第2章 物質的組成 2-1 物質是由原子所組成 2-2 原子與原子核的組成

2-1 物質是由原子所組成 一、原子論的緣起和沒落 1. 古希臘時期的哲學家在探索物質的基礎組成時主要有兩派的想法： 2-1 物質是由原子所組成 一、原子論的緣起和沒落 1. 古希臘時期的哲學家在探索物質的基礎組成時主要有兩派的想法： (1) 物質是連續的，可以無止境地分割成任意小的物 質，不存在最小的組成單位。以亞里斯多德為代 表人物。 莊子（天下篇）： 一尺之捶，日取其半，萬世不竭。

(2) 物質不斷分割成更小時，會有一個極限存在，就是最後有一個不可再分割的最小單位。希臘哲學家留基伯（Leucippus）和他的學生德莫克里特斯（Democritus）認為所有的物質都是由微小的粒子所組成，並把它稱為原子（atom），原意是「不可分割」的意思。 德莫克里特斯成為原子論的解說者和發揚者。 2. 原子論的沒落： (1) 古希臘時期的原子論是基於哲學上的思辯，一直未經科學證實。 (2) 亞里士多德強烈主張「大自然厭惡真空」的概念而全面反對物質是由原子與虛空構成，使得原子論逐漸被漠視、淡忘。

二、原子論的復興 1. 十八世紀末，法國人拉瓦節（Antoine-Laurent de Lavoisier）由實驗的基礎提倡「元素說」，成為原子論的基礎。 2. 英國人道耳頓（John Dalton）從事氣體研究並倡議原子論來解釋實驗的結果。 (1) 1803年提出「倍比定律」：每一種元素(element)是由同一種原子構成，而不同元素的原子以簡單整數比例結合成化合物(compound )。 (2) 化學反應只使原子分離和重新組合，原子總數在反應前後是不變的  解釋化學反應的進行和反應前後的質量守恆。

3.奧地利物理學家馬克士威、波茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）和德國物理學家克勞修斯（Rudolph Clausius）等人的研究表明熱力學中理想氣體的行為與性質都可以用分子的概念解釋： 假設氣體分子是堅硬的微小粒子，在空間中運動時會彼此碰撞。 (2) 科學家應用牛頓力學可輕易地解釋氣體的壓力、 體積和溫度之變化關係與氣體的性質。

三、當前科學已知的原子 1. 按照量子力學的想法，我們可以把原子想像成一團邊際有點模糊的正球體。 2.質量最小的原子是氫，大小約是1u，其中 u 稱為原子 質量單位，1u＝1.66 × 10－27 kg(atomic mass unit)。 3. 原子大小常用單位： (1) 埃（Å。）：1 Å＝10－10 m (2) 奈米（nm）：1 nm＝10－9 m＝10 Å 4. 各種原子所具有相異的電子數和電子的排列方式，使得原子亦各自具有獨特的性質。

四、原子組成物質 前言：所有的物質都是由原子所組成的，而原子如何組成物質呢？我們以水來作說明。 1. 一個氧原子和兩個氫原子組合成一個水分子： (1) 由於電子排列的方式兩化學鍵之間夾成一特定的角度。 (2) 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。 (3) 由於電力的作用氫、氧原子間在不停地振動下，仍動態地保持著一定的平均距離和夾角。

2. 分子在固態、液態和氣態間變化時，組成原子（或分子）的微觀行為： 固　態 液　態 氣　態 圖　例

固　態 液　態 氣　態 說　明 在溫度低時，分子之間的吸引力非常大，原子或分子只能在其排列的位置上振動而不能自由移動 當溫度升高，分子可在一定距離內自由移動，且分子內各原子的距離不停地改變，所以液態的形狀可隨容器改變；但由於分子之間的吸引力仍頗大，相鄰分子間保持一定的平均距離，因此液態有固定的體積 當溫度持續升高，由於分子之間的吸引很弱，分子可在空間中快速地自由移動，同時每個分子也不停地轉動，分子內的原子間亦不停地振動，因此氣態的形狀和體積會隨著容器改變

