(History of Natural Science) 第7章 物質的基礎－原子及其結構 (A)哲學家的原子學說

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1 (History of Natural Science) 第7章 物質的基礎－原子及其結構 (A)哲學家的原子學說
佛光人文社會學院 自然科學史 (History of Natural Science) 第7章 物質的基礎－原子及其結構 (A)哲學家的原子學說 楊棋明 博士 中央研究院生物多樣性研究中心 Tel: #612, 613 FTP:

2 孟子的人獸區別論 人之所以異於禽獸者幾稀，庶民去之，君子存之。舜明於庶物，察於人倫。由仁義行，非行仁義也。
人之有道也，飽食、暖衣、逸居而無教，則近於禽獸。聖人有憂之，使契為司徒，教以人倫，父子有親，君臣有義，夫婦有別，長幼有敘，朋友有信。 楊氏為我，是無君也墨氏兼愛，是無父也。無父無君，是禽獸也。 庖有肥肉，廄有肥馬，民有飢色，野有餓莩，此率獸而食人也。獸相食，且人惡之。為民父母，行政，不免於率獸而食人，惡在其為民父母也？

3 萬物由什麼組成？ 萬物由什麼組成？物質可以被無休止地分割為愈來愈小的物質單元，還是存在構成世界的“磚塊”？這是古代哲人們就開始思索的問題。

4 孟子曰：“人之異於禽獸者幾稀矣！” H2O

5 古希臘哲學家的原子說---不可分割(1) 西元前5世紀的古希臘哲學家劉基伯(Leukippos)在致力於思考分割物質問題後，得出一個結論：分割過程不能永遠繼續下去，物質的碎片遲早會達到不可能分得更小的地步。 他的學生德謨克理特(Democritus)接受了這種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”(意思是“不可分割”)。 由劉基伯與德謨克里特提出的原子論哲學作為“最系統、最始終一貫，並且可以應用於一切物體的學說”(亞里斯多德語)是對早期希臘各派自然哲學的大綜合，並將早期希臘的自然哲學推上一個光輝的頂峰。

6 古希臘哲學家的原子說---不可分割(2) 伊壁鳩魯 (Epicurus，約在西元前341至270年) 亦為古希臘人，進一步發展了原子論：
原子有內部組成但不可分。除形狀和大小外，原子的重量是主要的特性。這原子論比以前的任何學說都接近於現代觀，是古代唯物主義自然觀發展的高峰。

7 古希臘哲學家的原子說---不可分割(3) 在古希臘哲學家的觀點中：
 原子是最微小的、不可再分割的物質微粒，是堅實的、內部絕對充滿而沒有空隙的東西。 原子數目有無限多，它們彼此間性質相同，其差別只表現在形狀、大小和排列上。 原子在虛空中不停地運動，運動中原子間會發生碰撞，有時會粘著並組合在一起。 一組原子組合成一種東西，而另一組原子組合成另外的東西等等，這樣萬物就由作為實在的建築石料的原子和虛空構成了。

8 古希臘哲學家的原子說---不可分割(4) 迦桑狄 哲學家伊壁鳩魯、盧克萊修先後接受了這種 原子學說，後者在其著名詩作《物性論》中以
動人的筆觸全面介紹了原子學說，使之成為古 代原子學說理論知識的最主要來源。 在中世紀，一些阿拉伯的思想家接受了原子論，而西方的經院神學家們卻因它與宗教學說教義相衝突而激烈反對這種觀點。 文藝復興時期，與原子論相關的思想出現在布魯諾、伽利略、法蘭西斯•培根等人的著作中。 在此之後，法國哲學家伽桑狄( 年)接受了原子學說，他的有說服力的著作，使人們對原子學說的關注得以復蘇，並引發了科學家的興趣，從而將原子論引入到現代科學中。“古代哲學家的那些理論，現在又在大聲喝彩中復興了，仿佛是現代哲學家發現的”(波爾語)。 原子學說在17世紀得以復活。更重要的是，哲學家的思想火炬開始傳遞到科學家手中。

9 古羅馬哲學家的原子說---不可分割(1) 古羅馬人盧克萊修 (Lucretius，西元前99-55年) 的長篇詩作物性論 (De Rerum Natura) 對於前述的原子學說作了較完整與系統化的整理。他以西方的字母為例，為數不多的一組字母，僅僅由於它們排列次序的變化，就組成了意義既不相同，發音也各有別的許多詩句。因而，作為事物基礎的原子，它們能有更多不同方式的結合，因此不同的東西就能一一產生，他還從射進室內的陽光束中看到的塵埃微粒的運動和撞擊，說明物體雖然整體看來是靜止的，但原子仍在不可見的狀況下運動。 盧克萊修認為：原子有各種各樣的形狀。例如，堅硬的物體是由許多帶?的原子緊密糾結而成的；而流體的原子則是光滑的圓形微粒，因此易於流動。他還進一步強調：原子是無色的，原子也沒有熱、聲音、氣味，原子也沒有感覺、色覺、熱感、聽覺和嗅覺等，一切視乎原子的大小、姿態、排列和運動而定。甚至愉快和痛苦乃是由原子的形狀決定的。例如，平滑的原子引起甜蜜的感覺，帶倒?的原子產生辛辣和苦味等等。這種早期的猜測的確是太簡單了，但其中正包含了原子學說的核心，即巨觀物質的性質，是由這些物質所組成微粒的特性、運動和相互作用而決定的。

