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第二章
物質的組成
2-1
物質由原子組成
1
2-1 物質是由原子組成的

費曼（ Feynman）
1918～1988
美國物理學家

只能用一句話概括人類
有史以來所獲得的最重
要科學知識，那句話會
是什麼？
所有的物質都由原子組成!
2
從原子觀點看物質三態
固態
液態
升溫
升溫
降溫
平均距離
性質
很近
固體內的原子或
分子並非固定不
動，而是在各自
的平衡位置附近
作振動。
氣態
降溫
稍遠
原子或分子間彼
此束縛的作用力
相對減小，無法
將其拘束在固定
的位置上。
極遠
當原子或分子間
的距離夠大時，
作用力會減弱到
原子或分子完全
掙脫彼此的束縛。
3
原子論的歷史
 西元前5世紀的古希臘哲學家劉基伯
(Leukippos) 與其學生德謨克理特
(Democritus)提出物質碎片會小到不
可再分的觀念，並稱這種物質的最小
組成單位為“原子”(atom)
(意思是“不可分割）
 在這些觀念的基礎上，發展了物質由
火、氣、水、土這四大元素組成。
4
原子論的歷史
 1808年道爾頓發現相同的兩種元素生成兩種或兩種以
上的化合物時，若其中一種元素的質量不變，另一種
元素在化合物中的相對重量成簡單的整數比，稱為倍
比定律。
例如：一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）同是碳的氧化物。
100克的碳和133克的氧反應以生成一氧化碳，和266克氧反應
以生成二氧化碳。因此，可以和100克反應生成此二種碳氧化
物的氧，其質量比是1:2（133:266），為簡單整數比。
 道爾頓認為倍比定律可看作是原子論的一個間接推論。
5
哪個實驗證實原子的存在？
 布朗運動：
英國植物學家布朗(1827)
觀察到載玻片上的液滴雖然是
靜止的,懸浮其中的花粉 卻一
直不停地進行著不規則的折線
運動,此現象稱為布朗運動 。
6

解釋：
1.愛因斯坦認為布朗運動是花粉受周圍水分子不均勻的
碰撞所致。花粉的體積遠大於水分子,一般來說,受到來
自四面八方水分子碰撞的力道大致相等,花粉所受合力
為零,因此會作等速運動。
2.但有時候,受到周圍水分子的碰撞較不均勻時,花粉所受
合力不為零,因此運動的方向及速率便會發生變化。
3.由於水分子和花粉間的碰撞是隨機的,故造成了花粉的
不規則運動。1905 年愛因斯坦甚至利用統計的方法算
出花粉進行折線運動的平均距離。

