原子與分子
1.早期的原子說：二千三百多年前，希臘哲學家留基伯（Leucippus）和德謨克利特（Democritus，公元前460-370年）認為原子不能分割，是永恆存在的，不會產生也不會消失，可經由結合、分離再重新組合而形成各種物質。
2.道耳吞的原子說：
<科學家小傳：道耳吞超連結>
十九世紀初，英國科學家道耳吞（John
Dalton，1766-1844）根據一些實驗結果提出：
(1)—切物質都是由稱為原子的微小粒子所組成，這種粒子不能再分割。
(2)相同元素的原子，其原子質量與原子大小均相同；不同元素的原子，其原子質量與原子大小均不同。
(3)化合物是由不同種類的原子以固定的比例組成的。
(4)所謂化學反應，是原子間以新的方式重新結合成另一種物質，在反應的過程中，原子不會改變它的質量或特性，也不會產生新的原子，或使任何一個原子消失。
3.分子學說：由原子組成，仍保持物質杵比的最小粒子，叫做分子。
(1)元素的分子乃相同的原子所構成，即只含一種原子。
例：氬(
)分子僅含1個氬原子；氮(
)分子由2個氮原子結合而成。
(2)化合物的分子由不同的原子所構成。
例：二氧化碳分子(
)，由1個碳原子與?個氧原子結合而成。
4.氫氣球附近不能抽煙或點火，易引起爆炸。
5.原子說解釋氫燃燒產生水的化學反應：氫
、氧
、水
+
→
(1)氫、氧是元素，水是化合物。
(2)發生化學反應，原子的種類、數目、質量不變，僅排列方式改變。
(3)反應前後總質量不變，符合質量守恆定律。
第八章 進入原子的世界
8-4
正電與負電
1.摩擦起電：物質因摩擦而帶電的現象，稱為摩擦起電。
2.電荷有二種：同種電相排斥，異種電相吸引。
(1)正電：用絲絹摩擦過的玻璃棒，玻璃棒帶正電荷，簡稱正電。
(2)負電：與正電相吸引的電荷為負電荷，簡稱負電。
例：以絲絹摩擦過的玻璃棒，靠近毛皮摩擦過的塑膠尺時，會互相吸引，即被毛皮摩擦過的塑膠尺帶負電。
3.一物體若所帶的正電荷與負電荷一樣多，則此物體呈電中性。
第八章 進入原子的世界
8-5
原子結構
【原子的結構】
1.原子的組成：
(1)根據科學家的實驗結果認為原子主要是由三種基本微粒子所構成：電子、質子和中子。
(2)最先發現的是電子。電子的質量在三種微粒子中最小，帶負電，是電荷的最小單位。在化學反應中，只有電子會發生轉移。
(3)第二種發現的微粒子是質子，質子的質量大約是電子的1840倍，帶有正電，與電子所帶電量相等，但電性相反。
(4)最後發現中子，中子的質量與質子差不多，但不帶電荷，是電中性。
註：唯一不含中子的原子是氫。
2.原子結構模型：
二十世紀初期，紐西蘭科學家拉瑟福（Ernest
Rutherford，1871-1937）由實驗結果推斷出原子模型：
(1)原子的結構是由位居中心，體積極小而質量很大的一個原子核(帶正電)，與環繞此原子核做旋轉運動而帶負電的電子所構成。(如右圖所示)
(2)原子核本身，又由帶正電的質子和不帶電的中子所構成。
(3)根據原子的組成中質子、中子、電子的分析可知：
原子的質量幾乎全部集中在原子核。(含有中子與質子)
一個原子的質量就約略等於它原子核中的質子與中子的質量之和。
原子核的體積非常小（其半徑大約只有原子半徑的十萬分之一），因此原子大部分是空心的，而電子存在的區域相當於原子的體積。
【比喻】假想原子核如一個放在棒球場中乙、的一元硬幣，那電子在原子核外運動的範圍大約是整個棒球場。
【原子中電子的轉移】
1.原子序=質子數=電子數(因原子呈電中性)
。
(1)—元素的原子核中所含質子數目，稱為此元素的原子序。
(2)原子核中的質子數目決定一個原子的性質；同一種元素的原子，其質子數必相同，元素不同，質子數就不同，其性質也相異。
2.原子中電子的轉移：
(1)整個原子是電中性的，此因核內的質子數和核外的電子數恰好相等之故，而物質會帶電，是電子轉移的結果。
(2)如果一個原子因摩擦或其他原因失去電子，原子中的核內質子數多於核外電子數，則此一原子就成帶正電的粒子，即為陽離子。
例：鎂原子核內有12個質子，而核外有12個電子，當其移去2個電子後，核外只剩下10個電子
，此時質子數比電子數多2個，鎂原子則變成帶正電的鎂離子(
