高中物理(高一)
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第二章 物質的組成

第一節 物質由原子所組成

本節重點:

一、古希臘時期的哲學思辯,分為兩派
二、原子論的發展
三、原子的大小
四、由原子組成物質
五、現今科學技術進步可直接觀察或操控原子

一、古希臘時期的哲學思辯,分為兩派

1. 物質是連續的,可以無限制的分割下去,並不存在最小的組成單位。

(1) 古希臘的亞里士多德 (Aristotle)、十八世紀德國哲學家康德 (Kant)、十九世紀末奧地利哲學家馬赫 (Mach) 等人都不相信原子的存在。

(2) 因為亞里士多德的學說為當時的主流學派,使原子論的觀點無法繼續發展。

2. 物質無法無限制的進行分割,將達到一個不能再分割的最小的組成單位。

(1) 古埃及人認為宇宙是由「水、土、氣」三種元素所構成。

(2) 古希臘人恩培多克勒 (Empedocles) 認為萬物皆由「火、氣、水、土」(fire, air, water, earth) 四種元素構成,「愛」使所有元素聚合、「憎」使所有元素分裂。

(3) 古希臘時期的原子論:西元前五世紀,古希臘的留基伯 (Leucippus) 將此不能再分割的最小單位稱為原子 (atom),所有的物質都是由原子堆積而成的。

 * 希臘文的原子是 atomos,「a」表示否定,「tomos」是可分割的,合在一起的意思就是不可分割的。

(4) 留基伯的學生德莫克里特斯 (Democritus) 將原子論的說法作充分的詮釋。

 a. 整個宇宙是由空間及無數的微小原子所組成。

 b. 每個原子都恆久存在,不會無中生有或自然消失。

 c. 原子相互結合、分離或重組,構成物質的產生、消滅及轉變。

二、原子論的發展

1. 十八世紀末,法國人拉瓦節 (Lavoisier) 以實驗的基礎提倡元素說,促成道耳頓的原子論。

2. 拉瓦節根據1744年所作的實驗,發表了質量守恆定律 (Law of conservation of mass):

(1) 無論物質經過何種化學變化,反應前各物質的總質量恆等於反應後各物質之總質量。

(2) 又稱為質量不滅定律。

(3) 例如:

 a. CO+\frac{1}{2}O2→CO2,則28g的一氧化碳 (CO) 與16g的氧氣 (O2) 完全作用時,必可得44g 的二氧化碳 (CO2)

 b. 質量守恆定律僅適用於物理變化或化學變化,而不適用於核反應;在核反應前後,必須遵守質能守恆定律。

 * 補充1:現代的說法是在質能轉換中,也將質量視為能量,故只說能量守恆律,而不說質能守恆律。

 * 補充2:教育部課綱的說法:只說能量守恆律;而非能量守恆定律。

3. 1799年法國人普魯斯特 (Proust) 提出定比定律 (Law of definite proportions):

(1) 一種化合物無論其來源或如何製得,其組成的元素間具有一定的質量比,此種定量關係為實驗所得的規律性,稱為定比定律。

(2) 又稱為定組成定律 (Law of constant composition)。

(3) 例如:

 a-1. 一氧化碳 (CO)中,碳元素與氧元素的質量比為 3:4

 a-2. 二氧化碳 (CO2)中,碳元素與氧元素的質量比為 3:8

 b-1. 水 (H2O)中,氫元素與氧元素的質量比為 1:8

 b-2. 過氧化氫 (H2O2)中,氫元素與氧元素的質量比為 1:16

4. 1803年英國人道耳頓 (Dalton) 提出倍比定律 (Law of multiple proportions):

(1) 甲、乙兩種元素可以生成兩種或兩種以上的化合物時,若固定甲元素的質量,則乙元素質量之間成簡單的整數比,稱為倍比定律。

(2) 例如:

 a. 碳 (C) 與氧 (O) 可以生成一氧化碳 (CO) 及二氧化碳 (CO2):

 a-1. 若固定碳元素的質量時,氧元素的質量比為 1:2

 a-2. 若固定氧元素的質量時,碳元素的質量比為 2:1

 b. 氫 (H) 與氧 (O) 可以生成水 (H2O) 及過氧化氫 (H2O2):

 b-1. 若固定氫元素的質量時,氧元素的質量比為 1:2

 b-2. 若固定氧元素的質量時,氫元素的質量比為 2:1

5. 1802年道耳頓提出原子論,由實驗歸納推論而得,可用以解釋上述三定律,建立了現代原子模型的雛型:

