高中物理(高一)
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第二章 物質的組成

第二節 原子與原子核的組成

本節重點:

一、原子的組成
二、原子核的組成

一、原子的組成

1. 原子模型:

(1) 古希臘 (或牛頓) 的說法:原子是不可再分割的堅硬質點,彼此碰撞時具有完全彈性。

(2) 湯木生 (Thomson) 原子模型:

 a. 背景:已在陰極射線中發現帶負電電子的存在。

 b. 許多帶負電的電子散佈在帶正電的均勻球體中,球體的質量約等於原子的質量,球體的帶電量等於電子的總電量,故原子為電中性。

 c. 湯木生的原子模型類似葡萄乾散佈在布丁中,故稱為葡萄乾布丁式的原子模型,在國內則有人稱之為西瓜與西瓜子的原子模型。

 d. 湯木生的原子模型中沒有原子核,為「無核」的原子模型。

(3) 拉塞福 (Rutherford) 原子模型:

 a. 背景:已在α質點散射實驗中,發現原子核的存在。

 b. 原子內部大部分均為空間,原子的質量幾乎集中在帶正電的原子核,帶負電的電子則環繞原子核運動。

 c. 拉塞福的原子模型中,電子繞原子核運動,如小型的太陽系,故稱為行星式的原子模型。

 d. 拉塞福的原子模型中有原子核,為「有核」的原子模型。

(4) 波耳 (Bohr) 原子模型:

 a. 背景:已在氫原子光譜分析中,發現能階的存在。

 b. 電子環繞原子核運動的軌道需遵守穩定態的條件,不能為連續的任意值。

 c. 波耳原子模型仍為行星式的原子模型,亦為「有核」的原子模型。

2. 電子的發現:

(1) 西元1894~1897年間,湯木生對陰極射線進行多種實驗,確認陰極射線為帶負電的粒子,並測其荷質比(帶電量與質量的比值),發現了電子的存在。

(2) 米立坎 (Millikan) 設計油滴實驗,測定小油滴上所帶的電量,發現各油滴所帶電量恰能成為一簡單的整數比,因此推論帶電量有一最小的自然單位存在,稱為基本電荷。

 a. 基本電荷:e=1.60 \times 10^{-19} 庫侖。

 b. 物體帶電皆為基本電荷的整數倍:帶電量 Q=\pm ne,n = 1, 2, 3, ...,顯示了電荷量子化的現象。

(3) 合併湯木生的電子荷質比與米立坎的電子帶電量,可以推得電子的質量為 m=9.11 \times 10^{-31} 公斤。

3. 原子核的發現:

(1) 拉塞福在α質點散射實驗中,發現在原子內存在一重質點,稱為原子核。

(2) 整個原子的質量幾乎都集中在原子核,原子核帶正電,並位於原子的中心。

(3) 核外的電子帶負電,且與原子核所帶的正電恰相等,使整個原子維持電中性。

(4) 電子環繞原子核作軌道運動,如行星環繞太陽運行一樣。

(5) 原子的大小約為 10^{-9}\; m,原子核的大小約為 10^{-14}\; m

 * 補充:有些書上認為原子的大小約為 10^{-10}\; m,原子核的大小約為 10^{-15}\; m

 * 補充:有些書上認為原子的大小約為 10^{-10}\; m,原子核的大小約為 10^{-14}\; m

(圖:Quark)

二、原子核的組成

1. 原子核的組成:

(1) 原子核由若干個質子與中子所組成,二者統稱為核子 (nucleon)。

 a. Z稱為原子序,表示原子核中的質子數,也表示原子核外的電子數。

 b. N稱為中子數,表示原子核中的中子數。

 c. A稱為質量數,表示原子核中的核子數,即質子數與中子數的和:A = Z + N。

(2) 若X表示某化學元素,則原子核的符號以 _Z^A X 表示。例如:

 a. 氫 _1^1 H:表示氫原子核內有一個質子、沒有中子;原子核外有一個電子。

 b. 氧 _{\;; 8}^{16} O:表示氧原子核內有8個質子、8個中子;原子核外有8個電子。

 c. 鉛 _{\;\; 82}^{206} Pb:表示鉛原子核內有82個質子、124個中子;原子核外有82個電子。

(3) 原子核的大小約為1飛米 (1\; fm=10^{-15}\; m)

 a. 原子核的體積與其所含的核子數成正比,即與其質量數成正比:V\propto A

 b. 原子核的半徑與質量數的1/3次方成正比:R=R_0 A^{1/3} \propto A^{1/3}R_0 \approx 1.2\; fm

(4) 原子或原子核的質量通常以原子質量單位 u 表示:

 a. 質子質量:m_p = 1.007276\; u = 1.6726 \times 10^{-27}\; kg

 b. 中子質量:m_n = 1.008665\; u = 1.6750 \times 10^{-27}\; kg

 c. 電子質量:m_e = 0.0005488\; u = 9.108 \times 10^{-31}\; kg = \frac{1}{1836} m_p = \frac{1}{1839} m_n