Mg2+ )。
(3)若一個電中性原子，從外界獲得電子，原子中的質子數少於電子數，則變成帶負電的粒子，即陰離子。
例：氯原子核內有17個質子，而核外有17個電子，當其得到1個電子後，核外電子數增為18個
，此時質子數比電子數少1個，氯原子則變成帶負電的氯離子(
Cl- )。
(4)摩擦起電時，在摩擦的過程中，微量的電子由原子的束縛下脫離，轉移到另一物質上，使另一物質帶了額外的負電，而本身卻因為失去電子而帶正電，電的作用現象就呈現出來了，兩物所帶電性相反，但電量相等。
例1.：
例2.：
| 作 者 ： 葉 有 財 (核 能 研 究 所 研 究 員 ) | |
|
| |
| 原 子 ─
─ 這 個 名 詞 對 於 現 代 的 人 並 不 陌 生 ， 譬
如 「 原 子 筆 」 、 「 原 子 彈 」 、 「 原 子 燙
髮 」 、 「 原 子 襪 」 、 「 原 子 褲 帶 」 、 「
原 子 藥 膏 」 .. ....等 等 ， 在 戰 後 非 常 流 行
。 五 十 多 歲 以 上 的 人 都 知 道 ， 凡 是 神 奇
、 一 級 棒 的 東 西 ， 都 習 慣 以 「 原 子 」 來
形 容 ， 那 是 因 為 1945年 08月 ， 全 世 界 為 原
子 彈 所 驚 動 ， 迫 使 日 本 投 降 ， 結 束 了 大
戰 ， 帶 給 世 界 和 平 。 它 的 威 風 可 與 科 幻
小 說 裡 的 宇 宙 超 人 比 美 。
「 原 子 」 是 什 麼 ？ 「 原 子 能 」 又 是 什 麼 ？ 「 核 能 」 究 竟 又 是 什 麼 ？ 這 個 問 題 的 範 圍 很 大 ， 一 般 人 恐 怕 很 難 了 解 ， 誠 有 知 難 行 易 之 感 。 因 此 ， 讓 我 們 先 從 原 子 慢 慢 談 起 。 一 、 物 質 與 元 素 我 們 從 小 就 開 始 熟 悉 周 圍 的 一 些 事 物 ， 比 如 開 始 學 習 走 路 常 會 抓 緊 桌 子 、 椅 子 ， 失 去 平 衡 跌 倒 在 地 上 時 也 會 碰 到 一 些 物 體 ， 長 大 學 開 車 時 都 會 受 到 所 謂 物 質 的 限 制 。 但 是 我 們 不 能 將 物 質 解 釋 為 限 制 行 動 的 東 西 ， 因 為 沒 有 物 質 人 類 根 本 不 能 行 動 。 火 車 是 一 種 物 質 ， 它 在 另 一 種 物 （ 鐵 軌 ） 上 滾 動 ； 船 是 物 質 ， 在 另 一 種 物 質 的 水 面 淜 行 ； 飛 機 是 物 質 能 在 物 質 的 空 氣 中 飛 翔 ， 走 路 也 得 把 腳 踏 在 物 質 路 面 上 。 食 物 是 物 質 ， 我 們 若 長 欠 不 吃 東 西 ， 便 不 能 指 使 身 體 的 任 何 部 份 ， 這 些 部 份 也 是 物 質 的 。 其 實 離 開 了 物 質 ， 地 上 的 生 活 是 很 難 想 像 的 。 所 以 幾 乎 遠 在 史 前 ， 好 思 想 的 人 們 已 開 始 探 究 物 質 的 構 造 和 性 質 。 紀 元 前 幾 個 世 紀 的 希 臘 哲 學 家 ， 就 思 索 過 這 個 問 題 ， 而 且 他 們 的 思 想 在 整 個 物 質 觀 念 發 展 史 上 是 不 可 忽 略 的 。 從 他 們 那 裡 我 們 學 得 對 物 質 的 基 本 觀 念 ─ ─ 「 原 子 」 。 自 然 界 的 物 質 有 億 萬 種 ， 卻 僅 地 由 九 十 多 種 比 較 安 定 的 基 本 物 質 所 組 成 ， 這 些 基 本 物 質 在 化 學 上 稱 為 元 素 （ 指 天 然 的 ） 。 元 素 的 基 本 單 位 是 原 子 ， 它 是 化 學 上 最 小 的 單 位 ， 也 是 我 們 所 要 討 論 的 主 要 對 象 。 二 、 分 子 與 原 子 假 如 把 單 純 物 質 分 割 下 去 ， 到 最 後 可 得 到 代 表 該 物 質 的 最 小 個 體 ， 稱 為 「 分 子 」 。 