10 古代原子說受到亞里士多德學派的壓制而隱沒2000年
古代原子論，一方面直接違悖了希臘大哲學亞里士多德 (Aristotle西元前 年) 關於自然界到處是充實的而不存在真空的權威論斷，因而備受批評和壓制。 另一方面，古代的原子論者們又都是富有影響的唯物主義哲學家，使得原子論的命運同唯物論哲學的興衰聯繫在一起。而且，長期以來，原子論一直停留在簡單的設想的階段上，使人覺得它只是一種空泛的議論，因而在近代科學出現之前，原子論沒有產生什麼重要的影響。

11 古希臘哲學家的元素說 唯物主義的物質觀卻以比較「抽象」的原子論表現出來，事實上，古希臘在原子論之前，就出現了關於物質組成的另一種學說即元素說。至於什麼是組成物質的基本元素，古希臘人泰勒斯 (Thales 西元前 年) 認為是水，也是古希臘人阿那克西美尼 (Anaximenes 西元前 年) 認為是氣，而赫拉克利特 (Heraclitus 西元前 年) 則認為是火。後來，恩培多克勒 (Empedocles 西元前 年) 在這幾種元素之外再加上土，發展為四元素說，主張物質由火、氣、水、土這四大元素組成。

12 古中國哲學家的五行學說(1) 大概在同一時期，中國古代也有一種類似五行學說，即以水、火、木、金、土這些稱為「五行」的物質元素為構成萬物的根本。 在西元前400年以前成書的「尚書」 就記載有五行：一曰水，二曰火，三曰木，四曰金，五曰土。 在紀元前400年左右所作的「國語」 裏更明確寫道：故先王以土與金、木、水、火雜，以成百物。 以上這些說法無疑都反映了古人對自然界的物質構成的另一種比較直接的認識。

13 古中國哲學家墨翟的原子不可分割說(2) 在東方墨翟 (約在西元前 年)為戰國時期的墨家 。墨家著作的總集叫做「墨子」，其中有篇「墨經」說： 「端；體之無序最前者也」。 「端」是組成物「體」的無可分割 (即無序) 的最原始的東西 (即最前者) 。這「端」就是原子的概念了。墨經又說「端是無同也」，意思是說一個「端」裏沒有共合的東西，所以無可分割。

14 古中國哲學家儒家的原子不可分割說(3) 在戰國時期的儒家著作「中庸」指出：「語小，天下莫能破焉」。
宋代朱熹 (西元 年) 解釋：「天下莫能破是無內，謂如物有至小而可破作兩者，是中著得一物在；若無內則是至小，更不容破了。」 這裏所說的「莫能破」、「無內」，也就是不可分割的意思。 這就論證了物質有不可再分割的最原始單位，就相當於古典原子學說中的原子概念。20世紀初，清末民初嚴復翻譯英文名詞atom為「莫破」或「莫破塵」，「原子論」譯為「莫破質點律」。

15 古中國哲學家惠施的原子不可分割說(4) 戰國時期的名家 惠施 (約在西元前365-310年) 曾說： 「其小無內，謂之小一」。
「小一」這東西不再有內，也就無法再分割了，即是最原始的微粒。那些主張物質不可無限分割的人，則是認識到了分割的「關節」。 現代物理學正不斷發現著越來越多的所謂「基本粒子」，揭示出物質的無限可分性。上述中外哲士提出的理論，是古典原子說的雛形，也是原子科學史上光輝遺產！

16 古中國哲學家公孫龍的原子可分割說(5) 戰國時期的公孫龍 (約在西元前320-250年) 有一句名言： 「一尺之棰，日取其半，萬世不竭」。
這等於說木杖 (即棰) 可以無限地分割，也就是說物質的組成是連續的，和不可分割的理論成尖銳的對立，其臆想實在令人驚奇。 11/21/41/81/161/321/64 1/(無限小)

17 (History of Natural Science) 第7章 物質的基礎－原子及其結構 (B)科學家的原子
佛光人文社會學院 自然科學史 (History of Natural Science) 第7章 物質的基礎－原子及其結構 (B)科學家的原子 楊棋明 博士 中央研究院生物多樣性研究中心 Tel: #612, 613 FTP:

18 原子結構發展簡史 原子結構(Atomic Structure)在原子物理學中是非常重要的。甚麼是原子(atom) ？
原子是化學元素(elements)中具有該元素特質的最小粒子(particle)，可互相結合成為分子(molecule)。 古希臘有位哲學家德謨克利特(Democritus)便提出了原子是組成萬物的粒子。(古典原子論) 在1897年前，當電子尚未被發現之前，原子是不可分割的基本單位。(近代原子論)