布朗運動被公認為原子或分子存在的直接證據。
7
原子的大小
1mm(毫米)=10-3m
1μm(微米) =10-6m
1nm(奈米) =10-9m
1 Å(埃) ＝10－10 m
十億分之一米
1.氫原子的半徑約為1 Å=10－10公尺
2.原子的質量（atomic mass unit 簡寫為a.m.u.）
1a.m.u=1.66x10-27kg
8
Q：我們是否以光學方法可以看見原子？
答：不行，因為 原子的大小大約數個 A
可見光的波長約 3800 A ~ 7700 A 之間
用光學顯微鏡無法看見任一顆獨立的 原子或分子
9
原子顯微鏡
 二十世紀的科學家能使用原子顯微鏡「看到」
或操控原子或分子排列的方式
偵測物理
中文名稱
量
原子力
AFM 原子力顯微鏡
STM 掃描穿隧顯微鏡 穿遂電流
橫向解析
度
0.2 nm
0.2 nm
10
原子力顯微鏡
(AFM)
探針
原理：尖針與樣品表面原子間的作用力，會造成懸臂的微
小偏折由反射光反推懸臂偏折的程度，並計算出探
針與樣品表面的距離重覆上述步驟，便可拼湊出樣
11
品表面原子排列的圖像。
原子力顯微鏡
(AFM)
AFM下的DNA
AFM下人類染色體
12
電子掃瞄穿隧顯微鏡(STM)
 量子穿隧效應：
粒子能穿透比動能更高之位能障礙的現象。
穿隧效應在古典概念
下是無法理解的，它
是微觀粒子具有波動
性的表現。
13
 利用電子的穿隧效應，重新描繪物質表面的奈米結構。
電子穿隧電流示意圖
14
平移原子操縱術
探針
針尖
氙原子
鎳基板
1990 IBM以３５個
氙原子Xe在鎳基板上
排列成IBM三個英文
字母
15
IBM利用原子操縱術
將鐵Fe分子在 Pt 鉑表
面上所排列出中文字原
子。
CO分子在 Pt 表面上所排列出的
「分子人」，其身高只有5 nm。
分子操控術微電
16
範例一：
一個原子與分子到底有多大呢？這個問題，早已由美
國著名的政治家也是科學家富蘭克林（Benjamin
Franklin,1706～1790）在1773年寫給朋友的一封信中
提及：他曾將一茶匙的油倒在平靜的湖面上，發現油
會迅速擴張，直到蓋住約半畝的湖面就不再擴張了。
假設此實驗中一茶匙油的體積約為5.0立方公分，半畝
湖面的面積約為2.0 × 107平方公分，油的密度約為0.95
克／立方公分。假想油分子的形狀是正球體，且彼此
緊密的倚靠著而暫時忽略球體間的空隙，則依此回答
下列問題：
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(1) 假設覆蓋在湖面的油層只有一個分子厚，則估算
一個油分子的直徑為何？
(2) 已知半徑為R的正球體，其體積為4/3πR 3，由此
估計湖面上約有多少個油分子？
(1) V＝A × h，
5（cm3）＝2 × 107（cm2）× h
h＝2.5 × 10－7公分＝2.5 × 10－9公尺＝2.5奈米(nm)
(2)一個油分子之體積＝4/3πR3＝4/3π× (1.25 × 10－9 )3
≒8.2 × 10－27（m3）
 5.0立方公分＝5 × 10－6（m3）＝N × 8.2 × 10－27（m3）
 N≒6.1 × 1020（個）
18
2-2
原子與原子核的組成
19
電子的發現
1897年湯木生將附有電極的玻璃管抽掉空氣，並
在電極上通以數千伏特的電壓，陰極會發出一種
射線，此射線具有以下特性：
(a)陰極射線由陰極發射，飛向陽極： 帶負電
(b)遇到障礙物，可形成陰影： 走直線
(c)可使管內的金屬薄片風車轉動： 帶有動量
20
電子的荷質比
補充
靜電力qE越大
電子加速度越大
偏折程度越大
eE
e
湯木生測量出電子電荷與質量比值稱為荷質比
m
e
11
m
= 1.76×10 庫倫公斤。
陰極射線與管內殘存的氣體種類和所使用的陰極材料無
關。其荷質比值均相同，顯示不同種金屬原子中，均含
有相同的帶負電粒子，此粒子稱為電子（electron）21
米立坎油滴實
驗
 由實驗數據發現：各油滴所帶電量恰成一簡
單的整數比。
 結論：電荷量子化
電量有一最小的單位存在，稱此電量的最小單
位為基本電荷，符號為e；e＝1.60 × 10－19庫侖。
22
23
24
 測出電子的電量後，再依據湯姆森已測得的
電子荷質比，經過計算就可得電子的質量 m
e
＋
＝1.76×10 11 C/kg 講義數量級有誤
m
e＝1.60×10
－19
C
Þ m＝ 9.11×10－31 kg
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原子模型-湯木生葡萄乾布丁模型
 1904年湯木生-葡萄乾布丁模型
正電荷呈連續均勻的球狀分布，電子均勻散布在
正電荷中。如同葡萄乾分布於布丁球中。
26
原子模型-拉塞福行星模型
 1911年拉塞福從 α 粒子射擊金箔的實驗數據推
論原子應該存在一原子核，經過計算後建立了有
核原子模型。
27
 實驗結果：
(1)多數α粒子的散射角（α粒子散
射前後偏折的角度）都很小，
幾乎都是直線通過金箔，運動
方向無顯著改變。
(2)少數α粒子的散射角較大，大
約每8000顆α粒子會有1顆做超
過90°的大角度散射，甚至有散
射角為180°的反向散射。
結論：正電荷是集中的，有原子
核的存在。
28

