第二章 物質的組成 2-1 原子與物質的三態 2-2 原子與原子核的組成 高中基礎物理(一) 第二章 物質的組成 2-1 原子與物質的三態 2-2 原子與原子核的組成

2-2 原子與原子核的組成 原子的組成 拉塞福的實驗 細說原子 原子核的組成 原子的結構 組成原子的基本成分 電子、質子與中子之質量與電荷 質子、中子與夸克 固體經原子至夸克之結構與大小 夸克的種類 範例題

原子的組成 道耳頓認為原子是物質內部不可再被分割的最小粒子 1897 年英國物理學家湯姆森：利用氣體放電管，發現電子（electron）。

拉塞福的實驗 拉塞福以帶正電的高速 α 粒子（氦原子核）撞擊金屬薄片的實驗，大部分粒子應會穿過原子 拉塞福推論：原子內部大部分是空無一物的，所有的質量幾乎全集中在中心點上，稱為原子核（nucleus）。

細說原子 原子核帶有正電，等量的負電子在核外繞著核（或原子核）運轉，而又不會脫離原子核。 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 飛米或 1 費米（1 fm） 1 fm ＝ 10－15 m 原子核尺度，大約是原子大小的十萬分之一，而不同原子核大小會略有不同。

原子核的組成 1919 年拉塞福發現原子核內有帶正電且與氫原子質量相同的粒子產生。稱之為質子（proton）的存在。 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，但不帶電的中子。

原子的結構 從道耳頓開始的物質結構又發生了一次改變，原來不可分的原子，可被分為電子與原子核；而原子核又由質子與中子組成。

組成原子的基本成分（1/2） 中子不帶電，所以一個電中性原子的質子數必等於電子數。即： 質子數＝電子數 同一種元素其原子核內的質子數必相同。因此便以質子數來區別元素的種類，並藉它作為原子排列的順序，稱為原子序即： 原子序 ＝質子數＝電子數

組成原子的基本成分（2/2） 由於電子質量非常輕，約為質子質量的 1840 分之一，故整個原子的質量幾乎全集中於原子核上。 原子質量約等於原子核內質子與中子的質量和，因此質子個數（Z）與中子個數（N）的和，稱為原子核的質量數（A），即： 質量數＝質子數＋中子數　或　A＝Z＋N

電子、質子與中子之質量與電荷

質子、中子與夸克（1/2） 1970 年美國 史丹福加速器中心以高速電子撞擊質子或中子的實驗中，電子被偏轉的角度頗大，類似拉塞福發現原子內部原子核結構，稱為夸克（quark）。

質子、中子與夸克（2/2） 質子或中子內部均含有三個夸克。 實驗上我們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。 質子：有兩個上夸克和一個下夸克 中子：有一個上夸克和兩個下夸克 實驗上我們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。

固體經原子至夸克之結構與大小

夸克的種類

範例 5 原子的大小 假如把原子放大成地球大小，即原子核的大小成比例放大後，和下面哪一種的大小差不多？ 範例 5　原子的大小 假如把原子放大成地球大小，即原子核的大小成比例放大後，和下面哪一種的大小差不多？ (A)乒乓球　(B)籃球　(C)運動場　 (D)臺北市　(E)臺灣。

範例 5 解答 答 (C) 解 原子的半徑大小約為原子核的 105 倍，地球的半徑約為 6400 km 原子核半徑 ＝0.064 km＝64 m， 相當於一運動場的大小

範例 5 類題 如果以原子為組成物質的單元，則直徑為 0.3 毫米的一粒原子筆筆尖鋼珠含有的原子數目約為多少個？（選最接近的數量級） 範例 5 類題 如果以原子為組成物質的單元，則直徑為 0.3 毫米的一粒原子筆筆尖鋼珠含有的原子數目約為多少個？（選最接近的數量級） (A) 1013　 (B) 1016　 (C) 1019　 (D) 1022　 (E) 1025。

範例 5 類題 解答 答 (C) 解 0.3 mm＝3×10－4 m＝3×106 Å，約為原子直徑（約 1 Å ）的 3×106 倍 範例 5　類題 解答 答 (C) 解 0.3 mm＝3×10－4 m＝3×106 Å，約為原子直徑（約 1 Å ）的 3×106 倍 則原子筆筆尖鋼珠的體積為原子體積的（3×106）3＝2.7×1019，故約為 1019 的數量級。

範例 6 拉塞福原子的模型 有關拉塞福原子模型的敘述，下列哪一項正確？ (A)電子附著在原子核的表面 (B)原子核帶正電 範例 6　拉塞福原子的模型 有關拉塞福原子模型的敘述，下列哪一項正確？ (A)電子附著在原子核的表面　 (B)原子核帶正電　 (C)中子環繞在原子核的外圍　 (D)質子移動的範圍即為原子的大小　 (E)原子核內有質子與中子。

範例 6　解答 答 (B) 解 拉塞福原子模型中只知原子核帶正電，當時尚未發現中子，而電子環繞在原子核的外圍。

範例 6 類題 原子的體積主要決定於下列何者？ 答 (C) 解 電子可移動的範圍即為原子的大小。 (A)中子的數目 (B)質子與中子的總數目 範例 6　類題 原子的體積主要決定於下列何者？ (A)中子的數目　 (B)質子與中子的總數目　 (C)電子所在的空間　(D)原子核的直徑　 (E)夸克的數目。 答 (C) 解 電子可移動的範圍即為原子的大小。

範例 7 原子核的組成 一碳原子被 X 光游離後，其元素符號被記 為 ，分別含有多少個質子、中子與電 子？ 範例 7　原子核的組成 一碳原子被 X 光游離後，其元素符號被記 為 ，分別含有多少個質子、中子與電 子？ 答 6 個質子、7 個中子、5 個電子 解 原子序＝質子數，質量數＝質子數＋中子數 原子序＝6＝質子數 中子數＝13－6＝7 電子數＝6－1＝5

範例 7　類題 若原子結構簡圖如下圖所示，試以原子符 號（如 ）分別表示該原子。

範例 7　類題 解答 答 解 由題圖可知：質子數為 3（即原子序 3）是為鋰（Li），質量數為 6，且電子數較質子數少 1，整體帶電量為＋1，故應記為 。

範例 8 基本粒子 目前所發現的基本電荷為 1.6×10－19 庫侖 ，而一個上夸克帶有 的基本電荷，一個 範例 8　基本粒子 目前所發現的基本電荷為 1.6×10－19 庫侖 ，而一個上夸克帶有 的基本電荷，一個 下夸克帶有 的基本電荷，則已知有兩個 上夸克的質子內還有多少個下夸克？

範例 8 解答 答 1個 解 自然界中夸克不是基本電荷，不能單獨存在，且一個質子電量等於一個基本電荷，所以兩個上夸克及一個下夸克的總電量為 範例 8　解答 答 1個 解 自然界中夸克不是基本電荷，不能單獨存在，且一個質子電量等於一個基本電荷，所以兩個上夸克及一個下夸克的總電量為 ×2＋ ×1＝1

範例 9　類題 一個上夸克帶有 的基本電荷，一個下夸 克帶有 的基本電荷，則已知有一個上夸 克的中子內還有多少個下夸克？

範例 9　類題 解答 答 2 個 解 一個中子電量等於 0，所以一個上夸克及兩個下夸克的總電量為 ×1＋ ×2＝0