Chapter 2 物質的組成 2-2 原子與原子核的組成 1

大綱 Outline原子是否是最小的粒子原子內部粒子的發現順序目前最小的粒子如何研究物質的組成

原子論的起源 - 古希臘物質是否可以無止境地分割成更小又更小的微粒；或物質是否由一種無法再形分割的微粒所組成 ??

最後有一個不可再分割的最小單位。

德莫克里特斯

留基伯無止境地分割柏拉圖

亞里斯多德

不可再分割的最小單位稱為原子 (atom)意指「不可分割」

如何研究物質的組成？設法將物質拆解開來，看看裡頭到底有什麼東西。科學家採用非常直接的方法 - 碰撞。對粒子加速 互相碰撞

粒子加速器是利用「電壓差」來推動帶電粒子使之獲得高能量 ( 加速到接近光速 ) 讓它與其他粒子發生碰撞，由此產生的能量釋放導致了創造新的粒子。

LHC 是在一個圓周為 27 公里的圓形隧道內，該隧道因當地地形的起伏而位於地下約50 至 150 公尺之間。

如何研究物質的組成？

http://www.hep.lu.se/staff/eerola/LHCBeyond.htm

JJ 湯木生：發現電子的科學家1897 年，湯木生使用不同氣體的放電管 ( 陰極射線管 ) 及不同的金屬板，作出許多實驗

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J.J. 湯木生

當時的實驗裝置

湯木生實驗的實驗原理

From 網路

放電管中分別填入不同稀薄氣體，都會產生有相同的電量與質量比 ( 簡稱為荷質比 ) 的粒子這個粒子帶負電，稱為電子帶負電的電子，且證實電子是原子的一部分

JJ 湯木生：發現電子的科學家湯木生 發現電子 (electron) 之後並 提出 早期原子結構模型原子為一球形，充滿了正電荷，同時也有相同數目的負電荷 ( 電子 ) ，維持 電中性

南一課本

J.J. 湯木生獲得 1906年諾貝爾物理獎

拉塞福 - 發現原子核的科學家1910 年，拉塞福利用 α 粒子撞擊原子，以便瞭解原子內部的情形( 指導學生做實驗 )利用鐳與釙元素衰變所射出的 α 粒子。α 粒子帶有正電且質量為電子的七千多倍，所以他以天然放射的 α 粒子來撞擊原子，以便瞭解原子內部的情形

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Ernest Rutherford

拉塞福 - 發現原子核的科學家1911 年，拉塞福利用 α 粒子撞擊薄金箔，以便瞭解原子內部的情形 ( 指導學生做實驗 )

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Ernest Rutherford

來自南一課本 , 實驗概念說明

鐳與釙元素衰變

拉塞福散射實驗

α粒子質量比電子重7300 倍，速度至少2107m/s

為什麼會預期直接穿過 ?湯木生的原子模型

類似保齡球撞球瓶

拉塞福散射實驗 但實際上

多數 α 粒子可直接穿過少數 α 粒子有 10 度以上的偏向，甚至有 180 度的偏向

為什麼會認為 - 金原子內部存在一個帶正電的區域 ??

多數 α 粒子可以穿過，代表金原子內部多數真空能讓讓少數 α 粒子反彈 -只有質量比 α 粒子重，才有可能

原子模型的假設原子類似太陽系，居中心者稱為 原子核 ，電子繞核運轉。原子核：半徑約 10-14m~10-

15m ，帶正電且質量幾乎等於原子質量。質量極小的電子受靜電力吸引作用繞核運轉。

拉塞福提出了自己的原子模型的假設

Ernest Rutherford1908 年得諾貝爾化學獎1920 年提出中子(neutron) 存在的假設

2-2.2 原子核的結構 http://www.shutterstock.com/

質子 ( 及原子序 ) 的發現英國人莫斯利 ( 拉塞福的學生 ) 於1913 年作 x 射線研究時所發現各元素的原子核所帶的的正電量恰為基本電荷的 Z 倍

1914 年，拉塞福以 α 粒子撞擊各種較輕的原子，原子核內部還有更小粒子 -質子，也就是氫的原子核。猜想在原子核內可能還存在一種質量等於質子、但為電中性的粒子，稱為中子（ neutron），

Henry G. J. Moseley

Ernest Rutherford

中子發現的歷史1932 年，將 α 粒子撞擊鈹，產生的中性射線照射氣體原子，測量氣體離子動能，找到中性粒子的質量約等於質子的質量。確認 [ 中子 ] 的存在1935 年獲得諾貝爾物理學獎

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英國人查兌克

來自南一版 高三課本

中性粒子

海森堡原子核模型1932 年，海森堡提出原子核結構模型

可以解釋已知約有一百種原子的結構。17

AZ X

質量數原子序

其中 X 表元素符號、A 為質量數＝質子數＋中子數，Z 為質子數＝原子序＝電子數，中子數（ N）＝ A－ Z

現在已知原子及原子核結構

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AZ X

質量數

原子序  粒子 符號 電量 靜止質量核外 電子 e -1.6×10-19(C) 9.11×10-31(kg)

核內 質子 p 1.6×10-19(C) 1.673×10-27(kg)

中子 n 0 1.675×10-27(kg)

夸克是目前最小的粒子1960 年代，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。目前夸克 與 電子 稱為 基本粒子

質子與中子各是由三個夸克所組成的

~~ 是否還有更小的粒子 ??!!

Thank for your attention參考資料1. 邱韻如 , 中子的發現～ 眾裡尋它千百度，多年苦覓終現身,

科學月刊-515期2. 各出版社課本3. http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?

html=particleadventure/frameless/rutherfords_analysis