Ch03物質的組成與交互作用-課本PDF

3 物質的組成 與交互作用 3-1 3-2 3-3 物質的組成 原子的結構 基本交互作用 63 66 72 60 61  迷你 講堂 基本作用力有四種，那摩擦力屬...

3 物質的組成 與交互作用 3-1 3-2 3-3 物質的組成 原子的結構 基本交互作用 63 66 72 60 61  迷你 講堂 基本作用力有四種，那摩擦力屬於哪一種力形成的？ 在本章中我們將介紹物質是由原 度，原來巨觀經驗觀察到的摩擦力，其 子組成，而物質間的基本交互作用，可 實是微觀尺度下原子間的電磁力。即便 以分為重力、電磁力、強核力與弱核力 到現在為止，想從奈米尺度完整描述摩 四種。但日常生活中處處可見的摩擦 擦力的產生，都還是科學研究上的重要 力，究竟屬於哪一種基本作用力呢？在 課題，也一直還有相關的論文發表呢！ 巨觀的尺度上，可以藉由各式各樣的實 從這個例子，我們可以看出科學方法有 驗，歸納出有用的經驗定律。但若是要 趣的特色：雖然摩擦力在微觀的尺度 了解摩擦力的本質，那可不是一件容易 上，尚未有完整的理論，但是從巨觀實 的事。讓我們將鏡頭放大到奈米的尺 驗歸納出的經驗定律，卻簡單又實用。 學 習 概念圖 弱 蘋果受到 重力 地球重力 原子 電子 3-2 3-2 3-3 弱核力作用距離極短， 大多發生在原子核裡 弱核力 原子核 3-2 3-3 電磁力 原子組成 中子 / 主要靠電磁力 質子 3-2 3-3 強核力 原子核組成 夸克 主要靠強核力 3-2 強 3-3 62  物質的組成與 交互作用 3 3-1 物質的組成 一、組成物質的原子 物理學家費曼（Richard Feynman，1918 - 1988，美國人）曾在所著的《費 曼物理學》一書中，提出一個假設性的問題：「如果發生世紀災難，摧毀了一 切的科學知識，我們只能留下一句話給後代智慧生物，哪一句話最簡潔有力， 可以包含最多的資訊呢？」 當然，這個答案見仁見智，但是費曼提出自己的見解：「所有的物質都是由 原子組成的：原子是不停擾動的小粒子，分開遠一點時，彼此有吸引力，在非常 靠近時又會互相排斥。」由於原子的尺度太小，日常生活無法直接觀察，但加上 一點點想像力、一點點思考的深度，可以由此了解自然界的諸多現象。這句話 背後所涵蓋的科學資訊，可是橫跨了物質科學與生命科學，非常地深遠豐富。 舉例來說，鑽石與石墨是看來截然不同的物質，但其實都是由碳原子組 成，只是排列的方式不同。如圖 3-1 所示，在鑽石中每個碳原子鄰接四個碳 原子，形成十分穩固的立體結構。然而在石墨中，碳原子先排列成二維的蜂 窩結構，然後再一層一層堆疊起來。鉛筆的主要成分正是石墨與黏土（沒有 鉛喔！），當在紙上書寫時，石墨一層層剝落黏在紙上，就是平常見到的鉛 筆筆跡。所以即便是相同原子組成的物質，因為微觀上的排列方式不同，巨 觀上的特性就相去甚遠。 多數物質是由多種不同的原子組成，可以想見，所呈現的物理與化學特性， 更是五花八門。經過科學家長期的努力，已知所有的物質都是由原子組成，而 原子的種類有一百多種，可以用常見的週期表一一陳列。原子的大小不一，氫 原子小一些，鈾原子大一些，但大約都在 0.1 奈米∼ 0.3 奈米左右。 習題 1、2 圖 3-1 排列方式不同的碳原子 鑽石與石墨都是碳原子組成的，但由於原子排列方 式不同，無論是外觀或物理、化學性質都截然不同。 63 3 物質的組成與 交互作用 二、固態、液態、氣態中的原子排列 原子的排列方式並非一成不變，有時藉由溫度或壓力的調控即可改變。 舉生命中最重要的水為例，水分子（H2O）是由兩個氫原子與一個氧原子所 構成。如圖 3-2 所示，在室溫下水呈現液態，雖然沒有特定的排列方式，但 有固定的體積。將液態水加熱，隨著溫度升高，水分子的平均動能也逐漸變 大。當溫度達到沸點後，水汽化為水蒸氣（氣態），水分子的動能足以克服 想一想 彼此間的吸引力，因此四散飛離。在氣態時，水分子以較快的速度運動，彼 燒開水時，在水 此間的距離大，造成密度大幅下降。反過來如果將液態水降溫，水分子的動 沸騰後可看到的 白煙，這就是水 能也隨之減小，分子間的作用力相形重要。當溫度低至凝固點時，水凝固成 蒸氣嗎？ 冰（固態），水分子順應彼此間的作用力，形成特定的晶格結構。 