19 道爾頓---近代化學之父 1793年道爾頓受聘于曼徹斯特的一所新學院。出版第一本科 學著作 《氣象觀察與研究》。第二年成為曼徹斯特文學哲學
會的會員。 1799年，越來越重視對氣體和氣體混合物的研究。道爾頓認為，要說明氣體的特性就必須知道它的壓力。他找到兩種很容易分離的氣體，分別測量了混合氣體和各部分氣體的壓力。結果很有意思，裝在容積一定的容器中的某種氣體壓力是不變的，引入第二種氣體後壓力增加，但它等于兩種氣體的分壓之和，兩種氣體單獨的壓力沒有改變。道爾頓得出結論：混合氣體的總壓等于組成它的各個氣體的分壓之和。(Pt=P1+P2) 道爾頓發現由此可以做出某些重要的結論，氣體在容器中存在的狀態與其他氣體無關。用氣體具有微粒結構來解釋就是，一種氣體的微粒或原子均勻的分布在另一種氣體的原子之間，因而這種氣體的微粒所表示出來的性質與容器中沒有另一種氣體一樣。道爾頓開始更多的研究關于原子的問題，他頑強進行研究工作，尋找資料、動手實驗、不斷的思考……

20 道爾頓原子論(1) atom 1803年9月6日，約翰道爾頓(John Dalton)在他筆記中寫下了原子論的要點：
1、原子是組成化學元素的、非常微小的、不可再分割的物質微粒。在化學反應中原子保持其本來的性質。 2、同一種元素的所有原子的質量以及其他性質完全相同。不同元素的原子具有不同的質量以及其他性質。原子的質量是每一種元素的原子的最根本特徵。 3、有簡單數值比的元素的原子結合時，原子之間就發生化學反應而生成化合物。化合物的原子稱為複雜原子。 4、一種元素的原子與另一種元素的原子化合時，他們之間成簡單的數值比。

21 道爾頓原子論(2) 1803年10月21日，道爾頓報告了他的「化學原子論」，並且宣讀了他的第二篇論文《第一張關于物體的最小質點的相對重量表》。 道爾頓又對甲烷(CH4)和乙烯(C2H2)的化學成分進行分析實驗，他發現：甲烷中碳氫比是4.3:4；而乙烯中碳氫比是4.3:2。由此推出碳氫化合的比例關系，並發現了倍比定律：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。 道爾頓認為倍比定律既可以看作是原子論的一個推論，又可以看作是對原子論的一個證明。

22 道爾頓原子論(3) 1807年，湯姆遜在它的《化學體系》一書中詳細的介紹了道爾頓的原子論。
1808年道爾頓的主要化學著作《化學哲學的新體系》正式出版。書中詳細記載了有關其原子論的主要實驗和主要理論。自此道爾頓的原子論才正式問世。 在科學理論上，道爾頓的原子論是繼拉瓦錫的氧化學說之後理論化學的又一次重大進步，他揭示出了一切化學現象的本質都是原子運動，明確了化學的研究對象，對化學真正成為一門學科具有重要意義，此後，化學及其相關學科得到了蓬勃發展。 在哲學思想上，原子論揭示了化學反應現象與本質的關系，繼天體演化學說誕生以後，又一次衝擊了當時僵化的自然觀，為科學方法論的發展、辯證自然觀的形成以及整個哲學認識論的發展具有重要意義。

23 道爾頓原子論(4) 原子論建立以後，道爾頓名震英國乃至整個歐洲,各種榮譽紛至沓來,在榮譽面前，道爾頓開始還是冷靜的、謙虛的，但是後來榮譽越來越高，他逐漸改變了，變得驕傲、保守，最終走向了思想僵化、固步自封。 1808年，法國化學家呂薩克在原子論的影響下發現了氣體反應的體積定律，實際上這一定律也是對道爾頓的原子論的一次論證，後來也得到了其他科學家的證實並應用于測量氣體元素的原子量。但是呂薩克定律卻遭到了道爾頓本人的拒絕和反對，他不僅懷疑呂薩克的實驗基礎和理論分析，還對他進行了嚴厲的抨擊。 1811年，意大利物理學家阿佛加德羅建立了分子論，使道爾頓的原子論與呂薩克定律在新的理論基礎上統一起來。他也遭到了道爾頓無情的反駁。  1813年，瑞典化學家貝齊力烏斯創立了用字母表示元素的新方法，這種易寫易記的新方法被大多數科學家接受，而道爾頓一直到死都是新元素符號的反對派。 雖然道爾頓的後半生科學貢獻不大、甚至阻撓別人的探索，人們還是給予了他深切的懷念。