比 如 糖 類 物 質 分 為 蔗 糖 、 麥 芽 糖 、 葡 萄 糖 和 果 糖 等 等 ， 都 各 有 其 最 小 單 位 的 分 子 ， 構 造 與 性 質 亦 互 不 相 同 ， 但 都 是 由 碳 、 氫 、 氧 三 種 元 素 化 合 組 成 的 。 而 碳 、 氫 、 氧 元 素 都 可 單 獨 存 在 於 自 然 界 ， 不 必 與 他 種 元 素 結 合 在 一 起 ， 各 由 單 種 原 子 組 成 為 分 子 。 因 此 ， 分 子 可 以 再 分 為 更 細 的 單 位 ， 叫 做 「 原 子 」 。 例 如 ， 氫 與 氧 化 合 （ 燃 燒 ） 成 水 的 反 應 如 下 ：
以 上 ， 有 三 種 分 子 ， 即 氫 分 子 （ 由 ２ 個 氫 原 子 結 合 ） 、 氧 分 子 （ 由 ２ 個 氧 原 子 結 合 ） 及 水 分 子 （ 由 ２ 個 氫 原 子 與 １ 個 氧 原 子 結 合 ） 。 如 水 分 子 ， 由 兩 種 以 上 的 元 素 化 合 成 的 物 質 ， 在 化 學 上 叫 做 「 化 合 物 」 。 化 合 物 可 經 由 化 學 變 化 組 成 別 的 物 質 ， 這 時 分 子 內 之 原 子 是 完 整 保 持 不 變 的 ， 僅 作 重 新 組 合 而 已 。 所 以 原 子 化 學 變 化 的 最 小 單 位 就 是 原 子 。 因 此 ， 代 表 元 素 的 自 然 界 原 子 種 類 雖 然 僅 有 九 十 多 種 ， 但 是 可 以 化 合 成 幾 重 種 的 化 合 物 ， 再 由 不 同 化 合 物 的 混 合 組 成 億 萬 種 的 物 質 。 三 、 原 子 與 原 子 核 代 表 化 學 變 化 的 最 小 單 位 ， 原 子 的 構 造 究 竟 是 如 何 ？ 我 們 知 道 當 金 屬 劇 熱 或 受 陽 光 照 射 時 ， 能 放 出 一 種 帶 負 電 的 粒 子 ， 此 即 眾 所 週 知 的 「 電 子 」 。 因 此 ， 科 學 家 認 為 任 何 原 子 均 含 有 電 子 ， 電 子 可 用 適 當 的 方 法 使 其 脫 離 原 子 本 體 。 因 各 物 質 在 一 般 狀 況 下 均 不 帶 電 性 ， 原 子 既 有 帶 負 電 荷 之 電 子 ， 則 必 有 相 等 數 量 之 正 電 荷 存 在 。 所 以 ， 科 學 家 認 為 像 原 子 的 構 造 頗 似 太 陽 系 ， 中 間 有 一 帶 正 電 之 原 子 核 ， 外 面 有 相 等 電 荷 量 的 負 電 子 ， 電 子 高 速 度 圍 繞 原 子 核 運 轉 。 所 有 電 子 與 一 個 原 子 核 所 帶 之 總 正 荷 電 量 相 等 ， 相 互 扺 消 不 顯 電 性 。 原 子 的 直 徑 只 有 2*10exp(-8) 厘 米 程 度 ， 若 把 一 粒 砂 子 放 大 到 和 地 球 一 樣 大 ， 則 組 成 砂 子 的 一 個 原 子 不 過 和 藍 球 一 般 大 小 。 原 子 核 的 直 徑 更 小 ， 約 為 原 子 本 身 直 徑 的 萬 分 之 一 ， 原 子 核 的 微 小 可 想 而 知 。 由 此 可 見 原 子 內 部 是 多 麼 的 空 曠 。 假 如 有 強 大 的 力 量 把 一 個 七 十 公 斤 重 的 人 身 上 ， 所 有 原 子 核 及 電 子 堆 在 一 起 ， 還 不 如 紅 血 球 之 大 小 。 更 進 一 步 比 喻 ， 二 十 億 人 口 的 原 子 核 集 中 在 一 塊 ， 也 不 過 有 一 顆 紅 豆 那 麼 大 。 可 知 人 體 像 棉 花 糖 一 樣 空 隙 很 多 ， 難 怪 加 馬 射 線 就 很 輕 易 地 穿 透 過 去 。 原 子 核 個 兒 雖 小 ， 質 量 卻 很 大 。 至 目 前 科 學 家 已 經 確 悉 原 子 核 中 含 有 帶 正 電 荷 的 質 子 ， 其 數 目 和 圍 繞 在 四 週 的 電 子 數 目 相 同 。 自 然 界 中 最 輕 的 元 素 是 氫 ， 它 的 原 子 是 由 一 個 電 子 圍 繞 著 一 個 質 子 構 成 。 原 子 核 中 除 質 子 外 ， 另 有 一 種 粒 子 叫 中 子 ， 中 子 不 帶 電 荷 ， 除 氫 以 外 ， 其 他 元 素 的 原 子 核 內 都 含 有 中 子 。 （ 註 一 ） 註 一 ： 氫 的 同 位 素 尚 有 氘 （ 原 子 核 內 多 含 一 個 中 子 ） 及 氘 （ 原 子 核 內 多 含 ２ 個 中 子 ） 兩 種 。