習題 3 水的三相與微觀上對應的 圖 3-2 分子排列狀態 64  物質的組成與 交互作用 3 三、從微觀的原子到巨觀的現象 由之前的例子得知，原子的排列方式不同，即可導致不同的物理與化學 想一想 特性。如水分子在微觀上的排列方式不同，即對應到巨觀尺度上的固態、液 當你吃熱騰騰的 小籠包被燙到時， 態與氣態。那自然界聲、光、熱、電等現象，是否也可以用原子的角度來解 以微觀原子或分 釋呢？答案自然是肯定的。 子 觀 點 來 看， 發 生了什麼事？ 舉聲音在空氣中傳播為例，如圖 3-3 所示，當沒有外界擾動時，空氣分 子隨機運動，並沒有特定的模式。當聲源擾動空氣分子時，有些區域空氣分 子較少（密度低），而有些區域則分子較多（密度高）。空氣分子受到擾動 產生疏密相間的運動模式，就是聽到的聲波。 各種熱現象，也可以從原子的角度來理解。如圖 3-4 所示，當固體在低 溫時，原子形成特定的晶格排列，並且在平衡點附近做微幅擾動。經過加熱 後溫度上升，原子擾動的幅度也隨之上升。也就是說，微觀上原子的熱擾動 加劇，正對應到巨觀上溫度的上升。 在現代生活中，俯拾皆是電與光的現象與應用。導線中流動的電流，是 原子外層的自由電子運動所造成。四處可見的光源，大多是利用電子在不同 的原子能階中躍遷放出光子而來，我們會在後面的章節介紹。這些常見的現 象也都可以從原子的角度來分析，只是說明起來比較複雜一點。 圖 3-3 聲波與空氣分子的運動 圖 3-4 溫度與原子的熱擾動 65  3-2 原子的結構 圖 3-5 原子模型的發展歷史 一、原子模型的發展歷史 原子（atom）的尺度極小（約 0.1 奈米∼ 0.3 奈米），不 容易直接觀察到。如圖 3-5 所示，觀看原子發展的重要里程 原子論 碑，就可以看到科學家絞盡腦汁，用各式各樣間接的測量與 1803 道耳頓 論述，試圖證明原子的存在，並了解其內部結構。 葡萄乾布丁模型 1904 湯姆森 原子行星模型 氫原子模型 1911 拉塞福 1913 波耳 量子力學 海森堡 薛丁格 狄拉克 1925~ 66  物質的組成與 交互作用 3 在 19 世紀初，從道耳頓（John Dalton，1766 - 1844，英 小百科 國人）提出原子論，並依此解釋各種化學反應。他假設不同 α 粒子 的元素含有不同的原子，原子本身是穩定而不會改變的。分 α 粒子是某些放射性物質衰 變時放射出來的粒子，由兩 子是由不同的原子組合而成，而化學反應則是原子分子改變 個質子及兩個中子組成，等 同於氦原子核 42He2+。 組合方式。道耳頓的原子論雖然簡單，但即便到了今日，基 本上還是正確的，是科學史上的大突破。 但原子有內部結構嗎？如果有，那原子的結構又是什麼 呢？足足過了將近一個世紀，湯姆森（Joseph John Thomson， 1856 - 1940，英國人）藉由實驗發現第一個比原子還要小的 粒子：電子（electron）。他提出葡萄乾布丁模型，來解釋原 子的內部結構。如圖 3-6 所示，原子內的正電荷像布丁一樣 均勻分布，帶負電的電子，則像葡萄乾一樣鑲嵌在內，而整 個原子是電中性。 拉塞福（Ernest Rutherford，1871 - 1937，紐西蘭人）是 湯姆森的學生，用 α 粒子撞擊金箔，延續原子結構的研究。 根據湯姆森模型，原子內部結構相當均勻，拉塞福原本期待 α 粒子僅會產生微小的偏折。但實驗結果出乎意料，雖然大部 分 α 粒子只有小角度偏折，但是確實有少數的 α 粒子在撞擊 圖 3-6 葡萄乾布丁模型示意圖 湯姆森發現原子內的電子，提出葡萄乾布丁模型。 67 3 物質的組成與 交互作用 金箔後，呈現大角度的反彈，如圖 3-71 所示。拉塞福對此意外的實驗結果， 有極為生動的譬喻：「α 粒子像是砲彈，而原子就像一團薄紙，實驗結果告 訴我們，砲彈被薄紙團給彈回來了！」拉塞福的實驗結果，推翻了湯姆森的 葡萄乾布丁模型，讓科學家必須重新思考原子的結構為何。 為了解釋散射實驗的結果，拉塞福假設在原子的中心，有帶正電的原子核 （nucleus），而且原子的質量幾乎都集中在原子核。由於原子核帶正電且質量大， 可以造成 α 粒子顯著的反彈，而且拉塞福利用理論計算，得到 α 粒子散射到各個 角度的機率，結果與實驗觀察極為吻合，從此確認了原子核的存在。 