(1) 道耳頓的原子論:

 a. 一切的物質都是由原子所組成;原子是最基本的不可分割粒子。

 b. 相同元素的原子具有相同的質量與性質;不同元素的原子則具有不同的質量和性質。

 c. 每一種元素 (element) 都是由同一種原子構成;不同元素的原子則以簡單整數的比例結合成為化合物 (compound)。

 d. 化合物分解所得的原子與構成化合物的同種原子性質相同。

 e. 化學反應僅能使原子分離和重新組合,在反應前後原子總數恆不變。

(2) 原子論可以解釋化學反應的進行,以及反應前後的質量守恆。

(3) 近代原子論的修正:

 a. 原子可再分割為更小的粒子,如電子、質子、中子等。

 b. 在化學反應中「原子不滅」;但在核反應中,原子會轉變成為另一種原子。

 c. 原子序相同,質量數不同的元素稱為同位素,這些原子的化學性質相同;但具有不同的質量,如:氫 _1^1H、氘 _1^2H、氚 _1^3H

6. 1808年法國的給呂薩克提出氣體反應體積定律 (Law of combining volumes of gases):

(1) 在同溫同壓下,氣體物質相互反應時或生成物有氣體時,反應物或生成物的氣體體積間恆成簡單的整數比,稱為氣體反應體積定律。

(2) 例如:

 a. 化學反應 aA(g) + bB(g) → cC(g) + dD(g) 中,反應物質為氣體時:
  平衡係數比 a:b:c:d = 反應氣體物質的莫耳數比
             = 反應氣體物質的分子數比
             = 反應氣體物質的體積比

 b. 化學反應 aA + bB → cC + dD 中,反應物質並非氣體時 (如A、B、C、D可能為固體或液體):
  平衡係數比 a:b:c:d = 反應物質的莫耳數比
             = 反應物質的分子數比
             ≠ 反應物質的體積比
 
7. 1811年義大利的亞佛加厥提出亞佛加厥定律 (Avogadro's law),用以解釋氣體體積 (V),壓力 (P),溫度 (T) 及分子數 (N) 間的關係。

(1) 同溫同壓下,同體積的任何氣體,含有相同的分子數。

(2) 道耳頓的原子論無法解釋氣體反應體積定律;亞佛加厥定律才能圓滿加以解釋。

(3) 應用:利用亞佛加厥定律可推算氣體的相對分子量。

 a. 分子量之比為 \frac{M_1}{M_2}=\frac{W_1}{W_2}

 b. 在同溫同壓下,分子量分別為M1、M2的兩種氣體分別裝在相同的容器內 (同體積),分別秤量其重量,各為W1、W2。依亞佛加厥定律知:這兩種氣體應含有相同的分子數,則
  二者分子數相同,即莫耳數相等:n1 = n2,即 \frac{W_1}{M_1}=\frac{W_2}{M_2}
  故可得分子量之比為 \frac{M_1}{M_2}=\frac{W_1}{W_2}

(4) 一莫耳氣體含有的氣體分子數為 6.02\times 10^{23} 個。

(5) N_A = 6.02\times 10^{23} mol^{-1}稱為亞佛加厥常數。

8. 十九世紀,奧地利物理學家波茲曼 (Boltzmann) 與德國物理學家克勞修斯 (Clausius) 對熱力學 (thermodynamics) 的研究,用分子的概念解釋理想氣體的性質及其行為表現。

(1) 假設氣體分子為堅硬的微小粒子,在空間中運動時彼此將發生彈性碰撞。

(2) 以牛頓力學的理論,可以輕易地解釋氣體的體積、壓力、溫度間的關係。

三、原子的大小

1. 現今已經確知天然及人工合成的元素共有117種,分別列在週期表中。

(圖:附週期表:參考最後附頁,但編排方式要稍作改變)

