第2章物质的组成.doc

第2章　物質的組成 2-1 原子與物質的三態 2-2 原子與原子核的組成 本章教學理念 　　簡介物質的組成﹐原子的組成﹐質子﹑中子的組成﹐並簡單描述發現的過程及應用。 物質到底是由什麼組成？兩千多年來，一直是人們所欲了解的課題，今天科學家均已接受物質是由原子所組成，並且還可「看」到單一顆原子，甚至有效地控制移動它。對原子的深刻認識與實驗技術的高度發展，提升了人類對物質探索的能力，也改善了我們的生活形態。 2-1教學理念 　　說明原子的大小以及從原子觀點解釋固態﹑液態及氣態之間的差異。當我們對於原子與分子的理解加深﹐便使得奈米科技有很大的發展空間。 2-1　原子與物質的三態 一﹑原子﹑元素及其存在性 　　早在兩千多年前﹐希臘人德謨克利特（Democritus﹐西元前 406 ～ 357 年）認為萬物皆由極小的﹑不可再分的「原子」（atom）構成。但是亞里斯多德反對原子觀點﹐認為物質是由四種少數的基本「元素」（element）─ 水﹑土﹑火﹑氣﹐以不同比例組合而成。直到十六世紀前﹐化學家仍然沿用元素組成物質的觀念﹐不過當時所認為的基本元素為汞﹑硫﹑鹽三種。那麼物質到底是由原子﹑還是元素組成？ 　　西元 1803 年英國化學家道耳頓（John Dalton﹐1766 ～ 1844）提出： 1. 元素皆由不可分割的原子所組成。 2. 每一種元素的原子有各自特定的重量（或質量）。同種元素的原子重量相同；不同元素的原子重量不同。 他是第一位將元素﹑原子與重量三種概念結合在一起的科學家﹐在他心中﹐原子就是元素﹐元素就是原子﹐原子與元素不分。 　　但由於沒有人曾親眼看見一顆顆的原子﹐到十九世紀末「原子是否存在」一直是個爭論激烈的問題。因此「原子」對大多數人而言﹐仍只是幻想中的微小粒子。 　　原子存在第一次有力的證據是與一位植物學家布朗（Robert Brown﹐1773 ～ 1858﹐英國人）有關。他在 1827 年觀察各種植物的花粉懸浮在水中時﹐發現這些懸浮在水中的花粉會作奇異﹑連續﹑不規則的移動﹐此種移動後來稱為布朗運動（Brownian motion）（圖 2-1）。 圖 2-1　法國物理學家佩蘭於 1912 年所繪的布朗運動結果 　　起初他還以為這些花粉是活的﹐後來才發現很多無生命的灰塵微粒也都有類似的運動！有些科學家認為布朗運動發生﹐是因為花粉受到周圍水粒子撞擊的結果﹐但這種定性解釋﹐未受到普遍認同。 　　西元 1905 年愛因斯坦利用數學方法﹐開始處理水粒子對花粉所造成的碰撞效應﹐除了計算出花粉粒子隨意運動時﹐任兩次轉折點間的平均距離﹐還算出化學家所假定的亞佛加厥數。1908 年﹐法國物理學家佩蘭（Jean Perrin﹐1870 ～ 1942）用實驗證實愛因斯坦的計算與觀測吻合。這個出色成功的理論詮釋與實驗證據﹐讓大多數科學家接受了原子論。 二﹑原子大小與奈米 　　原子若與平常我們生活中所遇到的尺寸比較起來﹐它是非常的小﹐原子大小的尺度﹐必須以微米的一萬分之一為單位﹐1 μm∕10,000 ＝10－10 m﹐這個長度單位記作 ?。﹐讀作「埃」﹐亦即 1 ?＝ 10－10 m＝0.1nm （2.1） 或是用現在普遍使用的 SI 單位：奈米（nm）來表示的話﹐原子尺度大約在 0.1 nm（圖 2-2）。 　　隨著科技的進步﹐1982 年在瑞士實驗室設計出特殊的顯微鏡﹐提供了一項卓越的物體表面成像技術﹐人們可以獲得較從前明顯的原子圖像﹐從而第一次看到了原子（圖 2-3）。利用這些技術與工具﹐甚至可以移動單獨的原子﹐把它們排列成我們想要的形狀﹐而不再只是幻想（圖 2-4）。奈米-穿隧式顯微鏡 圖 2-2　原子與其他物體相對大小的示意圖 圖 2-3　顯微鏡下石墨表面高度排列規則的碳原子圖像（3 奈米×3 奈米） 圖 2-4　(A) 1990 年﹐科學家首次利用新型顯微鏡﹐逐步移動吸附在鎳表面上的氙原子﹐把它們排成「IBM」字樣。(B)圖中是對 12 個溴原子的近距離觀察﹐這 12 個溴原子通過分子組裝技術排列成環形。 三﹑原子與物質三態 物質的狀態 　　所有物質已證實都是由微小的原子所組成﹐那麼原子之間的何種行為可決定物質會呈現出固體﹑液體與氣體三種不同的外形？ 　　原子通常無法單獨存在﹐由原子組成可單獨存在的最小穩定粒子﹐稱為分子。為方便起見﹐若將原子與分子均簡單的以粒子（particle）來表示﹐由於粒子和粒子間會有靜電力的作用﹐通常其量值會隨著距離而改變。氫分子的形成 　　固態的物體裡粒子間的平均距離較短﹐接近其平衡距離﹐稍微偏離平衡的位置就會產生很強的吸引力或排斥力﹐可將粒子拉回或推回平衡位置﹐彷彿粒子緊緊的被綁在某個固定點附近﹐只能有小幅度的來回振盪﹐所以粒子間的相對位置及距離不易