(5) 原子核的結合:

 a. 原子核內各質子間皆有靜電排斥力的作用,但受核子間的核力強力吸引,能結合成為
一個原子核。

 b. 核力為強交互作用 (strong interaction):

 b-1. 核力是一種短程力,其有效作用範圍在 2 fm 以下。

 b-2. 核力在原子核內比電磁力約大100倍;但在原子核外較長的距離時,核力迅速減弱,且遠小於電磁力。

 b-3. 不論原子核中含有多少核子,任一核子僅能與鄰近少數幾個核子發生交互作用。

2. 質子的發現:

(1) 拉塞福在α質點散射實驗中,以含氮元素的物質為α質點撞擊的靶,結果撞擊出許多帶電粒子,其中最小的粒子帶有與電子電量相同的正電荷,且其質量與游離的氫原子相同,約為電子質量的1800倍。

(2) 拉塞福認為這是組成原子核中的基本帶電粒子,稱之為質子 (proton)。

(3) 在之後的實驗中,各元素的原子核所帶電量陸續被測得,發現原子核所帶電量恰為基本電荷的Z倍 (即Q = + Ze)。Z為元素在週期表上的順序,稱為原子序 (atomic number)。

(4) 化學家已測得各元素的原子對氫原子的相對質量,因此設氫原子的原子量為 1 (後來改以氧原子的原子量為16,再改為以碳原子的原子量為12) 時,各元素的原子量皆能接近整數值,以A表示,稱之為原子的質量數 (mass number)。

3. 中子的發現:

(1) 拉塞福推測原子核的結構時,猜想在原子核內應存在一種質量等於質子、但不帶電的粒子,稱其為中子 (neutron)。

(2) 查兌克 (Chadwick) 以α質點撞擊鈹原子核的實驗,發現中子的存在。

 a. 以α質點撞擊金屬鈹時,有未知的不可見質點射出。

 b. 此種質點具有高穿透力,而且不受電場及磁場的影響,可見是一種不帶電的粒子,稱為中子。

 c. 再以中子撞擊靜止的氫原子或氮原子時,可以將氫原子核或氮原子核撞出,即可推算中子的質量。

(3) 發現中子之後,德國物理學家海森堡 (Heisenberg) 提出原子核是由質子及中子所組成,與核外的電子形成整個原子,此說法可以用來解釋已知的各種元素的原子結構。

4. 質子與中子的內在結構:

(1) 在1930至1960年代,各種加速器用來研究各種基本粒子的特性。加速器的能量愈來愈大,而發現到的新粒子也愈來愈多。

(2) 美國物理學家蓋爾曼 (Gell-Mann) 提出夸克 (quark) 理論,認為質子和中子都是由更小、更基本的夸克所組成。

(3) 物理學家現已證實有六種夸克的存在,細節請參看進階閱讀(超過高一教材範圍)。

(4) 質子與中子的內在結構:

 a. 質子是由三個夸克(uud,二個上夸克及一個下夸克)所組成;而中子則由三個夸克(udd,一個上夸克及二個下夸克)所組成。

(圖:質子的組成:uud)
(圖:中子的組成:udd)

 b. 夸克與夸克間以強交互作用相互吸引。

 c. 強交互作用極強,除了在質子和中子內的夸克間彼此作用之外,還能溢出與其他質子或中子的夸克作用。

 d. 溢出的強交互作用足以克服質子與質子之間的靜電排斥力,即可將質子與中子束縛在一起形成原子核。

 e. 自由中子的壽命甚短 (其半衰期僅約15分鐘),將釋放出帶負電的電子及反微中子,並衰變成為質子;在原子核中的中子與質子亦可以互相轉換。

進階閱讀:夸克的分類:

夸克按其特性分為三代,如下表所示:

(表)

0最後修改紀錄: 2010/10/01(Fri) 23:00:59


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