四、原子組成物質(zhì)

1、第2章 物質(zhì)的組成,2-1 物質(zhì)是由原子所組成2-2 原子與原子核的組成,1. 古希臘時(shí)期的哲學(xué)家在探索物質(zhì)的基礎(chǔ)組成時(shí)主要有兩派的想法：,(1) 物質(zhì)是連續(xù)的，可以無(wú)止境地分割成任意小的物 質(zhì)，不存在最小的組成單位。以亞里斯多德為代 表人物。,一、原子論的緣起和沒(méi)落,2-1 物質(zhì)是由原子所組成,莊子（天下篇）：一尺之捶，日取其半，萬(wàn)世不竭。,,2. 原子論的沒(méi)落：,(1) 古希臘時(shí)期的原子論是基於哲

2、學(xué)上的思辯，一直未經(jīng)科學(xué)證實(shí)。,(2) 亞里士多德強(qiáng)烈主張「大自然厭惡真空」的概念而全面反對(duì)物質(zhì)是由原子與虛空構(gòu)成，使得原子論逐漸被漠視、淡忘。,(2) 物質(zhì)不斷分割成更小時(shí)，會(huì)有一個(gè)極限存在，就是最後有一個(gè)不可再分割的最小單位。希臘哲學(xué)家留基伯（Leucippus）和他的學(xué)生德莫克里特斯（Democritus）認(rèn)為所有的物質(zhì)都是由微小的粒子所組成，並把它稱(chēng)為原子（atom），原意是「不可分割」的意思。? 德莫克里特斯成為原子論的解說(shuō)者

3、和發(fā)揚(yáng)者。,,1. 十八世紀(jì)末，法國(guó)人拉瓦節(jié)（Antoine-Laurent de Lavoisier）由實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)提倡「元素說(shuō)」，成為原子論的基礎(chǔ)。,2. 英國(guó)人道耳頓（John Dalton）從事氣體研究並倡議原子論來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。,(1) 1803年提出「倍比定律」：每一種元素(element)是由同一種原子構(gòu)成，而不同元素的原子以簡(jiǎn)單整數(shù)比例結(jié)合成化合物(compound )。,(2) 化學(xué)反應(yīng)只使原子分離和重新組合，原子總數(shù)

4、在反應(yīng)前後是不變的? 解釋化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和反應(yīng)前後的質(zhì)量守恆。,二、原子論的復(fù)興,,3.奧地利物理學(xué)家馬克士威、波茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）和德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯（Rudolph Clausius）等人的研究表明熱力學(xué)中理想氣體的行為與性質(zhì)都可以用分子的概念解釋?zhuān)?假設(shè)氣體分子是堅(jiān)硬的微小粒子，在空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)彼此碰撞。(2) 科學(xué)家應(yīng)用牛頓力學(xué)可輕易地解釋氣體的壓力、 體積和溫度之變化關(guān)係與

5、氣體的性質(zhì)。,,1. 按照量子力學(xué)的想法，我們可以把原子想像成一團(tuán)邊際有點(diǎn)模糊的正球體。,2.質(zhì)量最小的原子是氫，大小約是1u，其中 u 稱(chēng)為原子 質(zhì)量單位，1u＝1.66 × 10－27 kg(atomic mass unit)。,3. 原子大小常用單位： (1) 埃（Å。）：1 Å＝10－10 m (2) 奈米（nm）：1 nm＝10－9 m＝10 Å,4. 各種原子所具

6、有相異的電子數(shù)和電子的排列方式，使得原子亦各自具有獨(dú)特的性質(zhì)。,三、當(dāng)前科學(xué)已知的原子,,前言：所有的物質(zhì)都是由原子所組成的，而原子如何組成物質(zhì)呢？我們以水來(lái)作說(shuō)明。,1. 一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組合成一個(gè)水分子：,(1) 由於電子排列的方式?兩化學(xué)鍵之間夾成一特定的角度。,(2) 氫原子的電子較靠近氧原子而像是一個(gè)正電離子，氧原子像是一個(gè)負(fù)電離子?每個(gè)原子核都帶正電。,(3) 由於電力的作用?氫、氧原子間在不停地振動(dòng)下，仍動(dòng)態(tài)地保持著

7、一定的平均距離和夾角。,四、原子組成物質(zhì),,2. 分子在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)間變化時(shí)，組成原子（或分子）的微觀行為：,,,,,,1. 現(xiàn)今科學(xué)家已利用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)「看到」原子，並且已經(jīng)具有「移動(dòng)」原子和分子排列方式的能力。,2. 二十世紀(jì)九十年代所發(fā)展的原子操縱術(shù)，即利用總稱(chēng)為 掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscopy， SPM）的儀器來(lái)觀察、分析與操控原子與分子。,五、現(xiàn)代儀器下的原子面貌,,掃描

