國 際 教 育

1. 國 際 教 育 投 影 片

2. 概 念 圖

3. 物質是由原子所組成 • 物體是由原子構成的，將葉梢的水珠放大十億倍，則我們將能「看見」眾多的水分子以驚人的速度運動著（每一個水分子都由一個氧原子和兩個氫原子構成）；再放大十萬倍，連氫原子內的小小原子核都逃不過我們的「法眼」了。接著深入氫原子核，它還有內部結構 ──是由三個夸克組成的。

4. 物質是由原子所組成 • 所有的物體都是由原子所構成，而原子是了解科學世界的關鍵。

5. 物質是由原子所組成 • 留基伯創立原子論，而他的學生德莫克里特斯成為原子論的解說者和發揚者。

6. 物質是由原子所組成 • 道耳頓從事氣體研究並倡議原子論來解釋實驗的結果。

7. 物質是由原子所組成 • 波茲曼和克勞修斯等人的研究成果認為理想氣體的行為與性質都可以用原子與分子的概念和牛頓力學圓滿解釋。

8. 物質是由原子所組成 • 當前科學已知的原子質量最小的原子是氫（H） ，大約是 1 u u稱為原子質量單位（atomic mass unit） 1 u＝1.66 × 10－27 kg • 質量最大的原子是原子序為 118 的Ununoctium（符號為 Uuo，中文未命名）約有 294 u • 質量最大的原子約是最小的 294 倍

9. 物質是由原子所組成 • 當前科學已知的原子半徑最小的原子是氦，其半徑是 31 皮米（即 0.031 奈米） • 其次是氫原子的半徑是 53 皮米 • 半徑最大的原子是鈁（符號為 Fr），其半徑為 298 皮米 • 半徑上最大是最小的 9.61 倍，因此體積最大的原子是最小的 888 倍

10. 物質是由原子所組成 • 原子如何組成物質（水） • 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。 • 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。

11. 物質是由原子所組成 • 氣態的水分子在空間中快速地運動，同時每個分子不停地轉動，分子內的原子間亦不停地振動。分子與容器的器壁以及其它分子不停地碰撞而產生氣壓。若氣體的溫度愈高，則分子的運動就愈劇烈而形成愈大的氣壓。

12. 物質是由原子所組成 • 在常溫常壓下的水呈液態，因為原子的運動使分子內各原子的距離不停地改變，整個水分子就如此顫動著，但是相鄰水分子的氧與氫之間存在著電力作用，所以相鄰水分子之間可保持一定的平均距離，這使得水在一定的溫度下，具有一定的體積而不會散開或凝聚成更小的體積。

13. 物質是由原子所組成 • 常壓下處在熔點之下的水為固態，稱為冰，其原子或分子間形成有次序的排列，也就是晶體中原子或分子有一定的相對位置排列，稱為晶體結構，原子或分子只能在其排列的位置上振動而不能自由移動，因此固體具有一定的體積和形狀。

14. 物質是由原子所組成 • 現代儀器下的原子面貌：今日的科學家能使用儀器「看到」或操控原子或分子排列的方式。

15. 原子與原子核的組成 • 1897 年湯姆森確認陰極射線是帶負電的電子。 • 1909 年密立坎和他的學生夫列契設計油滴實驗而測得基本電荷電量大小 e。 • e＝1.60×10－19庫侖。

16. 原子與原子核的組成 • 測出電子的電量後，再依據湯姆森已測得的電子荷質比經過計算就可得電子的質量 m的值是 m＝ 9.11×10－31公斤

17. 原子與原子核的組成 • 電子的電量為－e，即電子具有最小的自然電荷單位 • 帶電油滴的電量（Q）皆為基本電荷的整數倍，即 Q＝ ±nen＝1, 2, 3, …… • 物體的帶電是由於電子的轉移（失去或獲得）所形成，故油滴所帶的電量應為電子電量的整數倍，這種現象稱為電荷量子化。

18. 原子與原子核的組成 • 拉塞福從α粒子射擊金箔的實驗數據推論原子應該有一原子核存在，經過計算後建立了有核原子模型。原子中心有一個原子核，核外有電子，整個原子成電中性。原子的質量幾乎全部集中在原子核。

19. 原子與原子核的組成 • 原子模型 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。 • 當時拉塞福將電子的運動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。

20. 原子與原子核的組成 • 1919 年拉塞福發現質子 • 1932 年查兌克發現中子。

21. 原子與原子核的組成 • 1932 年海森堡提出原子模型：原子核是由質子與中子所構成，與核外的電子組成原子。

22. 原子與原子核的組成 • 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。

23. 原子與原子核的組成 • 質子與中子統稱為核子，其意義是組成原子核的粒子。原子核內的質子數即元素的原子序、質子數和中子數的和稱為質量數。核種的符號可表記為 ，其中 X表元素符號、A 為質量數、Z 為質子數。