(1) 週期表中共列了118種元素;但原子序為117的元素Uus至今尚未被發現。

(2) 原子量為相對比較的量,無單位。

2. 原子質量單位: 

(1) 原子量無單位;克原子量則為一莫耳原子的質量。

(2) 例如:氫的原子量為1.008;其克原子量為1.008克,表示一莫耳氫原子的質量為1.008克。

(3) 原子質量單位 (atomic mass unit):定義為碳-12同位素一個原子質量的1/12。

 a. 1\; u= \frac{^{12}C}{12}= \frac{\frac{\; 12\; g\;}{N_A}}{12}= \frac{1}{N_A}\; g= \frac{1}{6.02 \times 10^{23}}\; g= 1.66 \times 10^{-24}\; g= 1.66 \times 10^{-27}\; kg

 b. 以前使用 amu,現在已改用 u 表示。

(4) 氫原子的真正質量則為 1.008 u,即
  m=1.008 \; u= 1.008 \times 1.66 \times 10^{-27}\; kg= 1.67 \times 10^{-27}\; kg

3. 半徑最小的原子是原子序為2的氦原子,其半徑為31 fm (即等於0.031奈米);半徑最大的原子是原子序為87的鈁原子 (符號為Fr),其半徑為298 fm (即等於0.298奈米),因此半徑最大的原子約為半徑最小的9.6倍。

(圖)

4. 質量最小的原子是原子序為1的氫原子,其原子量為1.008,故一個氫原子的質量為1.008 u;質量最大的原子是原子序為118的Ununoctium原子 (符號為Uuo,尚未有中文命名),其原子量約為(294),故一個Uuo原子的質量約為294 u,因此質量最大的原子約為質量最小的294倍。

(圖)

5. 原子的尺度與日常生活經驗相較甚小:

(1) 人類眼睛的觀察能力約為0.1 mm,藉助光學顯微鏡可以觀察到約1μm (微米);普通天平可以秤量到0.1 mg,電子天平則可秤量到1μg。

(2) 原子的尺度遠遠超過人類的觀察限度。

(3) 例如:已知鐵的原子量為55.85、鐵的密度為7.86 g/cm3,則邊長為1 cm的正方形鐵塊,含有的原子數約為  8.5\times 10^{22}個,在每邊長上可以排列約 4千萬個原子。

(4) 現代化的科學技術,已進步到使用電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、場發射顯微鏡等,直接觀察原子或分子。

四、由原子組成物質

1. 美國物理學家費曼在教學時使用的《物理學講義》(The Feynman Lecture on Physics) 第一冊第一章曾說:假如由於某種大災難,所有的科學知識都弄丟了,只有一句話可以傳給下一代,如何才能使用最少的詞彙來傳達最多的訊息?就是:「所有的物體都是由原子所構成。」

2. 金屬的晶體結構及混合物:物質由同類原子或不同類原子聚集而成。

(1) 原子之間主要以電磁力的交互作用,使彼此間維持適當的距離。原子不停地運動著,當彼此略微離開時會相互吸引,而當彼此靠近時則會相互排斥。

(2) 固態:
 a. 固體內的原子呈現規則的排列。

 b. 原子在各自的平衡位置附近作凌亂無序的微小振動,這種原子的運動現象與溫度有關,稱為熱運動。

 c. 當溫度不高時,在電磁力的強力束縛下,原子間無法產生結構性的改變,故固體有一定的體積及一定的形狀。

(3) 液態:
 a. 溫度升高時,原子的熱運動加劇,振動現象變得較為激烈,原子可以掙脫在固定位置上的束縛,此時固體將熔化成為液態。

 b. 液體有一定的體積,但沒有一定的形狀。

(4) 氣態:
 a. 溫度再升高時,原子的振動更為激烈,可以掙脫彼此間的束縛,每個原子可以不受拘束的自由運動,此時的狀態稱為氣態。

 b. 氣體沒有一定的體積,也沒有一定的形狀。

(插圖:固體分子:排列整齊,留殘影表示在振動,運動方向各不相同、液體分子:已沒有整齊結構,運動加劇、氣體分子:自由運動,殘影加長)

