柏拉圖是我的朋友，亞里士多德也是我的朋友，但是我最好的朋友是真理。 ──牛頓（Isaac Newton, 1642-1727） 第 4 章　物質間的基本交互作用 柏拉圖是我的朋友，亞里士多德也是我的朋友，但是我最好的朋友是真理。 ──牛頓（Isaac Newton, 1642-1727）

物質間的交互作用的概念圖

4-1 重 力1 任何兩個質點之間都有彼此相互吸引的萬有引力，而且引力的量值與質量的乘積成正比，但與彼此間的距離的平方成反比。 4-1 重　力1 任何兩個質點之間都有彼此相互吸引的萬有引力，而且引力的量值與質量的乘積成正比，但與彼此間的距離的平方成反比。 若是以公斤（kg）為質量 M、m 的單位、以公尺（m）為距離 r 的單位，則萬有引力 F 的單位為牛頓（N），其中 G 為重力常數（gravitational constant） G＝6.67×10－11 牛頓•公尺2／公斤2（N•m2／kg2）。

4-1 重　力2 1798 年，英國科學家卡文迪西（Henry Cavendish, 1731-1810）首先以實驗證實萬有引力定律，並測出重力常數 G 值。

4-1 重　力3 重力沿著兩物體中心的連線方向作用。

4-1 重　力4 過去習慣上將重力歸類為非接觸力，但現在的看法則是：一個物體會在其周圍建立重力場（gravitational field），其他物體在重力場中受到重力，例如物體在地球所建立的重力場中，會受到重力作用而掉落到地面。

4-1 重　力5 克卜勒的行星運動定律完全從天文觀測數據中歸納得出，屬於經驗定律，牛頓從運動定律和重力定律出發，圓滿地解釋克卜勒行星運動定律的原因。

4-1 重　力6 因為行星繞太陽的軌道不是直線，根據牛頓第二運動定律，行星必須有向心力才能維持軌道運動。若將行星受到太陽的重力作為向心力來源，根據重力隨著軌道半徑的平方成反比的性質，可以導出行星各自公轉週期平方與軌道半徑立方的比值恆為一常數，該常數和太陽的質量有關。

4-2 靜電力1 兩個電中性的物體因為互相摩擦而帶電時，電荷並不會在摩擦過程中被產生出來，而是由一個物體轉移到另一個物體。當一個物體經由電子的轉移而得到負電荷，則另一個物體因為減少了負電荷，所以帶正電。

4-2 靜電力2 摩擦起電舉例來說，絲絹摩擦玻璃棒時，絲絹因為從玻璃棒獲得電子，最後絲絹帶負電；另一方面，玻璃棒因為失去了部分電子而帶正電。

4-2 靜電力3 同性電的靜電力相斥，異性電則相吸。

4-2 靜電力4 1785 年，法國物理學家庫侖（Charles-Augustine de Coulomb, 1736-1806）從實驗中獲得影響靜電力大小的關係式，稱之為庫侖定律（Coulomb's law）

4-2 靜電力5 庫侖定律：任何兩個點電荷之間都有相吸或相斥的靜電力，而且靜電力的量值與電量的乘積成正比，但與兩者間的距離平方成反比。

4-2 靜電力6 若是以庫侖（C）為電量 Q、q 的單位，以公尺（m）為距離 r 的單位，則靜電力 F 的單位為牛頓，其中靜電力常數 4-2 靜電力6 若是以庫侖（C）為電量 Q、q 的單位，以公尺（m）為距離 r 的單位，則靜電力 F 的單位為牛頓，其中靜電力常數 k＝ 9 ×109 牛頓•公尺2／庫侖2 （N•m2／C2）

4-2 靜電力7 電場：一個電荷透過其周圍的電場對其它電荷施加靜電力作用。

4-2 靜電力8 庫侖定律和萬有引力定律的數學形式非常類似，一個電荷會在其周圍建立電場（electric field），其他電荷在電場中會受到電力作用，所以靜電力也是非接觸力。然而兩物體間的重力永遠相互吸引，可是靜電力卻可能相吸或相斥。