24. 原子與原子核的組成 • 夸克理論 • 1964 年蓋爾曼提出夸克理論，說明中子、質子等粒子均由更小、更基本的夸克組成。

25. 常用網路資源 • 知識通訊評論 • 東吳大學物理演示教室 • 普通高級中學課程物理學科中心演示教學網站 • The Physics Hypertext • 科學影像 • A Review of the Universe • 維基百科 • Learn Physics Today • The Physlet Resource • Science Toys • Physics.org • Pearson Physics PhysicsSource Website • 美國麻省理工學院課程教材 • 國科會科普知識 • Sciscape科景 • AEEA 天文教育資訊網 • MIT電磁學教學網8.02T • Physics Education Technology • Physics 2000 website • HyperPhysics • 國立交通大學開放式課程 • Demolab 物理教學示範實驗教室 • opensourcephysics • 國立中央大學物理演示實驗 • 國科會高瞻計畫-科學面面觀 (SciFace to Face) • 高瞻計畫資源平台 • 科學人部落格

26. 力學能的形式與轉換 • 能量有多種呈現的形式，例如動能、位能、熱能、光能、電能等。不同形式的能量之間可以互相轉換。

27. 能量的其它形式與轉換 • 不管能量的形式如何轉變，就一個孤立的系統（即和外界熱隔離）而言，能量的總和是不變的，稱為「能量守恆律」。

28. 能量的其它形式與轉換 • 愛因斯坦的質能互變公式 指出物質可以轉變成為能量，能量也可以轉換為物質。物質可說是能量的另一種呈現方式。

29. 質量(kg) 光速(m/s) 能量(焦耳，J) 核能 • 在二十世紀初以前，一般認為物質和能量是分立的，彼此不能轉換。 • 1905年愛因斯坦在相對論中提出質能互換公式：(質量可以轉變為能量，能量可以轉變為質量) • 核能發電的原理實際上就建立在這個公式上。

30. 愛因斯坦延伸了能量的概念，即物質是能量的一種呈現方式。愛因斯坦延伸了能量的概念，即物質是能量的一種呈現方式。 • 有些質量重的原子核並不安定，當受外來粒子撞擊時，會分裂成數個質量較輕的原子核，稱為核分裂。 • 反過來說，數個質量較輕的原子核在高溫的條件下，能融合成一個較重的原子核，稱為核融合。 • 兩種核反應皆因反應後的質量較反應前減少而釋放出巨大的核能。

31. 核分裂與核熔合 • 有些質量重的原子核會分裂成幾個質量較輕的原子核，稱為核分裂。 • 兩個較輕的原子核可以熔合成一個較重的原子核，稱為核熔合。

32. 核分裂和核熔合皆因反應後的總質量較反應前減少而釋放出巨大的核能。核分裂和核熔合皆因反應後的總質量較反應前減少而釋放出巨大的核能。 • 目前採用核分裂方式的核能發電。

33. 解： 例題7-1 若核反應前後，減少1克得質量，按上述公式計算，可產生多少焦耳的電能？

34. 目前運作中的核能發電廠都是利用鈾做為燃料。天然鈾礦中有99.3%的鈾-238和0.7%的鈾-235。目前運作中的核能發電廠都是利用鈾做為燃料。天然鈾礦中有99.3%的鈾-238和0.7%的鈾-235。 • 鈾-235原子核受到中子撞擊易分裂，產生兩個中子繼續撞擊其他鈾-235原子核，產生連鎖反應。 • 鈾-238原子核不會分裂，反而會吸收中子，阻礙連鎖反應的進行。

35. 核電廠要產生核分裂反應必須使鈾-235的濃度達到約3%，才能使核分裂的連鎖反應有效的進行。(為什麼會不有效？比3%低會如何？比3%高會如何？怎麼控制連鎖反應？)核電廠要產生核分裂反應必須使鈾-235的濃度達到約3%，才能使核分裂的連鎖反應有效的進行。(為什麼會不有效？比3%低會如何？比3%高會如何？怎麼控制連鎖反應？) • 產生的熱能，透過蒸汽機的原理推動渦輪葉片，帶動發電機，產生電能。 伴隨產生廢熱！

36. 核能發電所使用的鈾燃料和原子彈不同；後者含鈾純度很高，鈾-235的濃度必須90%以上，核分裂的連鎖反應無限制。任其反應快速的進行，瞬間產生巨大的能量而爆炸。核能發電所使用的鈾燃料和原子彈不同；後者含鈾純度很高，鈾-235的濃度必須90%以上，核分裂的連鎖反應無限制。任其反應快速的進行，瞬間產生巨大的能量而爆炸。 • 核電廠的鈾-235純度較低，加上反應爐內裝有可以吸收中子的控制棒，使連鎖反應在受控制的情況下緩慢的進行，不致爆炸。