固　態 液　態 氣　態 分子和分子間的距離 小 中 大 形　狀 固定 不固定 體　積

五、現代儀器下的原子面貌 1. 現今科學家已利用先進的技術來「看到」原子，並且已經具有「移動」原子和分子排列方式的能力。 2. 二十世紀九十年代所發展的原子操縱術，即利用總稱為 掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscopy， SPM）的儀器來觀察、分析與操控原子與分子。

掃描探針顯微鏡（SPM）家族 SPM 偵測物理量 橫向解析度 STM 掃描穿隧顯微鏡 穿遂電流 0.2 nm AFM 原子力顯微鏡 原子力 MFM 磁力顯微鏡 磁力 50 nm SNOM 掃描近場光學顯微鏡 近場光波 20 nm SThM 掃描熱力顯微鏡 熱 10 nm LFM 側力顯微鏡 側力 2 nm SCaM 掃描電容顯微鏡 電容量 25 nm

3. 目前已有部分科學研究企圖用人工排列、堆積原子和分 子的方法來建造新的物質，習慣上稱為由下而上 （bottom-up）的方法，有別於以往從大尺度下藉由物質 細分而得到小物質結構之由上而下（top-down）的方 式，使得基於原子和分子尺度下的奈米科技 （nanotechnolgy），就具有蓬勃發展的空間和潛力。

例題：請閱讀所附的文章以回答問題： 　　1808年道耳頓提出原子論，主張物質是由原子所組成，其後義大利人亞佛加厥（Amedeo Avogadro,1776～1856）提出分子的概念，然而一個原子與分子到底有多大呢？究竟一克的氫氣有多少個原子？改用現在的說法就是：一莫耳的原子數或分子數是多少？ 　　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：

(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 4πR 3/3，由此估計湖面上約有多少個油分子？ (3) 假設油分子量為每莫耳200克，則估計一莫耳油中所含分子的數目？ 答案： (1) 2.5 nm；(2) 6.1 × 1020個；(3) 2.6 × 1022個

2-2 原子與原子核的組成 一、電子的發現 1. 湯姆森（Joseph J.Thomson）之陰極射線管實驗：他發現電子而獲得1906年諾貝爾物理獎。 (1) 實驗裝置（陰極射線管）： ①氣體之放電管，右邊之管壁塗螢光物質，管中氣壓降至10－2 ～ 10－4 cmHg。 ②玻璃管中抽成真空，然後放入兩片分開的金屬電極板，兩板間加上電壓。

湯姆森實驗用的陰極射線管，目前保存於英國卡文迪西實驗室。

(2) 實驗結果： ①玻璃管壁上現出青綠色的螢光這是由於從負極（陰極）上射出的粒子（十九世紀末被稱為陰極射線（cathoderay）所致。 ②湯姆森發現在放電管中填入不同稀薄氣體，都會有電量與質量比（荷質比）相同的粒子射出，因此認為所有原子內皆有這種粒子，即陰極射線是帶負電的粒子流，個別的粒子稱為電子（electron）。 ③湯木生測得射線粒子的電荷 e 與質量 m 的比值

2. 密立坎（Robert Andrews Millikan）和他的學生夫列契（Harvey Fletcher）設計油滴實驗（oil drop experiment）來測定油滴所帶的電量。 (1) 由實驗數據發現：各油滴所帶電量恰成一簡單的整 數比。  推論：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（elementary charge），符號為e；e＝1.60 × 10－19庫侖。 (2) 電荷量子化：油滴所帶的電量Q應為基本電荷（e）的整數倍。Q＝±ne　n＝1,2,3,……  說明：物體的帶電是由於電子的轉移（失去或獲得）所形成。

m＝ ＝9.11 × 10－31公斤。 3. 依據湯姆森已測得的電子荷質比（e/m＝1.76 × 1011庫侖／公斤）及密立坎測出電子的電量 （1.60 × 10－19庫侖)，經過計算就可得電子的質量 m＝ ＝9.11 × 10－31公斤。