24 道爾頓的原子模型---不可分割無核無電子
原子類似堅實不可分的實心球 原子

25 蓋·呂薩克與約翰道爾頓的爭論(1) 1808年(道爾頓正式發表科學原子論的第二年) ，法國化學家蓋·呂薩克在研究各種氣體在化學反應中體積變化的關係時發現：參加同一反應的各種氣體，在同溫同壓下，其體積成簡單的整數比。這就是著名的氣體化合體積實驗定律，常稱為蓋·呂薩克定律。 蓋呂薩克是很讚賞道爾頓的原子論的，於是將自己的化學實驗結果與原子論相對照，他發現原子論認為化學反應中各種原子以簡單數目相結合的觀點可以由自己的實驗而得到支持，於是他提出了一個新的假說：在同溫同壓下，相同體積的不同氣體含有相同數目的原子。他自認為這一假說是對道爾頓原子論的支持和發展，並為此而高興。

26 蓋·呂薩克與約翰道爾頓的爭論(2) 當道爾頓得知蓋·呂薩克的這一假說後，立即公開表示反對。因為道爾頓在研究原子論的過程中，也曾作過這一假設後被他自己否定了。他認為不同元素的原子大小不會一樣，其質量也不一樣，因而相同體積的不同氣體不可能含有相同數日的原子。 蓋·呂薩克認為自己的實驗是精確的，不能接受道爾頓的指責，於是雙方展開了學術爭論。他們倆人都是當時歐洲頗有名氣的化學家，對他們之間的爭論其他化學家沒敢輕易表態，就連當時已很有威望的瑞典化學家貝采裏烏斯也在私下表示，看不出他們爭論的是與非。

27 (History of Natural Science) 第7章 物質的基礎－原子及其結構 (C)科學家的分子
佛光人文社會學院 自然科學史 (History of Natural Science) 第7章 物質的基礎－原子及其結構 (C)科學家的分子 楊棋明 博士 中央研究院生物多樣性研究中心 Tel: #612, 613 FTP:

28 水是原子(atom)？還是分子(molecule)？
所有分子都是原子組成： 氮氣(nitrogen)：N2 氧氣(oxygen)：O2 氫氣(hydrogen)：H2 甲烷(methane) ：CH4 葡萄糖(glucose)：C6H12O6 DNA、RNA、 水是分子，由1個氫(H)和2個氧(O)組成水分子H2O

29 今天都知道：分子都是由原子組成的 C60結構示意圖

30 亞佛加德羅的分子學說 義大利一位名叫亞佛加德羅(Amedeo Avogadro 1776~1856 )的物理學教授對這場爭論發生了濃厚的興趣。他仔細地考察了蓋·呂薩克和道爾頓的氣體實驗和他們的爭執，發現了矛盾的焦點。 1811年他寫了一篇題為：“原子相對質量的測定方法及原子進入化合物的數目比例的確定”的論文，在文中他首先聲明自己的觀點來源於蓋·呂薩克的氣體實驗事實，接著他明確地提出了分子(molecule)的概念，認為單質或化合物在游離狀態下能獨立存在的最小質點稱作分子，單質分子由多個原子組成，他修正了蓋·呂薩克的假說，提出：“在同溫同壓下，相同體積的不同氣體具有相同數目的分子。”“原子”改為“分子”的一字之改，正是亞佛加德羅假說的奇妙之處。

31 原子論與分子論的分與合(1)--- 分子假說的曲折經歷
現在，大家都認識到分子論和原子論是個有機聯繫的整體，它們都是關於物質結構理論的基本內容。 然而在亞佛加德羅提出分子論後的50年裏，人們的認識卻不是這樣。原子這一概念及其理論被多數化學家所接受，並被廣泛地運用來推動化學的發展，然而關於分子的假說卻遭到冷遇。阿佛加德羅發表的關於分子論的第一篇論文沒有引起任何反響。 1814年，他又發表了第二篇論文，繼續闡述他的分子假說。也在這一年，法國物理學家安培，就是那個在電磁學發展中有重要貢獻的安培也獨立地提出了類似的分子假說，仍然沒有引起化學界的重視。已清楚地認識到自己提出的分子假說在化學發展中的重要意義的阿佛加德羅很著急。

32 原子論與分子論的分與合(2)---分子假說的曲折經歷
1821年他又發表了闡述分子假說的第三篇論文，他寫道：“我是第一個注意到蓋·呂薩克氣體實驗定律可以用來測定分子量的人，而且也是第一個注意到它對道爾頓的原子論具有意義的人。沿著這種途徑我得出了氣體結構的假說，它在相當大程度上簡化了蓋，呂薩克定律的應用。”在他講述了分子假說後，他感慨地寫道：“在物理學家和化學家深入地研究原子論和分子假說之後，正如我所預言，它將要成為整個化學的基礎和使化學這門科學日益完善的源泉。”儘管亞佛加德羅作了再三的努力，但是還是沒有如願。 1856年亞佛加德羅逝世，分子假說仍然未被大多數化學家所承認。

33 原子論及分子論的分與合(3)--- 原子論的困境由分子論解決 道爾頓的原子論發表後，測定各元素的原子量成為化學家最熱門的課題。儘管採用了多種方法，但因為不承認分子的存在，化合物的原子組成難以確定，原子量的測定和資料呈現一片混亂，難以統一。 於是部分化學家懷疑到原子量到底能否測定，甚至原子論能否成立。不承認分子假說，在有機化學領域中同樣產生極大的混亂。分子不存在，分類工作就難於進行下去，例如醋酸竟可以寫出19個不同的化學式。當量有時等同於原子量，有時等同於複合原子量(即分子量)，有些化學家乾脆認為它們是同義詞，從而進一步擴大了化學式、化學分析中的混亂。    