8、探針顯微鏡（SPM）家族,,3. 目前已有部分科學(xué)研究企圖用人工排列、堆積原子和分 子的方法來(lái)建造新的物質(zhì)，習(xí)慣上稱(chēng)為由下而上 （bottom-up）的方法，有別於以往從大尺度下藉由物質(zhì) 細(xì)分而得到小物質(zhì)結(jié)構(gòu)之由上而下（top-down）的方 式，使得基於原子和分子尺度下的奈米科技 （nanotechnolgy），就具有蓬勃發(fā)展的空間和潛力。,,,例題：請(qǐng)閱讀所附的文章以回答問(wèn)題：　　1

9、808年道耳頓提出原子論，主張物質(zhì)是由原子所組成，其後義大利人亞佛加厥（Amedeo Avogadro,1776～1856）提出分子的概念，然而一個(gè)原子與分子到底有多大呢？究竟一克的氫氣有多少個(gè)原子？改用現(xiàn)在的說(shuō)法就是：一莫耳的原子數(shù)或分子數(shù)是多少？　　這個(gè)問(wèn)題，早已由美國(guó)著名的政治家也是科學(xué)家富蘭克林（Benjamin Franklin,1706～1790）在1773年寫(xiě)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(fā)現(xiàn)油

10、會(huì)迅速擴(kuò)張，直到蓋住約半畝的湖面就不再擴(kuò)張了。假設(shè)此實(shí)驗(yàn)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(shí)忽略球體間的空隙，則依此回答下列問(wèn)題：,,(1) 假設(shè)覆蓋在湖面的油層只有一個(gè)分子厚，則估算一個(gè)油分子的直徑為何？(2) 已知半徑為R的正球體，其體積為 4πR 3/3，由此估計(jì)湖面上約有多少個(gè)油分子？(

11、3) 假設(shè)油分子量為每莫耳200克，則估計(jì)一莫耳油中所含分子的數(shù)目？,答案： (1) 2.5 nm；(2) 6.1 × 1020個(gè)；(3) 2.6 × 1022個(gè),,1. 湯姆森（Joseph J.Thomson）之陰極射線(xiàn)管實(shí)驗(yàn)：他發(fā)現(xiàn)電子而獲得1906年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,(1) 實(shí)驗(yàn)裝置（陰極射線(xiàn)管）： ①氣體之放電管，右邊之管壁塗螢光物質(zhì)，管中氣壓降至10－2 ～ 10－4 cmHg。 ②玻璃

12、管中抽成真空，然後放入兩片分開(kāi)的金屬電極板，兩板間加上電壓。,一、電子的發(fā)現(xiàn),2-2 原子與原子核的組成,,湯姆森實(shí)驗(yàn)用的陰極射線(xiàn)管，目前保存於英國(guó)卡文迪西實(shí)驗(yàn)室。,,(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： ①玻璃管壁上現(xiàn)出青綠色的螢光?這是由於從負(fù)極（陰極）上射出的粒子（十九世紀(jì)末被稱(chēng)為陰極射線(xiàn)（cathoderay）所致。 ②湯姆森發(fā)現(xiàn)在放電管中填入不同稀薄氣體，都會(huì)有電量與質(zhì)量比（荷質(zhì)比）相同的粒子射出，因此認(rèn)為所有原子內(nèi)皆有這

13、種粒子，即陰極射線(xiàn)是帶負(fù)電的粒子流，個(gè)別的粒子稱(chēng)為電子（electron）。,③湯木生測(cè)得射線(xiàn)粒子的電荷 e 與質(zhì)量 m 的比值,,2. 密立坎（Robert Andrews Millikan）和他的學(xué)生夫列契（Harvey Fletcher）設(shè)計(jì)油滴實(shí)驗(yàn)（oil drop experiment）來(lái)測(cè)定油滴所帶的電量。,(1) 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：各油滴所帶電量恰成一簡(jiǎn)單的整 數(shù)比。? 推論：電量有一最小的單位存在，稱(chēng)此電量的最小單位為基

14、本電荷（elementary charge），符號(hào)為e；e＝1.60 × 10－19庫(kù)侖。,(2) 電荷量子化：油滴所帶的電量Q應(yīng)為基本電荷（e）的整數(shù)倍。Q＝±ne　n＝1,2,3,……? 說(shuō)明：物體的帶電是由於電子的轉(zhuǎn)移（失去或獲得）所形成。,,3. 依據(jù)湯姆森已測(cè)得的電子荷質(zhì)比（e/m＝1.76 × 1011庫(kù)侖／公斤）及密立坎測(cè)出電子的電量 （1.60 × 10－19庫(kù)侖)，經(jīng)過(guò)