二、原子核的發現 1. 拉塞福（Ernest Rutherford，1908年獲得諾貝爾化學獎）的α粒子散射金箔實驗： (1) 1909年，拉塞福確認了鐳所放出的α射線為氦離子（He2+），進而與他的助手蓋革（Hans Geiger）帶著學生馬士登（Ernest Marsden）進行α粒子散射的實驗。

(2) 結果發現： 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。

(3) 1911年，拉塞福推論金原子存在一原子核（nucleus），拉塞福從實驗數據推算出金原子核的半徑應小於10 -14公尺，而金原子的半徑大約10 -10公尺，因此原子的半徑大約是原子核的 104 倍，或原子的體積大約是原子核的 1012 倍。  相對於原子而言，原子核的體積甚小：氫原子直徑約為 0.1nm＝10 -10 m，氫原子核半徑約為 1fm＝10 -15 m。

2. 拉塞福的原子模型（有核原子模型）： (1) 因為電子的質量比原子來的甚小，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，核外的電子被原子核的電力吸引而環繞原子核運動。 (2) 電子的運動可想像如行星繞太陽運行一般，正負電總數相等而整個原子維持電中性。

例題：甲、乙、丙、丁四種實驗，哪幾種實驗的結果組合後可以決定電子質量？ 【84.推甄】 甲：拉塞福的α粒子散射實驗；乙：湯姆森的陰極射線實驗；丙：侖琴的x射線實驗；丁：密立坎的油滴實驗　 (A)甲乙丙丁　(B)甲乙丙　(C)乙丁　(D)丁丙 答案：C

例題：僅依密立坎油滴實驗，可以決定電子的哪一種性質？ (A)質量　(B)質量與電荷比　(C)電荷量　 (D)能量　(E)半徑大小 答案：C

例題：為說明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 答案：CDE

例題：拉塞福的原子模型，主要是基於下列哪一項實驗結果而提出的？　 (A)光電效應實驗　(B)黑體輻射實驗　(C)干涉實驗　(D)α質點射散實驗　(E)光譜實驗

三、原子核內的質子與中子 1. 質子（proton），符號為 p： (1) 1914年，拉塞福利用α粒子散射實驗，撞擊各種物質，由實驗結果推論得到：所有元素的原子核都含有氫的原子核。 命名：氫原子核為質子（proton）。 (2) 1919年，拉塞福以α粒子撞擊各種較輕的原子，因而發現了質子，也就是氫的原子核。 (3) 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。

2. 中子（neutron），符號為 n： (1) 拉塞福猜想：在原子核內可能還存在一種質量等於質子、但為電中性的粒子，稱為中子（neutron），他把中子想像是由於在氫原子中的電子掉入原子核內而產生，這觀點之後證明是錯的。 (2) 1932年，查兌克（James Chadwick）從實驗中發現了中子的存在。 由於中子的發現是原子核物理研究的重大成就，查兌克因此獲頒1935年諾貝爾物理獎。

種　類 表示法 質　量 電　量 發現順序 發現者 電子(e) －10e 1/1836(amu) 9.11 × 10－31(kg) -1.6×10－19(C) 先 (1897年) 湯姆森 質子(p) 11p 1.00728（amu) 1.67 × 10－27(kg） ＋1.6×10－19(C) 中 (1919年) 拉塞福 中子(n) 01n 1.00867（amu) 1.67 × 10－27(kg) 後 (1932年) 查兌克

3. 原子序（atomic number）： (1) 英國人莫斯利（Henry Gwyn Jeffreys Moseley）於1913年作x射線研究時所發現的。 (2) 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），且 Z 和週期表上的元素位置有關  命名：Z 為原子序（atomic number） 4. 質量數（mass number）： 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）  命名：A 為原子的質量數（mass number）  每一種元素單一原子的質量近似等於 A 個氫原子的 質量