34 原子論及分子論的分與合(4)  無論是無機化學還是有機化學，化學家對這種混亂的局面都感到無法容忍了，強烈要求召開一次國際會議，力求通過討論，在化學式、原子量等問題上取得統一的意見。 1860年9月在德國卡爾斯魯厄召開了國際化學會議。來自世界各國的140名化學家在會上爭論很激烈，但未達成協定。 這時義大利化學家康尼查羅散發了他所寫的小冊子，希望大家重視研究阿佛加德羅的學說。他回顧了50年來化學發展的歷程，成功的經驗，失敗的教訓都充分證實亞佛加德羅的分子假說是正確的，他論據充分，方法嚴謹，很有說服力。經過50年曲折經歷的化學家此時已能冷靜地研究和思考，終於承認阿佛加德羅的分子假說的確是扭轉這一混亂局面的唯一鑰匙。 亞佛加德羅的分子論終於被確認，亞佛加德羅的偉大貢獻終於被發現，可惜此時他已溘然長逝了。甚至沒有為後人留下一一張照片或畫像。現在唯一的畫像還是在他死後，按照石膏面模臨摹下來的。

35 原子分子學說 經過不同國家的許多人的努力，才逐步地建立了原子分子學說。
(1)物質是由分子組成的，分子是保留原物質性質的微粒。例如，糖溶解在一杯水裏，糖分子遍及全杯水，水就有了甜味。 (2)分子是由原子組成，原子則是用化學方法不能再分割的最小粒子，它已失去了原物質的性質。 例如，我們平時食用的食鹽(氯化鈉)的分子是由鈉原子和氯原子組成的，氯是有毒的，顯然食鹽的性質與氯和鈉的性質截然不同；另一方面，完全無害的元素碳和氮，組成的化合物卻可以是劇毒的氣體氰(CN)化物。 這個原子分子學說比以前的原子學說又有了很大進展。過去，在原子和宏觀物質之間沒有任何過渡，要從原子推論各種物質的性質是很困難的。現在，在物質結構中發現了分子、原子這樣不同的層次。因而我們可以認為，人們對於物質是怎樣構成的問題，認識已經接近物質的本來面貌了。

36 6H2O＋6CO2 C6H12O6＋6O2 原子論及分子論的分與合(5) 分子論建立在原子論上。 原子論可解釋宇宙物質靜態的基本組成，
但無法解釋動態的變化。 無分子論，原子論無法解示宇宙物質的千變萬化。 原子論及分子論的百年悲歡離合已落幕。 科學的研究過程，數據會說話。 6H2O＋6CO2 C6H12O6＋6O2

37 分子論在物質科學的歷史意義 物質是由分子組成的，分子是保留原物質性質的微粒。例如，糖溶解在一杯水裏，糖分子遍及全杯水，水就有了甜味。
分子是由原子組成，原子則是用化學方法不能再分割的最小粒子，它已失去了原物質的性質。例如，我們平時食用的食鹽(氯化鈉)的分子是由鈉原子和氯原子組成的，氯是有毒的，顯然食鹽的性質與氯和鈉的性質截然不同；另一方面，完全無害的元素碳和氮，組成的化合物卻可以是劇毒的氣體氰(CN)化物。 原子分子學說比以前的原子學說有很大進展。過去，在原子和宏觀物質之間沒有任何過渡，要從原子推論各種物質的性質是很困難的。現在，在物質結構中發現了分子、原子這樣不同的層次。因而我們可以認為，人們對於物質是怎樣構成的問題之認識已經接近物質的本來面貌了。

38 亞佛加德羅的偉大貢獻 亞佛加德羅常數(NA=Number of Avogadro) NA＝6.02205xl023/莫耳
它表示1莫耳(mole)的任何物質所含的分子數。 亞佛加德羅定律 它的內容是在同一溫度、同一壓力下，體積相同的任何氣體所含的分子數都相等(1811年提出) 分子假說 亞佛加德羅明確地提出了分子的概念，認為單質或化合物在游離狀態下能獨立存在的最小質點稱作分子，單質分子由多個原子組成，他修正了蓋·呂薩克的假說，提出：“在同溫同壓下，相同體積的不同氣體具有相同數目的分子。