15、計(jì)算就可得電子的質(zhì)量,m＝ ＝9.11 × 10－31公斤。,,1. 拉塞福（Ernest Rutherford，1908年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）的α粒子散射金箔實(shí)驗(yàn)：,(1) 1909年，拉塞福確認(rèn)了鐳所放出的α射線(xiàn)為氦離子（He2+），進(jìn)而與他的助手蓋革（Hans Geiger）帶著學(xué)生馬士登（Ernest Marsden）進(jìn)行α粒子散射的實(shí)驗(yàn)。,二、原子核的發(fā)現(xiàn),,,,(2) 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：,①

16、多數(shù)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(xiàn)通過(guò)金箔，運(yùn)動(dòng)方向無(wú)顯著改變。②少數(shù)α粒子的散射角較大，大約每8000顆α粒子會(huì)有1顆做超過(guò)90°的大角度散射，甚至有散射角為180°的反向散射。,,(3) 1911年，拉塞福推論金原子存在一原子核（nucleus），拉塞福從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算出金原子核的半徑應(yīng)小於10 -14公尺，而金原子的半徑大約10 -10公尺，因此原子的半徑大約是原子核的 104

17、倍，或原子的體積大約是原子核的 1012 倍。,? 相對(duì)於原子而言，原子核的體積甚?。簹湓又睆郊s為 0.1nm＝10 -10 m，氫原子核半徑約為 1fm＝10 -15 m。,,2. 拉塞福的原子模型（有核原子模型）：,(1) 因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量比原子來(lái)的甚小，整個(gè)原子的質(zhì)量幾乎集中於原子核，原子核帶有正電且位於原子的中心，核外的電子被原子核的電力吸引而環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)。,(2) 電子的運(yùn)動(dòng)可想像如行星繞太陽(yáng)運(yùn)行一般，正負(fù)電總數(shù)相等而整個(gè)原

18、子維持電中性。,,例題：甲、乙、丙、丁四種實(shí)驗(yàn)，哪幾種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果組合後可以決定電子質(zhì)量？【84.推甄】甲：拉塞福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)；乙：湯姆森的陰極射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)；丙：侖琴的x射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)；?。好芰⒖驳挠偷螌?shí)驗(yàn)　(A)甲乙丙丁　(B)甲乙丙　(C)乙丁　(D)丁丙,答案：C,,例題：僅依密立坎油滴實(shí)驗(yàn)，可以決定電子的哪一種性質(zhì)？(A)質(zhì)量　(B)質(zhì)量與電荷比　(C)電荷量　(D)能量　(E)半徑大小,答案：C,,例題：為說(shuō)明α質(zhì)點(diǎn)通過(guò)金箔

19、之散射現(xiàn)象，原子模型必須具備哪些特徵？(A)原子內(nèi)質(zhì)量均勻分布(B)原子內(nèi)正、負(fù)電荷均勻散布(C)原子內(nèi)大部分空間必定空無(wú)一物(D)原子內(nèi)質(zhì)量集中一小區(qū)域(E)原子內(nèi)一小區(qū)域帶正電,答案：CDE,,例題：拉塞福的原子模型，主要是基於下列哪一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果而提出的？　(A)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)　(B)黑體輻射實(shí)驗(yàn)　(C)干涉實(shí)驗(yàn)　(D)α質(zhì)點(diǎn)射散實(shí)驗(yàn)　(E)光譜實(shí)驗(yàn),答案：D。,,1. 質(zhì)子（proton），符號(hào)為 p：,(1) 1914

20、年，拉塞福利用α粒子散射實(shí)驗(yàn)，撞擊各種物質(zhì)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果推論得到：所有元素的原子核都含有氫的原子核。?命名：氫原子核為質(zhì)子（proton）。,(2) 1919年，拉塞福以α粒子撞擊各種較輕的原子，因而發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，也就是氫的原子核。,(3) 每一個(gè)質(zhì)子帶有一個(gè)基本電荷的正電，而電子是帶有一個(gè)基本電荷的負(fù)電，兩者組成電中性的氫原子。,三、原子核內(nèi)的質(zhì)子與中子,,2. 中子（neutron），符號(hào)為 n：,(1) 拉塞福猜想：在原子核內(nèi)可能還