5. 原子的結構： (1) 1932年，德國物理學家海森堡提出原子核是由質子與中子所構成，與核外的電子組成原子，如此可以解釋已知約有一百種原子的結構。 原子(電中性) 原子核(帶正電) 電子(帶負電) 質子(帶正電) 中子(不帶電) (統稱為核子)  當今已把質子與中子統稱為核子（nucleon）， 其意義是組成原子核的粒子。

(2) 核種（nuclide）：各種不同的原子核通稱 符號可表記 其中X表元素符號、 A為質量數＝質子數＋中子數， Z為質子數＝原子序＝電子數， 中子數（N）＝A－Z

例題：自然界的氧有三種同位素： 、 、 ，下列有關此三種原子的敘述，哪些正確？ (A) 178O 之中子數有 8 個　 (B)三者之中子數相等　 (C)三者之質子數相等　 (D)三者之質量數相等　 (E)當三者處於電中性時，三者之電子數相等 答案：CE

例題：一個銫-133（13355Cs）中性原子的內部，含有質子、中子、電子各有幾個？ 答案：質子：55個、中子：78個、電子：55個　。

例題：以下有關原子結構的敘述，何者錯誤？　 (A)原子核必須由質子及中子結合而成　(B)原子核的質量占整個原子質量之絕大部分　(C)在原子核與其周圍之電子間是完全的真空　(D)一個完整的原子所具有之正、負電量相等，所以原子為電中性。 答案：Ａ

例題：下列哪兩個為組成原子核的粒子，統稱為核子（nucleon）？ (A)質子　(B)中子　(C)電子　(D)夸克

四、質子與中子的內在結構 中子電量0e＝2 ×（－ e）＋1 × (＋ e) 1. 夸克（quark）理論： (1) 1964年，美國物理學家蓋爾曼(Murray Gell-Mann)提出 說明：質子和中子都是由更小、更基本的夸克 所組成。 ①質子：由二個上夸克(u)及一個下夸克(d)所構成。 ②中子：由二個下夸克(d)及一個上夸克(u)所構成。 質子電量＋e＝2 ×（＋ e）＋1 ×（－ e） 中子電量0e＝2 ×（－ e）＋1 × (＋ e)

現在物理學家已證實，質子與中子各是由三個夸克所組成的，因此，質子、中子、原子核、原子、分子等等，都不是基本粒子。 電子與夸克是一切物質最小的組成單位

※基本粒子

中子 質子

※複合粒子 重子 （三個夸克） p · p · n · n · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω · 介子 （兩個夸克） π · K · ρ · D · J/ψ · Υ

物理學家至今已證實有六種夸克存在： 種 類 上夸克 Up quark 下夸克 Down quark 魅夸克 Charm 種　　類 上夸克 Up quark 下夸克 Down quark 魅夸克 Charm 奇夸克 Strange 頂夸克 Top 底夸克 Botton 符　　號 u d c s t b 電　　量 ＋ e － e 發現時間 1970年 1974年 1995年 1977年 現在物理學家已證實，質子與中子各是由三個夸克所組成的，因此，質子、中子、原子核、原子、分子等等，都不是基本粒子。 夸克和電子稱為基本粒子(elementary particles)

例題：下列各物理粒子之大小，請由大至小依序寫出： (A)夸克　(B)晶體　(C)原子核　(D)原子　(E)質子　(F)分子 答案：Ｂ＞Ｆ＞Ｄ＞Ｃ＞Ｅ＞Ａ 解析： (B)晶體（～0.01 m）＞(F)分子(10－9 m)＞ (D)原子(10－10 m)＞(C)原子核（10－14 m）＞ (E)質子（10－15 m）＞(A)夸克（<10－18 m）

例題：截至目前的理論和實驗所知，組成物質的基本粒子（elementary particles）為下列哪兩個？ (A)夸克　(B)原子　(C)質子　(D)中子　(E)電子 答案：AE