下的DNA
AFM下人類染色體
12
電子掃瞄穿隧顯微鏡(STM)
 量子穿隧效應:
粒子能穿透比動能更高之位能障礙的現象。
穿隧效應在古典概念
下是無法理解的,它
是微觀粒子具有波動
性的表現。
13
 利用電子的穿隧效應,重新描繪物質表面的奈米結構。
電子穿隧電流示意圖
14
平移原子操縱術
探針
針尖
氙原子
鎳基板
1990 IBM以35個
氙原子Xe在鎳基板上
排列成IBM三個英文
字母
15
IBM利用原子操縱術
將鐵Fe分子在 Pt 鉑表
面上所排列出中文字原
子。
CO分子在 Pt 表面上所排列出的
「分子人」,其身高只有5 nm。
分子操控術微電
16
範例一:
一個原子與分子到底有多大呢?這個問題,早已由美
國著名的政治家也是科學家富蘭克林(Benjamin
Franklin,1706~1790)在1773年寫給朋友的一封信中
提及:他曾將一茶匙的油倒在平靜的湖面上,發現油
會迅速擴張,直到蓋住約半畝的湖面就不再擴張了。
假設此實驗中一茶匙油的體積約為5.0立方公分,半畝
湖面的面積約為2.0 × 107平方公分,油的密度約為0.95
克/立方公分。假想油分子的形狀是正球體,且彼此
緊密的倚靠著而暫時忽略球體間的空隙,則依此回答
下列問題:
17
(1) 假設覆蓋在湖面的油層只有一個分子厚,則估算
一個油分子的直徑為何?
(2) 已知半徑為R的正球體,其體積為4/3πR 3,由此
估計湖面上約有多少個油分子?
(1) V=A × h,
5(cm3)=2 × 107(cm2)× h
h=2.5 × 10-7公分=2.5 × 10-9公尺=2.5奈米(nm)
(2)一個油分子之體積=4/3πR3=4/3π× (1.25 × 10-9 )3
≒8.2 × 10-27(m3)
 5.0立方公分=5 × 10-6(m3)=N × 8.2 × 10-27(m3)
 N≒6.1 × 1020(個)
18
2-2
原子與原子核的組成
19
電子的發現
1897年湯木生將附有電極的玻璃管抽掉空氣,並
在電極上通以數千伏特的電壓,陰極會發出一種
射線,此射線具有以下特性:
(a)陰極射線由陰極發射,飛向陽極: 帶負電
(b)遇到障礙物,可形成陰影: 走直線
(c)可使管內的金屬薄片風車轉動: 帶有動量
20
電子的荷質比
補充
靜電力qE越大
電子加速度越大
偏折程度越大
eE
e
湯木生測量出電子電荷與質量比值稱為荷質比
m
e
11
m
= 1.76×10 庫倫公斤。
陰極射線與管內殘存的氣體種類和所使用的陰極材料無
關。其荷質比值均相同,顯示不同種金屬原子中,均含
有相同的帶負電粒子,此粒子稱為電子(electron)21
米立坎油滴實
驗
 由實驗數據發現:各油滴所帶電量恰成一簡
單的整數比。
 結論:電荷量子化
電量有一最小的單位存在,稱此電量的最小單
位為基本電荷,符號為e;e=1.60 × 10-19庫侖。
22
23
24
 測出電子的電量後,再依據湯姆森已測得的
電子荷質比,經過計算就可得電子的質量 m
e
+
=1.76×10 11 C/kg 講義數量級有誤
m
e=1.60×10
-19
C
Þ m= 9.11×10-31 kg
25
原子模型-湯木生葡萄乾布丁模型
 1904年湯木生-葡萄乾布丁模型
正電荷呈連續均勻的球狀分布,電子均勻散布在
正電荷中。如同葡萄乾分布於布丁球中。
26
原子模型-拉塞福行星模型
 1911年拉塞福從 α 粒子射擊金箔的實驗數據推
論原子應該存在一原子核,經過計算後建立了有
核原子模型。
27
 實驗結果:
(1)多數α粒子的散射角(α粒子散
射前後偏折的角度)都很小,
幾乎都是直線通過金箔,運動
方向無顯著改變。
(2)少數α粒子的散射角較大,大
約每8000顆α粒子會有1顆做超
過90°的大角度散射,甚至有散
射角為180°的反向散射。
結論:正電荷是集中的,有原子
核的存在。
28