3. 化合物:物質由同類原子或不同類原子結合而成。

(1) 例如:兩個氧原子結合成為一個氧分子,或兩個氫原子與一個氧原子結合成為一個水分子。原子之間形成化學鍵,將分子內的原子束縛成為一定的形狀,但原子不停的振動,動態地維持一定的平均距離。

(2) 固態:
 a. 在熔點以下的溫度時,物質呈現固態。

 b. 原子與分子形成排列整齊的晶體結構,維持一定的相對位置。

 c. 原子與分子僅能在其排列位置上振動,而不能自由移動,因此固體有一定的體積及一定的形狀。

(3) 液態:
 a. 溫度高於熔點、又低於沸點時,物質呈現液態。

 b. 分子內原子的振動速度增大,分子的運動速度也增大,打破晶體結構的束縛,使分子可以自由移動;但分子間仍有電磁力的約束,使相鄰分子間仍保持一定的平均距離。

 c. 液體有一定的體積,但沒有一定的形狀。

(4) 氣態:
 a. 溫度高於沸點時,物體呈現氣態。

 b. 分子的平均運動速度甚大,使得分子間不再相互束縛,每個分子皆可自由運動,因此氣體沒有一定的體積、也沒有一定的形狀。

 c. 分子內的每個原子不斷在振動,分子也在快速的移動與旋轉,與器壁發生碰撞時產生壓力。當溫度增高時,分子的運動速度增大,即可使氣壓增大。

五、現今科學技術進步可直接觀察或操控原子

1. 傳統的光學顯微鏡:

以可見光為介質,使用透鏡聚焦,可把物體的影像放大約1500倍,可以分辨的最小極限達0.2微米 (等於200奈米)。

2. 電子顯微鏡:

以電子高速運動產生的物質波為介質,以電子透鏡聚焦,可將物體的影像放大約10萬至100萬倍,可以分辨的最小極限達0.1奈米。除了可以作為重要的觀測工具之外,還可以利用電子顯微鏡所使用的探針精確的操控原子的移動,因此可以作為微加工的工具。

3. 新的科學思維:

(1) 新的科學技術帶來了新的科學思維,兩者相輔相成,開創了新的局面。

(2) 由上而下 (top-down) 的作法:以往自可觀察、操作的大尺度開始,不斷的將物質加以分割,最後得到小尺度的物質結構。例如電晶體及積體電路的製作,因為理論與技術的進步,可以愈做愈小。

(3) 由下而上 (bottom-up) 的作法:既然可以直接操控原子,因此可以用人工方法將原子排列、堆疊,建立新的物質結構,也因而產生新的科學領域,例如奈米科技的發展。

4. 奈米科技:

(1) 奈米科技的定義:

 a. 奈米是長度的單位:1 奈米 (nm) = 10-9 公尺 (m) = 10 埃 (Å)

 b. 氫原子的大小約為1.06 Å,故1奈米大約是10個氫原子排列起來的長度;或是2至3個金屬原子排列起來的長度。

 c. 奈米科技是一門應用科學,研究探討的是奈米規模(即1至100奈米大小)的奈米材料和儀器設備,從設計方法、組成結構、特性以及應用,尤其是現存科技在奈米規模時的延伸應用。

 d. 奈米科技的對象為原子、分子、高分子、量子點和高分子集合,並且被表面效應所掌控。

(2) 奈米結構的特性:

 a. 蓮花效應:蓮葉表面覆滿了奈米尺度的脂質微細結構,使水或灰塵與葉面不易沾黏,當水珠在葉面上滾動時,可以將葉面上的灰塵顆粒帶走,形成自潔功能,稱為蓮花效應。

 b. 表面效應:當長度減為1/n時,「表面積/體積」比將增為n倍。因此,奈米材料的顆粒愈小時,其總表面積將愈大,則與巨觀的材料相比較時,熔點降低、溶解度提高、化學反應速率增快,呈現的顏色、磁性、導電性都將產生很大的差異。

(3) 現在已有相當多的奈米應用產品:如奈米碳管、奈米磁顆粒、微型機械、光子晶體、自組裝技術等。

(4) 奈米科技與生物技術一樣,會產生許多潛在的危害:奈米顆粒和奈米材料的高移動性與增強的反應能力,對人體健康和環境都會造成潛在的危害。

0最後修改紀錄: 2010/10/01(Fri) 07:29:59


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