37. 我國核三廠全年的發電量所需鈾燃料57噸，改用煤氣約需四百萬噸，石油約需兩百八十萬噸，天然氣約需一百九十萬噸。我國核三廠全年的發電量所需鈾燃料57噸，改用煤氣約需四百萬噸，石油約需兩百八十萬噸，天然氣約需一百九十萬噸。 • 核能的優點在於，不會產生二氧化硫、氮的氧化物、二氧化碳，故不會導致空氣污染、酸雨、溫室效應；且鈾燃料體積小，運輸和儲存都方便。 • 最大的缺點是使用過的核廢料具有輻射性，若處理不善，對生物、環境有長期不利的影響，且核電廠運作的安全性也備受國際社會關注。

38. 因此科學家轉而研究另一種同樣可以產生巨大能量，卻不會有核廢料問題的核反應，核融合。(註：太陽產生的能量就是來自核融合。)因此科學家轉而研究另一種同樣可以產生巨大能量，卻不會有核廢料問題的核反應，核融合。(註：太陽產生的能量就是來自核融合。) • 關於核融合的發電研究，在1951年第一顆氫彈試爆成功後，即已開始。 (註：氫彈也是利用核融合反應。) • 核融合是將「氘」和「氚」的原子核，拘束在很小的區域，加以四千萬度的高溫，則兩原子核融合成較大的氦原子核和一個中子，伴隨產生巨大的能量。

39. 核融合所需的原料氘，平均在海水中每6700個氫原子中就可以找到一個，所以不虞匱乏。核融合所需的原料氘，平均在海水中每6700個氫原子中就可以找到一個，所以不虞匱乏。 • 另一個原料氚，可利用核融合產生的中子撞擊鋰原子核得到，而鋰在鹽湖和地質中有豐富的蘊藏量，也不虞匱乏。 • 至今人類還沒辦法控制核融合反應，不是反應不起來就是過度反應(氫彈)，但是在科學家的努力下，核融合還是人類最終的能源希望。

40. 通常核反應都伴隨有輻射的發生，所以核反應也可應用於農業、材料、醫療等方面。通常核反應都伴隨有輻射的發生，所以核反應也可應用於農業、材料、醫療等方面。 • 一般伴隨反應的輻射有：α射線(氦原子核射束)、β射線(電子射束)、γ射線(電磁輻射)。 • 這些輻射具有的能量足以使一般原子核外的電子游離，因此稱為游離輻射，會傷害人體細胞。

41. 人體所受的輻射劑量的國際單位為西弗(Sv)，常用為毫西弗(mSv)，下表列出一般常見的輻射劑量值。人體所受的輻射劑量的國際單位為西弗(Sv)，常用為毫西弗(mSv)，下表列出一般常見的輻射劑量值。

42. 下表為輻射對人體的生物效應。

43. 習題7-2 (3)核電廠和原子彈都是利用核分裂產生能量，兩者有何不同? (4)火力發電和核能發電各有何優缺點？ 解：(3)前者鈾純度低、受到控制的連鎖反應；後者鈾純度高、未受控制的連鎖反應。 (4)火力發電產生污染環境的廢棄物，發電量低；核能發電產生輻射性的核廢料難保存，發電量高，原料運輸、儲存容易等。

44. 核能發電的最大缺點是會產生難以處理的輻射性核廢料。核能發電的最大缺點是會產生難以處理的輻射性核廢料。 • 核熔合較核分裂產生較大的能量，不會有輻射汙染，且原料不虞匱乏；但仍有技術問題尚待解決。

45. 網路資源： 1.物理遊樂場 能源的種類與使用http://www.ied.edu.hk/has/phys/work/index.htm

46. 太 陽 • 是團高溫氣體，直徑約140萬公里，約是地球的110倍，主要組成元素為氫（含量占3／4）和氦（含量占1／4）及少數其它元素。 • 太陽中心區域溫度高達1500萬K，進行核融合反應，在此過程中，氫融合形成氦，以輻射與對流方式將能量向外傳遞。

47. 太 陽 • 高溫氣體產生向外的熱壓力與向內收縮的萬有引力平衡，使太陽維持穩定的結構。 • 能量由表面向外輻射，成為太陽系的主要能量來源。

48. 太 陽 及 其 大 氣 • 太陽大氣分為三層，由表面向外分別為光球、色球與日冕。

49. 太 陽 及 其 大 氣 • a.平常看到的太陽盤面是光球的部分，有時可以看到黑子。 • b.發生日全食時，光球被月球遮住，可以看到呈粉紅色的色球。 • c.色球之外，還有日冕。 • d.極高溫的日冕在X射線波段要比光球明亮得多。

50. 太 陽 黑 子 • 太陽黑子是表面最顯著的特徵。 • 黑子是光球上磁場較強的區域，溫度比周圍低，顏色較暗，會隨著太陽自轉而數量改變。