拉塞福從實驗數據推算出
電子運動的範圍可代表原子的大小﹐氫原子核的
半徑約為 1 費米(1 fm)
1 fm = 10-15 m

拉塞福提出行星模型:
電子受到原子核的庫侖靜電引力作用,繞行原子
核作圓軌道運動。
29
範例二
說明α質點通過金箔之散射現象,原子模型必須
具備哪些特徵?
(A)原子內質量均勻分布
(B)原子內正、負電荷均勻散布
(C)原子內大部分空間必定空無一物
(D)原子內質量集中一小區域
(E)原子內一小區域帶正電
Ans:CDE
原子核的組成
 1919 年拉塞福再以帶電的粒子撞擊各種原子核時,發
現都有帶正電且與氫原子質量相同的粒子產生。推斷
各種原子核內皆帶正電的粒子 ─ 稱之為質子(proton)
的存在。
But…….若原子核都是由質子構成。
例如:鈹原子核,其質量約為質子的 9 倍,因而應含有 9
個質子,核內電荷也應為 +9 個單位;但鈹原子的電子總
數只有 4 個,正電荷數明顯過多,而無法維持電中性。
31
中子的發現
1932 年英國科學家查兌克在實驗
中發現,以 α 粒子撞擊原子核,
產生了一種質量與質子幾乎一樣,
但不帶電的中性粒子 ─ 中子
(neutron),推論原子核內(除氫原
子核外)皆有中子存在。
32
 原子序:
(1)實驗發現各元素的原子核所帶的的正電量恰為基
本電荷的Z倍(+Ze)。
(2)同一種元素其原子核內的質子數必相同。科學家
便以質子數來區別元素的種類,並藉它作為原子
排列順序的參考,稱為原子序。
 質量數:
若取氫原子的原子量為1,則各元素的原子量接
近一個整數值(A),A為原子的質量數。
33
原子核的表示法
質量數A
=質子數Z+中子數N
原子序Z
=質子數
=電子數
9
4
Be
34
同位素
同位素= 原子序 相同, 質量數 不同
235
92
U
電子數92
質子數92
中子數235-92=143
80
Br
35
238
92
U
電子數92
質子數92
中子數238-92=146
電子數36
質子數35
中子數80-35=45
35
原子內的質子
是否可以再分割?如何證實?

1960年美國科學家蓋爾曼提出夸克理論,質子、
中子均是由夸克組合所形成。
蓋爾曼在愛爾蘭小說家 喬伊斯(James
Joyce)的小說 《芬尼根守靈記》
(Finnegan‘s Wake)讀到了 quark 這個
詞, 遂決定以此為其理論命名。
36
1970 年左右在美國
史丹福加速器中心
(Stanford Linear
Accelerator enter,
SLAC)以高速電
子撞擊質子實驗。
37
以高能量電子撞擊質子時,大部分電子偏折不明顯,僅少
部分電子會強烈偏轉(由於電子能量非常高,可進入質子
內部﹐讓其內部的組成成分散開,而形成各種粒子)。
38
夸克(quark)
證實質子內部不是分布均勻的物質,是有「點狀」
結構的更緊密的、微小的粒子存在,這個粒子被稱
為夸克(quark)。
質子內部質量與電荷分
配不均勻,有點狀結構,
分別由三個夸克所形成,
其大小約為質子大小的
千分之一。
39
以高速電子撞擊中子,也得到類似結果,並且發現
中子內部是由三個夸克所組成。
實驗上還未發現夸克及電子是由更基本的部分所組成,
故稱夸克與電子為基本粒子
40
重
補充資料
第一代
第二代
第三代
上夸克U
魅夸克c
頂夸克t
夸克的種類
電荷量 
下夸克d
奇夸克s
2
3
底夸克b
電荷量 -
質量較輕的夸克
1
3
日內瓦大強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC)的俯瞰圖。
42
日內瓦大強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC)的示意圖。
43
44
原子內部的結構
電
子
原
子
湯木森(利用陰極射線管發現電子,計算
電子 荷質比 =1.76 × 1011庫侖/公斤)→
密立坎(油滴實驗得電子電量e=1.60 × 10
-19庫侖)→電子的質量9.11 × 10-31公斤
拉塞福(α粒子散射金箔實驗)→發
現 原子核
→有核原子模型
原
子
核
質
子
拉塞福發現
中
子
查兌克發現
1. 蓋爾曼提出質子和
中子都是由更小、更基
本的夸克所組成
2. 物理學家至今已實有
六種夸克存在
基
本
粒
子
夸
克
45
第四章
物質的基本作用力
46
自然界的四個基本作用力
47
4-3
強
強力與弱力
力
原子核穩定地存在,代表著核內勢必存在有比靜電力
更強大的吸引力,致使原子核內的質子與中子能夠緊
緊地結合在一起。
48
強
力
存在於原子核內核子間(質
子與中子)束縛的作用力稱
為強交互作用力或核力
故質子-質子
質子-中子
中子-中子間
之間的作用力通
稱為強作用力
49
補充資料
1949年諾貝爾物理獎:介子
湯川秀樹為第一名獲得諾貝爾獎的日本人,他提
出了介子傳遞核子間的強相互作用力
抵抗了質子之間的強大的電磁力
維持了原子核的穩定。
 預測了介子的存在與其近似的質量 ,其質量為電
子的273倍