拉塞福從實驗數據推算出
電子運動的範圍可代表原子的大小﹐氫原子核的
半徑約為 1 費米（1 fm）
1 fm ＝ 10－15 m

拉塞福提出行星模型：
電子受到原子核的庫侖靜電引力作用，繞行原子
核作圓軌道運動。
29
範例二
說明α質點通過金箔之散射現象，原子模型必須
具備哪些特徵？
(A)原子內質量均勻分布
(B)原子內正、負電荷均勻散布
(C)原子內大部分空間必定空無一物
(D)原子內質量集中一小區域
(E)原子內一小區域帶正電
Ans:CDE
原子核的組成
 1919 年拉塞福再以帶電的粒子撞擊各種原子核時，發
現都有帶正電且與氫原子質量相同的粒子產生。推斷
各種原子核內皆帶正電的粒子 ─ 稱之為質子（proton）
的存在。
But…….若原子核都是由質子構成。
例如：鈹原子核，其質量約為質子的 9 倍，因而應含有 9
個質子，核內電荷也應為 ＋9 個單位；但鈹原子的電子總
數只有 4 個，正電荷數明顯過多，而無法維持電中性。
31
中子的發現
1932 年英國科學家查兌克在實驗
中發現，以 α 粒子撞擊原子核，
產生了一種質量與質子幾乎一樣，
但不帶電的中性粒子 ─ 中子
(neutron)，推論原子核內(除氫原
子核外)皆有中子存在。
32
 原子序：
(1)實驗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（＋Ze）。
(2)同一種元素其原子核內的質子數必相同。科學家
便以質子數來區別元素的種類，並藉它作為原子
排列順序的參考，稱為原子序。
 質量數：
若取氫原子的原子量為1，則各元素的原子量接
近一個整數值（A），A為原子的質量數。
33
原子核的表示法
質量數A
=質子數Z+中子數N
原子序Z
=質子數
=電子數
9
4
Be
34
同位素
同位素= 原子序 相同， 質量數 不同
235
92
Ｕ
電子數92
質子數92
中子數235-92=143
80
Br
35
238
92
Ｕ
電子數92
質子數92
中子數238-92=146
電子數36
質子數35
中子數80-35=45
35
原子內的質子
是否可以再分割？如何證實？

1960年美國科學家蓋爾曼提出夸克理論，質子、
中子均是由夸克組合所形成。
蓋爾曼在愛爾蘭小說家 喬伊斯(James
Joyce)的小說 《芬尼根守靈記》
(Finnegan‘s Wake)讀到了 quark 這個
詞, 遂決定以此為其理論命名。
36
1970 年左右在美國
史丹福加速器中心
（Stanford Linear
Accelerator enter，
SLAC）以高速電
子撞擊質子實驗。
37
以高能量電子撞擊質子時，大部分電子偏折不明顯，僅少
部分電子會強烈偏轉（由於電子能量非常高，可進入質子
內部﹐讓其內部的組成成分散開，而形成各種粒子）。
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夸克（quark）
證實質子內部不是分布均勻的物質，是有「點狀」
結構的更緊密的、微小的粒子存在，這個粒子被稱
為夸克（quark）。
質子內部質量與電荷分
配不均勻，有點狀結構，
分別由三個夸克所形成，
其大小約為質子大小的
千分之一。
39
以高速電子撞擊中子，也得到類似結果，並且發現
中子內部是由三個夸克所組成。
實驗上還未發現夸克及電子是由更基本的部分所組成，
故稱夸克與電子為基本粒子
40
重
補充資料
第一代
第二代
第三代
上夸克U
魅夸克c
頂夸克t
夸克的種類
電荷量 
下夸克d
奇夸克s
2
3
底夸克b
電荷量 -
質量較輕的夸克
1
3
日內瓦大強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）的俯瞰圖。
42
日內瓦大強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）的示意圖。
43
44
原子內部的結構
電
子
原
子
湯木森（利用陰極射線管發現電子，計算
電子 荷質比 ＝1.76 × 1011庫侖／公斤）→
密立坎（油滴實驗得電子電量e＝1.60 × 10
－19庫侖）→電子的質量9.11 × 10－31公斤
拉塞福（α粒子散射金箔實驗）→發
現 原子核
→有核原子模型
原
子
核
質
子
拉塞福發現
中
子
查兌克發現
1. 蓋爾曼提出質子和
中子都是由更小、更基
本的夸克所組成
2. 物理學家至今已實有
六種夸克存在
基
本
粒
子
夸
克
45
第四章
物質的基本作用力
46
自然界的四個基本作用力
47
4-3
強
強力與弱力
力
原子核穩定地存在，代表著核內勢必存在有比靜電力
更強大的吸引力，致使原子核內的質子與中子能夠緊
緊地結合在一起。
48
強
力
存在於原子核內核子間(質
子與中子)束縛的作用力稱
為強交互作用力或核力
故質子-質子
質子-中子
中子-中子間
之間的作用力通
稱為強作用力
49
補充資料
1949年諾貝爾物理獎：介子
湯川秀樹為第一名獲得諾貝爾獎的日本人，他提
出了介子傳遞核子間的強相互作用力
抵抗了質子之間的強大的電磁力
維持了原子核的穩定。
 預測了介子的存在與其近似的質量 ，其質量為電
子的273倍

