基礎物理(一) CH2 物質的組成 2-1 物質與原子組成

主題一 原子論

原子說的興衰 物質是連續的： 代表人物：亞里斯多德 可以任意分割，無最小的組成單位。 物質具有最小的組成單位。 代表人物：留基伯及其學生德謨克利特。 認為原子具有不可分割的最小物質。

原子說(道耳頓) 所有物質是由原子所組成，原子不能再分割。 每一種元素有特定的質量。 化合物是由不同的元素以固定的比例相結合。 化學反應時，原子會重新排列，但反應前後的原子數總和不變。

布朗運動 1827年英國布朗發現懸浮在水中的花粉 會做連續、不規則的移動，稱為布朗運動。 科學家推測是由於花粉在水中受到周圍 水分子的推力，朝不同方向撞擊的結果。 1905年愛因斯坦以數學方法測量出分子運動兩次轉折點的平均距離，並導出亞佛加厥數。 1908年法國佩蘭以實驗證實愛因斯坦的計算與觀測吻合，原子說逐漸被多人數人接受。 布朗運動是證實原子存在第一次的有力證據。

當前科學已知的原子 直到目前，科學家已經確知的天然元素，或是人工合成的元素，共有117種。 原子的質量： 原子質量差異很大，質量最大的和最小的相差約上百倍。 質量最小的元素為H原子，質量約為1u。 u 是原子質量單位，約為1.66x10－27kg。 核能發電廠使用的核燃料鈾(U-235)。

原子的大小和數量 原子的尺度：埃(Å) 1Å＝0.1 nm ＝ 10－10 m。 將原子視為球體，則其半徑的差異約十倍。 球體的體積和半徑的三次方成正比。 例：若以原子為組成物質的單元，則直徑為0.1毫米的一粒細砂，含原子數目的數量級約為 (A)106 (B)109 (C)1012 (D)1015 (E)1018

主題二 原子組成物質

所有的物質都是由原子所組成。 水分子的結構： 一個氧原子和兩個氫原子組合成 一個水分子。 由於電子排列的方式，使得兩化學鍵 之間夾成一特定的角度。 水分子的電性： 氫原子的電子較靠近氧原子而像是一個正電離子，氧原子像是一個負電離子。 每個原子核都帶正電，由於電力的作用使得這三個原子間不能太靠近也不能太遠離，原子在不停地振動下，動態地保持著一定的平均距離和夾角。

分子與物質的狀態 自然界的物質具有固態、液態和氣態等三種狀態。 在標準大氣壓下，物質三態中以固態的溫度最低，其次是液態，而以氣態的溫度最高。

固態的分子結構 固態的原子或分子間形成有次序的排列，稱為晶體結構。 原子或分子只能在其排列的位置附近作小幅度的振動，而不能任意地自由移動。 粒子間的相對位置及距離不容易改變。 物質在固態時具有一定的體積和形狀。 物質在固態時，分子間距離最小， 分子引力最大。

液態的分子結構 隨著溫度增加，分子間的振盪加劇，分子間的平均距離也加大。 因為原子的運動，使得分子內各原子的距離不停地改變，造成液態的水沒有固定的形狀。 相鄰水分子之間存在著電力作用 ，所以相鄰水分子之間保持一定 的平均距離，這使得水在一定的 溫度下，具有一定的體積。

氣態的分子結構 溫度持續上升，分子間的運動更加劇烈，分子間的束縛力幾乎可以忽略。 各分子可自由運動，形成不具固定形狀及體積的氣體。 若體分子的溫度愈高，可發現氣體分子的運動更加激烈，因此形成更大的氣壓。

氣態的分子結構 氣體分子可自由運動，形成不具 固定形狀及體積的氣體。 氣態分子在空間中快速運動，同 時分子不停地轉動分子，分子間 亦不停地振動，分子與容器的器 壁以及其它分子不停地碰撞而產生氣壓。 氣體的溫度愈高，則分子的運動就愈劇烈而形成愈大的氣壓。 若體分子的溫度愈高，可發現氣體分子的運動更加激烈，因此形成更大的氣壓。

原子的觀測 先進的儀器可掃瞄到奈米的尺度下物質的表面性質，透過儀器的呈現，呈現原子或分子的排列情形。 二十世紀末，科學家已具有「移動」原子和分子排列方式的能力。 例如：具備原子操縱術的掃描探針顯微鏡，可移動個別的原子或分子來改變其原本的排列方式。

奈米科技 原子和分子尺度下的性質和特性。 透過人工排列、堆積原子和分子的方法來建造新的物質。 從大尺度下藉由物質細分而得到小物質結構。 應用： 蓮花效應。 鴨子的羽毛內為微奈米結構，透氣而不沾水。 電子元件奈米化。 奈米碳管。 奈米DNA感測技術。

2-2 原子與原子核

陰極射線 電子的發現： 湯姆森從1894 年至 1897 年的陰極射線實驗中確認陰極射線是帶負電的粒子流，其個別的粒子稱為電子。 由實驗測得電子的核質比(e／m)。 電荷1906年獲得諾貝爾物理獎。 意義：電子是由原子釋放出來，而原子呈電中性，因此除了負電的電子外，仍有帶正電的部分。 電子的電量： 密立坎設計油滴實驗測定電子的電量。 電子的電量 e＝1.6x10－19C。

金箔散射實驗 拉塞福以α粒子進行金箔散射實驗。 α粒子大多直線前進，幾乎不偏折。  原子內部空洞。 少數α粒子有大的散射角。  原子內部有一個質量很大的核。

拉塞福原子模型 整個原子的質量幾乎集中於原子核。 原子核帶有正電且位於原子的中心，而核外的電子被原子核的電力吸引而環繞原子核運動，如行星繞太陽運行一般，且整個原子維持電中性。 原子的大小大約10－10公尺，而原子核的大小約為10－15公尺。 原子直徑約為原子核直徑的10萬倍。

質子的發現 1919年，拉塞福以α射線撞擊氮原子核，結果獲得氧原子核，這是第一次發現的人工蛻變。 經多次實驗後，認為： 所有原子內部都含有氫的原子核，將其命名為質子，並認為原子核內部應該還有中性的粒子－中子。 每一個質子帶有一個基本電荷的正電，而電子是帶有一個基本電荷的負電，兩者組成電中性的氫原子。 質子質量是電子質量的 1836 倍。

中子的發現 查兌克：以α射線撞擊鈹金屬靶，發現原子核內存在質量與質子近似的中性粒子－中子。 中子不帶電，質量比質子略大，為電子質量的1839倍。

原子結構 發現的先後順序： 電子→原子核→質子→中子。 粒子質量： 中子＝質子＞電子。(中子質量略大於質子) 中性原子： 原子序(Z)＝質子數＝核外電子數 質量數(A)＝質子數＋中子數

夸克的發現 美國物理學家蓋爾曼提出：質子、中子是由3個夸克組成。 夸克有6種： 上夸克(u)、下夸克(d)、魅夸克、奇夸克、頂夸克、底夸克。 上夸克電量＝ 下夸克電量＝ 質子電量＝ 中子電量＝

最新的基本粒子 早期：原子是組成物質最基本的粒子。 後來：原子內部含有質子、中子和電子。 如今：質子和中子內部含有夸克。 到目前為止，尚未發現夸克和電子有內在的結構，因此將夸克及電子稱為基本粒子。 夸克在自然界不會單獨存在。

最差勁的人不是輸了的人， 而是一開始便不打算贏的人。

結束！ END！！