4-3 磁　力1 自由狀態下的棒狀磁鐵會旋轉直至一端指向地球北方，稱之為磁北極（north pole），簡稱為 N 極。另一指向地球南方，稱為磁南極（south pole），簡稱為 S 極。 將地球本身的磁性想像成一根棒狀磁鐵，則地球的北方應該是棒狀磁鐵的磁南極，地球的南方則是磁鐵的磁北極。

4-3 磁　力2 磁鐵的磁極必定成對存在。 兩磁鐵不需要接觸就會有磁力相互作用，同磁極相互排斥，異磁極則相互吸引。

4-3 磁　力3 一個磁鐵透過周圍的磁場對另一個磁鐵施加磁力作用，空間某處磁針 N 極所指方向，為該處磁場或磁力線的方向。

4-3 磁　力4 每條磁力線都構成封閉的曲線，而且磁力線之間不會相交。

4-3 磁　力5 磁力線的稠密程度和磁場的強度大小成正比。

4-4 強作用與弱作用1 核子在原子核的範圍內藉著強作用的引力以便克服靜電排斥力，離開原子核範圍以外，核力就衰減得幾乎不存在，故核力屬於短程力。

4-4 強作用與弱作用2 電子受原子核的靜電吸引力束縛，可以形成穩定的原子。但是在原子核這麼小的空間裡面，帶正電的質子間會有強大的靜電排斥力，為什麼質子不會四處蹦出導致原子核分裂呢？考慮到重力效應比靜電力相對微弱許多，為了使原子核能夠穩定存在，原子核裡勢必存在能夠與靜電排斥力相抗衡的吸引力！　

4-4 強作用與弱作用3 一個原子內的質子和中子集中在半徑大約 10－14 公尺～10－15 公尺的原子核範圍內，所以質子和中子這兩種組成原子核的粒子統一稱之為核子。 核子在原子核的範圍內是藉著一種核力的引力以便克服靜電排斥力，並使原子核得以穩定存在。

4-4 強作用與弱作用4 科學家經過仔細研究後發現核子內部仍有結構，而核力便是核子內部非常強大的作用力「流露」出來的結果。由於在核子尺度的範圍內，該作用大約是電磁力的 100 倍，所以我們便將之稱為強作用（strong interaction）。

4-4 強作用與弱作用5 由於強作用的本質與靜電力、重力截然不同，因此被視為是另外一種物質間的基本交互作用。

4-4 強作用與弱作用6 化學週期表裡的所有元素的原子核都是由質子和中子兩種粒子組成的，唯一例外的只有氫，氫原子核只有一個質子而沒有中子。但是，為什麼沒有一種只含單獨一個中子的原子核呢？

4-4 強作用與弱作用7 實驗發現到，原本在原子核裡很穩定的中子，若單獨存在，平均經過約 16 分鐘 ，中子就會轉變成質子，同時射出電子和反微中子，這稱之為中子的衰變。

4-4 強作用與弱作用8 物體受到作用力後，物體的運動狀態會發生變化。 力的作用也可以使物質本身的組成產生本質上的變化。

4-4 強作用與弱作用9 中子裡原本沒有電子存在，但是衰變時卻會射出電子。1937 年，義大利裔美國物理學家費米（Enrico Fermi, 1901-1954）提出：中子衰變過程發射的電子，應該是經由某種作用之後方能產生。 該作用遠遠小於電磁力的大小，而且僅能在比核子更小 1000 倍的範圍內產生影響，所以稱為弱作用（weak interaction）。　　

4-4 強作用與弱作用10 弱作用發生在許多放射性元素的衰變過程。 弱作用屬於短程力，而且可以藉著類似中子衰變的方式使物質產生改變。 4-4 強作用與弱作用10 弱作用發生在許多放射性元素的衰變過程。 弱作用屬於短程力，而且可以藉著類似中子衰變的方式使物質產生改變。 這和強作用、電磁作用、重力作用等三種作用力不同，所以弱作用被視為物體間的第四種基本交互作用。

自然界的四種基本交互作用

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