第 2 章　物質的組成

第 2 章　物質的組成 如果水……能形成波浪與泡沫，也能在沖刷地面時，激創出浪淘噪聲和曼妙波紋，而這水流生起幻滅的一切，竟只是大量原子的造作，那麼原子所帶來的無窮可能，豈不更難以言喻了？ ──費曼（Richard P. Feynman, 1918-1988）

本章概念圖

u 質子 u d 原子核 u 物質分子原子 d 中子 d 電子基本粒子物質的組成

2-1 物質是由原子所組成1 • 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。

2-1 物質是由原子所組成2 • 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。

2-1 物質是由原子所組成3 • 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。

2-1 物質是由原子所組成4 • 道耳頓從事氣體研究並倡議原子論來解釋實驗的結果。

2-1 物質是由原子所組成5 • 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。

2-1 物質是由原子所組成6 • 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

2-1 物質是由原子所組成8 • 原子表示法 • 其中X表元素符號、A為質量數、Z為質子數 • 質子數 + 中子數 = 質量數 • 質子數 = 電子數 = 原子序

2-1 物質是由原子所組成9 • 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

2-1 物質是由原子所組成10 • 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。

2-1 物質是由原子所組成11 • 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。

2-1 物質是由原子所組成12 • 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。

2-1 物質是由原子所組成13 • 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。

2-1 物質是由原子所組成14 • 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。 • FIM STM 顯微鏡原子力

2-2 原子與原子核的組成1 • 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。陰極射線

2-2 原子與原子核的組成2 • 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。

2-2 原子與原子核的組成3 • 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 m＝ 9.11×10－31公斤

2-2 原子與原子核的組成4 • 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。 • 提出行星式模型。

2-2 原子與原子核的組成5 • 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。

2-2 原子與原子核的組成6 • 1919 年拉塞福發現質子 • 1932 年查兌克發現中子。

2-2 原子與原子核的組成7 • 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。

2-2 原子與原子核的組成8 • 從實驗數據推算出金原子核的半徑應小於 10－15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 105倍，或原子的體積大約是原子核的 1015倍。相對於原子而言，原子核的體積甚小。

2-2 原子與原子核的組成9 • 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。 • 同位素：質子數、電子數、原子序相同，化性相同質量數、中子數不同，物性不同

2-2 原子與原子核的組成10 • 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。

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