習題 4 如圖 3-72 所示，拉塞福進一步假設，電子環繞著原子核運行，恰如行 星繞著太陽運行一般，稱為原子的行星模型。然而這樣的原子模型並不穩定， 根據古典物理，帶電粒子加速時，會放出電磁波。由於能量守恆，加速粒子 的能量會因此減小（電磁波帶有能量）。在原子的行星模型中，繞行電子具 有加速度，會放出電磁波而耗損能量。如此一來，電子繞行速率變小，造成 軌道半徑也逐漸變小，很快就會撞上帶正電的原子核。因此原子的穩定性無 法由古典物理解釋，要用稍後第 6 章介紹的量子理論才行。 圖 3-7 拉塞福的原子模型 1 α 粒子散射實驗 根據湯姆森葡萄乾布丁 模型預測的結果，α 粒子 A A 拉塞福用 α 粒子撞擊金箔，發現原子 只會產生小角度的偏折。 A 核的存在。 68  物質的組成與 交互作用 3 二、原子與原子核 總結實驗與理論的進展，讓我們得以一窺原子的內部結構。原子是電中 性，大部分質量集中在帶正電的原子核，但是所占空間極小；而就原子的體 積來看，大部分由原子核外帶負電的電子撐起來，原子的化學特性，也多由 核外電子所決定的。 原子小，原子核更小，其半徑僅原子半徑的萬分之一到十萬分之一。如 果把原子放大到運動場這麼大，原子核就是在中心的一粒芝麻大小。原子核 極小，但整個原子的質量又集中於此，因此密度可達水的 1014 倍。拉塞福用 α 粒子撞擊金箔，發現原子核的存在。後續發展的撞擊實驗發現，原子核也 有內部結構，由更小的質子（proton）與中子（neutron）構成，其電荷與質 量見圖 3-8。質子帶正電，其電量與電子相同（但電子帶負電），而質量約 為電子的 1836 倍。中子為電中性，稍稍比質子重一些。由於原子核是由質子 與中子組成，兩者統稱為核子（nucleon）。 習題 5 圖 3-8 原子核的標示方法 2 原子行星模型 質子、中子、電子的電荷與質量對照表 表內 e ≈ 1.6 × 10–19 庫侖為基本電荷（elementary charge）。 這模型並不穩定，繞行電子具有加速 粒子 質子 p 中子 n 電子 e– 度，會放出電磁波而耗損能量，電子 軌道半徑逐漸變小，很快地就會撞上 電荷（e） +1 0 –1 帶正電的原子核。 質量（kg） 1.673×10–27 1.675×10–27 9.109×10–31 相對質量 1836 1839 1 （電子） 69 3 物質的組成與 交互作用 範例 1 原子核 你知道在五金行就可以買到放射性元素嗎？ 在離子式火災煙霧偵測器中，含有微量的鋂 24915Am，可持續穩定發出 α 粒子形成電流通路，試問每一個鋂核當中有幾個質子、幾個中子？ 原子序 = 質子數，質量數 = 質子數＋中子數。 質子數 = 原子序 = 95，中子數 = 質量數 – 質子數 = 241 – 95 = 146。 故每一個鋂核當中有 95 個質子、146 個中子。 如果你以為故事就此打住，那就大錯特錯了。蓋爾曼（Murry Gell-Mann， 1929 - 2019，美國人）在 1960 年代提出，中子與質子可能由更小的粒子組成， 稱為夸克（quark）。後來實驗物理學家用高速電子撞擊質子，發現其內部並 不均勻而有點狀結構，證實了夸克的存在。如圖 3-9 所示，質子與中子並非 最基本的粒子，而是分別由三個更小的夸克所組成的。 從純物質到原子，原子到原子核，原子核到核子，核子到夸克，會不會 隨著探索的能量變高，尺度變小，我們會再發現夸克有內部結構呢？確實有 這樣的理論假說，但是到目前為止，實驗並未發現夸克由更小的粒子組成， 而前面提到的電子，也未偵測到任何內部的結構。像夸克與電子這類粒子， 並非由更小的粒子組成，稱為基本粒子（fundamental particle）。但隨著實驗 推展，說不定哪天我們會發現新的證據，屆時基本粒子就不再基本了。 習題 6、7 想一想 以今日科學家的證據，質子、中子、電 子、夸克之中，哪些是屬於基本粒子？ 70  物質的組成與 交互作用 3 圖 3-9 從巨觀到微觀 巨觀尺度的金塊，放大到微觀尺 原子 度上，會依序看到原子、原子核、 -10 10 m 質子／中子、夸克與電子。依目 前實驗結果，夸克與電子是基本 電子 夸克 粒子，尚未發現更細微的內部結 構。 電子 質子 中子 原子核 -15 10 m