39 亞佛加德羅的傳奇---從律師到物理化學家
亞佛加德羅出生在一個世代相襲的律師家庭。按照他父親的願望，他攻讀法律，16歲時獲得了法學學上學位，20歲時又獲得宗教法博士學位。此後當了3年律師。蝶蝶不休的爭吵和爾虞我詐的鬥爭使他對律師生活感到厭倦。 1800年他開始研究數學、物理、化學和哲學，並發現這才是他的興趣所在。1799年義大利物理學家伏打發明瞭伏打電堆，使亞佛加德羅把興趣集中於窺視電的本性。1803年他和他兄弟費理斯聯名向都靈科學院提交了一篇關於電的論文，受到了好評，第二年就被選為都靈科學院的通訊院士。這一榮譽使他下決心全力投入科學研究。1806年，亞佛加德羅被聘為都靈科學院附屬學院的教師，開始了他一邊教學、一邊研究的新生活。 1809年他被聘為維切利皇家學院的數學物理教授，並一度擔任過院長。在這裏他度過了卓有成績的10年。分子假說就是在這裏研究和提出的。1819年，亞佛加德羅成為都靈科學院的正式院士，不久擔任了都靈大學第一個數學物理講座的第一任教授。1850年，阿佛加德羅從這一教職上退休。 阿佛加德發表了很多著作，重要的著作是四大卷的《可度量物體物理學》。從歷史觀點來說，這是關於分子物理學最早的一部著作。

40 (History of Natural Science) 第7章 物質的基礎－原子及其結構 (D)不斷完善的原子模型
佛光人文社會學院 自然科學史 (History of Natural Science) 第7章 物質的基礎－原子及其結構 (D)不斷完善的原子模型 楊棋明 博士 中央研究院生物多樣性研究中心 Tel: #612, 613 FTP:

41 近代原子模型發展歷史 道爾頓模型 Dalton model (1803) 堅實不可分 的實心球 湯姆遜模型 Thomson model
(1904) 平均分佈著正電荷的粒子崁著同數目的電子 拉塞福模型 Lutherful model (1911) 帶正電荷的核 位於中心，質量主要集中在核上，電子沿不同軌道運轉 波爾模型 Bohr model (1913) 電子在一定軌道上繞核做高速圓周運動 電子雲模型 Electron cloud model (1935) 現代物質結構學說

42 陰極射線 1、1879年克魯克Crookes在 接近真空的玻璃管中通以 高壓電，發現了陰極射線 的存在，特徵： (a)陰極射線由陰極發射，
直線飛向陽極； (b)遇到障礙物，可形成陰影 ； (c)可使管內的金屬薄片風車轉動 ； (d)管內氣體不同時，呈現不同顏色。 2、1879年湯姆遜Thomson由陰極射線實驗的改進中，証明了”電子”的存在。(打破二千多年來原子不可分割的觀念) (a)在垂直於陰極射線的方向放置電場，射線的行進方向會偏轉成弧線狀。放置磁場亦然。(b) 陰極射線會偏向正電板，證明它是帶負電的物質。 它被命名為”電子”。(c)再由相關的物理計算，可求出”各種”陰極射線的 荷質比”( e/m)（電荷量除以質量所得的商數），此值為一定值。 (d) 不論陰極板面，是由何種金屬組成，也不論施加電壓多大，測得的值皆為同一數值。此種帶電的顆粒(由陰極射出的射線)是所有元素(原子)共有的基本顆粒。

43 密立根油滴實驗---電子是帶電荷的有質量的粒子
3.1909年密立根Millicun的油滴實驗 (1)既然電子可能存在，且是所有原子內部共有的”次粒子”(sub-particle)。 電子的電荷量究竟是多少？應如何測量？西元1909年，美國的密立坎設計了精密的油滴實驗，終於測得了電子的電荷量(又稱 ”基本帶電量”) ，並為美國獲得第一個諾貝爾獎。 (2)同時，將湯姆遜的實驗結果與密立根的實驗結果合併計算，就可求得電子的質量。 油滴實驗示意圖

44 湯姆遜的原子模型---電子的發現及其位置(1)
湯姆遜發現電子後，他設想的原子模型為：「原子可能是一個本身帶正電荷的球體，而帶負電的電子則平均散佈其內」稱為西瓜模型，(又稱為”葡萄乾布丁模型”)

45 湯姆遜原子模型---電子的發現及其的位置(2)
1903年，湯姆遜發展了他前一年提出的原子構造模型：原子是一個半徑大約為10-10米的球體，正電荷均勻地分佈於整個球體，電子則稀疏地嵌在球體中，這是一個類似葡萄乾麵包的原子模型。 同年，物理學家長岡半太郎認為正負電子不可能相互滲透，提出了電子均勻地分佈在一個環上，環中心是一個具有大質量的帶正電的球，被他稱為“土星型模型”結構。 1911年，拉塞福借助於α粒子散射研究，提出原子正電荷必定集中在半徑10-15米的範圍內，而原子半徑卻有10-10米，因此原子裏面絕大部分是空虛的，從而證明湯姆遜的模型更接近於物理真實。

46 拉塞福的原子模型---原子核的發現及其位置
約在相同年代，科學家發現了放射性物質，知道射線的存在，1911年英人拉塞福(湯姆遜的研究夥伴、副手)與其助手蓋革在研究粒子的散射時，發現了 ”原子核” 的存在， 開啟了 ”核原子模型” 的研究。 原子中央有 ”原子核”，原子核帶正電， 而且原子質量大部份集中於此。 原子核與原子比較，前者體積極小， 猶如一顆玻璃珠對一個操場的大小比例。 原子核外，電子快速繞核運動，猶如行星繞日般。 1913年莫色勒Moseloy証實原子核所帶的電的正電量與其質量或原子序有密切關聯。原子核的帶電量有大有小，是否也有帶正電荷的顆粒存在？ 1919年拉塞福以粒子撞擊氮原子，發現了質子確實存在。質子的質量約為電子質量的1840倍。 原子的大部份空間是空的 (Most of the space in an atom is empty)