21、存在一種質(zhì)量等於質(zhì)子、但為電中性的粒子，稱(chēng)為中子（neutron），他把中子想像是由於在氫原子中的電子掉入原子核內(nèi)而產(chǎn)生，這觀點(diǎn)之後證明是錯(cuò)的。,(2) 1932年，查兌克（James Chadwick）從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子的存在。?由於中子的發(fā)現(xiàn)是原子核物理研究的重大成就，查兌克因此獲頒1935年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,,,,3. 原子序（atomic number）：,(1) 英國(guó)人莫斯利（Henry Gwyn Jeffreys Mosel

22、ey）於1913年作x射線(xiàn)研究時(shí)所發(fā)現(xiàn)的。,(2) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各元素的原子核所帶的的正電量恰為基本電荷的 Z 倍（＋Ze），且 Z 和週期表上的元素位置有關(guān) ? 命名：Z 為原子序（atomic number）,4. 質(zhì)量數(shù)（mass number）：若取氫原子的原子量為1，則各元素的原子量接近一個(gè)整數(shù)值（A）? 命名：A 為原子的質(zhì)量數(shù)（mass number）? 每一種元素單一原子的質(zhì)量近似等於 A 個(gè)氫原子的

23、 質(zhì)量,,5. 原子的結(jié)構(gòu)：,(1) 1932年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡提出原子核是由質(zhì)子與中子所構(gòu)成，與核外的電子組成原子，如此可以解釋已知約有一百種原子的結(jié)構(gòu)。,? 當(dāng)今已把質(zhì)子與中子統(tǒng)稱(chēng)為核子（nucleon）， 其意義是組成原子核的粒子。,,(2) 核種（nuclide）：各種不同的原子核通稱(chēng),其中X表元素符號(hào)、A為質(zhì)量數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)，Z為質(zhì)子數(shù)＝原子序＝電子數(shù)，中子數(shù)（N）＝A－Z,,例題：自然界的氧有三種同位素：

24、 、 、 ，下列有關(guān)此三種原子的敘述，哪些正確？(A) 178O 之中子數(shù)有 8 個(gè)　(B)三者之中子數(shù)相等　(C)三者之質(zhì)子數(shù)相等　(D)三者之質(zhì)量數(shù)相等　(E)當(dāng)三者處?kù)峨娭行詴r(shí)，三者之電子數(shù)相等,答案：CE,,例題：一個(gè)銫-133（13355Cs）中性原子的內(nèi)部，含有質(zhì)子、中子、電子各有幾個(gè)？,答案：質(zhì)子：55個(gè)、中子：78個(gè)、電子：55個(gè)　。,,例題：以下有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的敘述，何者錯(cuò)誤？　(A)原

25、子核必須由質(zhì)子及中子結(jié)合而成　(B)原子核的質(zhì)量占整個(gè)原子質(zhì)量之絕大部分　(C)在原子核與其周?chē)娮娱g是完全的真空　(D)一個(gè)完整的原子所具有之正、負(fù)電量相等，所以原子為電中性。,答案：Ａ,,例題：下列哪兩個(gè)為組成原子核的粒子，統(tǒng)稱(chēng)為核子（nucleon）？(A)質(zhì)子　(B)中子　(C)電子　(D)夸克,答：AB,,1. 夸克（quark）理論：,(1) 1964年，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼(Murray Gell-Mann)提出

26、 ?說(shuō)明：質(zhì)子和中子都是由更小、更基本的夸克 所組成。,①質(zhì)子：由二個(gè)上夸克(u)及一個(gè)下夸克(d)所構(gòu)成。,四、質(zhì)子與中子的內(nèi)在結(jié)構(gòu),,電子與夸克是一切物質(zhì)最小的組成單位,現(xiàn)在物理學(xué)家已證實(shí)，質(zhì)子與中子各是由三個(gè)夸克所組成的，因此，質(zhì)子、中子、原子核、原子、分子等等，都不是基本粒子。,,※基本粒子,,質(zhì)子,中子,,※複合粒子,,物理學(xué)家至今已證實(shí)有六種夸克存在：,現(xiàn)在物理學(xué)家已證實(shí)，質(zhì)子與中

27、子各是由三個(gè)夸克所組成的，因此，質(zhì)子、中子、原子核、原子、分子等等，都不是基本粒子。? 夸克和電子稱(chēng)為基本粒子(elementary particles),,例題：下列各物理粒子之大小，請(qǐng)由大至小依序?qū)懗觯?A)夸克　(B)晶體　(C)原子核　(D)原子　(E)質(zhì)子　(F)分子,答案：Ｂ＞Ｆ＞Ｄ＞Ｃ＞Ｅ＞Ａ,解析： (B)晶體（～0.01 m）＞(F)分子(10－9 m)＞(D)原子(10－10 m)＞(C)原子核（10－14 m