50
強
力
除了核子間的交互作用
夸克與夸克之間也存在一種束縛的交互作用力
此種交互作用力也是歸屬於強作用力的範疇。
51
強
力
強力是一種短程的作用力,當核子之間的距離小
於 10-15 m 時,強力作用非常明顯。
距離大於 10-15 m 時﹐強力作用衰減非常快,甚至可
以忽略。
在巨觀現象中,並無法察覺到強力的作用。
52
左圖為穩定原子核之中子
數N和質子數Z的關係線。
Z<20 。
中子數會等於質子數
Z>20
,是因為原子核內的靜電
排斥力隨質子數的增加而
變大,故需要較多的中子
來增強核力的吸引,以克
服質子間的靜電排斥力。
53
原子序大於82(鉛)的元素,因原子核內質子數眾多,質
子之間的強大靜電排斥力會使得原子核變得不安定,而
產生衰變,這些元素稱為 放射性元素 ,具有天然放射性。
α射線:帶正電的 氦原子核 。
β射線:帶負電的高速 電子 。
γ射線:電磁波,波長比X光還短。
54
弱
力: β 衰變
Th 
234
90
234
91
Pa+   
0
1
原子核 X 會釋放出電子而變成另一個原子核 Y
A
Z
X
Y+ 
A
Z+1
0
1
β衰變:原子序 加1 ,但質量數不變
55
弱
力: β 衰變
中子 = 質子 + 電子 ??
中子質量 =1839me
質子質量  1836me
56
弱 力: β 衰變
中子(n)衰變成一個質子(p)及反微中子
質子
電子
反微中子
中子
反微中子
質量接近零、 中性不帶電的基本粒子
57
弱 力: β 衰變的逆過程
在核反應中,質子與質子碰
撞後有時可形成氘核
與正電子加微中子。
+
p ®n+e +v
微中子 v 質量接近零、
中性不帶電的粒子
58
弱力 : β 衰變
β 衰變的作用
中子(n)衰變成質子(p)與電子的過程。
β 衰變的逆過程
質子(p)衰變成中子(n)與正電子的過程。
中子裡原本沒有電子存在,但是衰變時卻會射出電子,
則代表有某種力的作用使物質本身的組成產生本質上
的變化。 此種作用力稱之為弱交互作用或弱力。
弱力作用的範圍比強力作用的範圍更短(約 10-18 m)
為一種短程的作用力
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西元 1960 至 1970 年間,科學家發現弱力和電磁力
事實上是「電弱力」 在不同情況下的不同表現。
目前我們能說自然界中的力可統一分類成
重力﹑電弱力與強力三種.
大一統理論?
重力
強力
電磁力
弱電作用力
標準模型
弱力
60
基本粒子的家族
?
61
範例一
質子和中子能組成穩定的原子核結構,下列
哪些選項是其主要原因? (102年學測)
(A)質子和質子間的電磁力 (B)質子和中子間
的電磁力 (C)質子和質子間的強作用力(D)質
子和中子間的強作用力 (E)中子和中子間的強
作用力 (F)中子和中子間的弱作用力
Ans:CDE
62

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