47 波爾的原子模型--- 電子環繞原子核運動 電子只能在一些特定的軌道上運行； 電子在特定軌道上運行時，不發射也不吸收能量；
波爾父子 1913年，波爾把拉塞福的原子模型和普朗 克的量子論巧妙地結合起來，並且把原來 只用於能的量子概念加以推廣，為以後各 種物理量的量子化打開了大門，提出了新的原子結構理論。 其理論要點是： 電子只能在一些特定的軌道上運行； 電子在特定軌道上運行時，不發射也不吸收能量； 當電子從一個具有較高能量的軌道躍遷到具有低能量的軌道 時，就要發射出能量，反之吸收。 這個理論顯然是違反古典理論的，由古典理論估算，電子在繞核運行時，必定不斷損失能量，軌道會來越小，而終於落到核中， 並計算出在一個直徑為10-10m的原子，在10-12s時間內就會崩潰。但他在大量研究和計算的基礎上，堅持真理，為長期以來一直無法解釋的經驗公式做出了統一的理論解釋。波爾因此而獲1922年諾貝爾物理學獎。

48 波爾原子模型 波爾的”太陽系”模型

49 不同的電子軌域(s, p, d, f)能階不同：能階交錯現象
從第三電子層起就出現能階交錯現象。例如，3d的能量似乎應該低於4s，而實際上E3d＞E4s。按能量最低原理，電子在進入核外電子層時，不是排完3p就排3d，而是先排4s，排完4s才排3d。由於能階交錯，在次外層未達最大容量之前，已出現了最外層，而且最外層未達最大容量時，又進行次外層電子的填充。所以原子最外層和次外層電子數一般達不到最大容量。 多電子原子其電子所處的能級示意圖

50 (Principle of uncertainty)
拉塞福1906年之原子模型：電子、質子、中子 原子是組成物質不能再分割的基本單位 測不準原理 (Principle of uncertainty) 原子(atom) 電子(electron) 核(nucleus) 質子(proton) 中子(neutron) electron nucleus 電荷 質量 半徑 電子 － x x 質子 ＋ x x 中子 o x x 原子的大部份空間是空的 (Most of the space in an atom is empty.)

51 同位素與中子的發現 西元1925年左右，湯姆遜由質譜儀的研究中，發現了 “同位素” 的存在。
同位素： 原子序相同(即質子數目相同)而質量數不同的粒 子因為原子序相同，所以各同位素屬於同一元素，只是原子量不相同。 同時，由質譜儀的測量，鈉原子核的質量(或鈉離子的質量，或鈉原子的質量皆可，因為電子質量可以忽略)約為原子質量的23倍，故鈉原子核內應該含有23個質子才對，而測量鈉的原子序(帶電量)顯示它只含有11個質子(核外11個原子)，為何原子核的質量不符合 "質子質量" 的總和？ 西元1932年英人查兌克Chadwick以粒子撞擊鈹(Be)原子核，終於找到了中子的存在。

52 今日的原子結構：電子雲模型 電子雲 電子軌域 電子 原子核=質子+中子 電子雲 原子的大部份空間是空的
                                                                                   電子軌域 電子 原子核=質子+中子 電子雲 原子的大部份空間是空的 (Most of the space in an atom is empty.)

53 IBM用原子拼成中國字

54 原子結構 現今我們知道，原子是由三種亞(次)原子粒子(sub-atomic particle)組成的：
(1)質子(Proton):質子是一顆帶正電荷(+1)的粒子，質量為 X 10-24克，是電子的1836倍，符號是p。位處原子核(nucleus)內。質子在該原子核中的數目就是原子序數(atomic number，符號是Z)。 (2)中子(Neutron):中子是一顆不帶電荷的粒子，質量為 X 10-24克，是電子的1839倍，符號是n。位處原子核內。中子在該原子核中的數目加上質子在該原子核中的數目就是原子質量(atomic mass，符號是A)。 (3)電子(Electron):電子相信是最為人熟悉的帶負電荷(-1)的粒子了。它的質量是 X 10-28克，符號是e-。位處原子核外，以高速圍繞著原子核運行。 電子分為三種：s電子、p電子和d電子。它們分別分佈在不同能級(energy level)的軌道(orbital)：s電子的能級較低，p電子的能級稍高於s電子，d電子的能級則較高。

55 拉塞福1906年之原子模型：電子、質子、中子 原子是組成物質不能再分割的基本單位 原子(atom) 電子(electron) 原子核(nucleus) 質子(proton) 中子(neutron) 測不準原理 (Principle of uncertainty) electron 電荷 質量 半徑 電子 － x x 質子 ＋ x x 中子 o x x nucleus 原子的大部份空間是空的 (Most of the space in an atom is empty.)