50
強
力
除了核子間的交互作用
夸克與夸克之間也存在一種束縛的交互作用力
此種交互作用力也是歸屬於強作用力的範疇。
51
強
力
強力是一種短程的作用力，當核子之間的距離小
於 10－15 m 時，強力作用非常明顯。
距離大於 10－15 m 時﹐強力作用衰減非常快，甚至可
以忽略。
在巨觀現象中，並無法察覺到強力的作用。
52
左圖為穩定原子核之中子
數N和質子數Z的關係線。
Z<20 。
中子數會等於質子數
Z>20
，是因為原子核內的靜電
排斥力隨質子數的增加而
變大，故需要較多的中子
來增強核力的吸引，以克
服質子間的靜電排斥力。
53
原子序大於82(鉛)的元素，因原子核內質子數眾多，質
子之間的強大靜電排斥力會使得原子核變得不安定，而
產生衰變，這些元素稱為 放射性元素 ，具有天然放射性。
α射線：帶正電的 氦原子核 。
β射線：帶負電的高速 電子 。
γ射線：電磁波，波長比X光還短。
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弱
力: β 衰變
Th 
234
90
234
91
Pa+   
0
1
原子核 X 會釋放出電子而變成另一個原子核 Y
A
Z
X
Y+ 
A
Z+1
0
1
β衰變：原子序 加1 ，但質量數不變
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弱
力: β 衰變
中子 = 質子 + 電子 ？？
中子質量 =1839me
質子質量  1836me
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弱 力: β 衰變
中子（n）衰變成一個質子（p）及反微中子
質子
電子
反微中子
中子
反微中子
質量接近零、 中性不帶電的基本粒子
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弱 力: β 衰變的逆過程
在核反應中，質子與質子碰
撞後有時可形成氘核
與正電子加微中子。
+
p ®n+e +v
微中子 v 質量接近零、
中性不帶電的粒子
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弱力 : β 衰變
β 衰變的作用
中子（n）衰變成質子（p）與電子的過程。
β 衰變的逆過程
質子（p）衰變成中子（n）與正電子的過程。
中子裡原本沒有電子存在，但是衰變時卻會射出電子，
則代表有某種力的作用使物質本身的組成產生本質上
的變化。 此種作用力稱之為弱交互作用或弱力。
弱力作用的範圍比強力作用的範圍更短(約 10－18 m)
為一種短程的作用力
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西元 1960 至 1970 年間，科學家發現弱力和電磁力
事實上是「電弱力」 在不同情況下的不同表現。
目前我們能說自然界中的力可統一分類成
重力﹑電弱力與強力三種.
大一統理論？
重力
強力
電磁力
弱電作用力
標準模型
弱力
60
基本粒子的家族
？
61
範例一
質子和中子能組成穩定的原子核結構，下列
哪些選項是其主要原因？ (102年學測)
(A)質子和質子間的電磁力 (B)質子和中子間
的電磁力 (C)質子和質子間的強作用力(D)質
子和中子間的強作用力 (E)中子和中子間的強
作用力 (F)中子和中子間的弱作用力
Ans:CDE
62