56 (The uncertainty principle)
測不準原理 (The uncertainty principle) 測不準原理主張：某些物理量對，特別是位置/動量、 能量/時間這兩對是永遠不可能同時準確得知，實際上 其中一項測得越準確，另外一項越測不準。 當近代物理大師海森堡提出測不準原理時，他為量子系統的觀測實驗奠定了一條經典的定律﹕物體的空間座標(位置)與運動狀態(動量)在量子世界的尺度裡無法同時準確地決定，這兩個物理量(位置、動量)的乘積的最小值為浦朗克常數。而在一獨立與外界沒有交互作用的量子系統中，系統的狀態在理論上，是包含所有本徵態(eigenstate) 按著機率分佈相加的線性組合。這意味著該系統在某個時刻，有可能處於狀態A，也有可能處於狀態B，或者甚至既在狀態A又在狀態B。一旦這個量子系統與外界產生交互作用，或是受到了干擾(perturbation，或稱為”微擾”) ，它的狀態就不再變動，而會存在當時能量最穩定的狀態。 Δx·Δp≥h/4π 粒子位移 角動量

57 海森堡測不準原理的延伸 海森堡測不準原理：某個粒子的位置和動量不能同時被測量出來，對其中一個參數測量的越準，由於測量的干擾，另一個參數便會變得更不準；時間、空間和物質都不是可以被明確確定的，我們不可能完全準確的測量出宇宙現在的狀態。 既然連現在的狀態都不能被完全準確的測量，那麼對未來的事件就更不能被完全準確的推論了。量子力學所能預言的，是一組宏觀的(而不是一個微觀的)可能發生結果，以及每個結果出現的概率；而且觀測者的行為對結果的狀態起著重要的作用。 在這個全新的世界觀裡來看，人類社會歷史和每個個人歷史都更像是一部只有大致情節的劇本，未來有很多可創造的空間。 從這個觀念出發，就可以看到，很多結果都不是那麼確定的，而是人力，或是其它力常會施加影響，並做出抉擇的事情；未來的命運在這個觀念之下，變成一個不是那麼準確，或者說，不是那麼清晰的東西，因為它隨時在變，這顯然更符合我們所觀察到的一般生命現象，

58 基本粒子：夸克(Quark) 夸克是能感受強核力的一族帶電的基本粒子。 夸克總共有： ◊6種「風味」(flavor) ，或稱「味先子」
上(up, u) 下(down, d) 魅(charm, c) 奇(strange, s) 頂(top, t) 底(bottom, b) ◊3種「色彩」(color) ，或稱「色先子」 紅(red, r) 綠(green, g) 藍(blue, b) 例子：夸克(q)＝1紅先子(r)＋1上味子(u) 質子(p)＝2上夸克(u)＋1下夸克(d)

59 基本粒子 (Lepton) (Quark)

60 基本粒子(Elementary or fundamental particle)
原子核，含有中子和質子。然而，如果中子或質子的數目太大，原子核便會自行分裂。當原子序數超過82時便會發生放射性蛻變，分裂成另一個原子核，伴隨著阿爾法粒子(即氦原子核)或貝塔粒子(即高速電子)。還射出高能量的伽瑪射線。 實際上，直至現時為止，科學家已發現各種粒子均有反物質粒子的存在，最為人所知的可算是質子蛻變產生的正電子(positron)了。它是電子的反物質粒子，質量等同於電子，但電荷則相反(+1)。那麼質子和中子呢？ 中子和質子，根據研究所得，並非基本粒子。它們是由『夸克』(quark)組成的。夸克共有六種，分為三對，每種皆有其對應的反物質粒子： (1) 上(up，符號是u)、下(down，符號是d) (2) 魅(charm，符號是c)、異(strange，符號是s)，及 (3) 頂(top，符號是t)、底(bottom，符號是b) 以上各種夸克，可以以電荷劃分為兩類：上、魅和頂的電荷是+2/3，而下、異和底的電荷則是-1/3。 中子的電荷是0，因為它是由一顆上夸克及兩顆下夸克組成；而質子呢，則是由一顆下夸克及兩顆上夸克組成。

61 基本粒子 在基本粒子世界裡，還有一類叫『輕子』(lepton)的。輕子有兩種：一種帶電，一種不帶電。現概述如下：
帶電的輕子有三顆：上文已提及的電子、m子(muon，符號是m)和t子(tau，符號是t)。三顆帶電輕子都帶同樣電荷的負電。 剩下的是不帶電的，跟帶電輕子相對應的中微子(neutrino)。中微子質量極小，故極難探測。中微子有三顆，就是e-中微子(e-neutrino，符號是ve)，m-中微子(m-neutrino，符號是vm)和t-中微子(t-neutrino，符號是vt)。 另外還有力粒子，即四種基本力。例如運載電磁力的光子(photon)就是力粒子。

62 報告完畢 敬請指教 ！？ ！？ ！？ ！？ ！？ ！？