把 單 純 物 質 分 割 下 去
到 最 後 可 得 到 代 表 該 物 質 的 最 小 個 體
即 為 「 分 子 」
「 原 子 」 為 「 分 子 」 中 更 細 的 單 位
「 原 子 」 中 有 一 帶 正 電 的 「 原 子 核 」
及 圍 繞 在 「 原 子 核 」 周 圍 的 負 電 子
「 原 子 核 」 的 直 徑 很 小
約 為 「 原 子 」 本 身 直 徑 的 萬 分 之一
其 中 有 「 中 子」 及「 質 子 」
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揭開原子的真面目 (§8-5原子結構)
原子及分子是確實存在的東西，但卻無法目睹，1789年，英國的庫魯克斯把一個內部幾近真空（壓力約10-4~10-2大氣壓）的燈泡形玻璃管加上電極，陰極置於玻璃一端，陽極則置於玻璃管中間。然後從電極兩端施加高壓直流電，發現陽極這邊的管壁上發出綠色光輝。他接著在陽極豎立一片十字形金屬板，只見管壁上映出十字形的影像，這是由陰極射向陽極的一種放射線粒子流所造成的，稱為「陰極射線」。
然而英國物理學家湯姆森（Joseph.John.Thomson，1856~1940），在1897年開始研究陰極射線，由很多實驗（用不同氣體的放電管，不同金屬的陰極板），證明所有的陰極射線的特性都相同，皆為帶負電荷的粒子，稱為「電子」。他又依據電子的存在推想原子的構造，假設「原子是帶正電的球體，電子則像西瓜子一樣散佈其中」。
後來英國的拉塞福（Ernest Rutherford，1871~1937）在1911年發表拉塞福散射實驗（The Rutherford，s Scattering Experment），利用鐳等放射性元素產生帶正電的α粒子，使其穿過鉛板的小孔，射向極薄的金屬箔片，極少部份則有偏折的現象，有的甚至偏折90°以上，這個結果與湯姆森的原子模型矛盾！ 拉塞福由此推論出新的原子模型「原子中心有個小核存在，原子的質量和正電荷都集中在此小核，電子則繞著小核轉，猶如行星繞著太陽運轉一般，由於電子的繞行速度非常快，所以帶負電的電子不會被帶正電的原子核吸住。」，由於拉塞福的實驗成果，原子的真面目終於逐漸被科學家揭開。
原子有多大呢？假如原子像棒球場一樣大，那麼原子核就只有二壘手口袋中的一枚硬幣那麼小而已，電子則像一粒細沙在觀眾席上飛繞，電子和原子核之間，則是一片真空。
1900年，拉塞福嘗試用α粒子束去擊破原子核，他轟擊氫原子時，大部份的α粒子都沒有偏轉，但恰好擊中時，則有正電荷的氫原子核出現。他又試著轟擊氮、鈉等較重的元素，但仍然得到帶正電氫原子核，拉塞福已經分裂了原子核，並顯示所有元素的原子核都由氫原子核構成，它被命名為「質子」。
1932年查兌克（James Chadwick）以α粒子射擊硼原子而發現中子。至此，原子及其原子核的主要成分現在已經完備了，每個原子有個原子核，核中有某數量的質子，週圍則有等數量的電子在運轉，如果原子的質量比質子數為大，則多出來的質量即為中子所擁有。
原子具備了這樣的形象及構造後，化學家們就可以解釋各種元素大部分的一般性質及化學反應了。
如果原子核是由質子和中子組成的，這理論又引出一個問題，質子都帶正電荷，它們是互相推斥的，那原子核如何能穩定而不爆裂開呢？這個問題，由日本物理學家湯川秀樹（Hideki Yukawa，1907~1981）於1935年提出了一個理論解答了，他假設「質子與質子、質子與中子、中子與中子間都有一種互相吸引的作用力，在近距離（10-13~10-12公分）時遠比電荷間的庫侖作用力為強，但在稍大距離（大於10-12公分）時即減弱至零。」這個作用稱為「核子作用」，它是由於一種粒子－稱為介子（Pion）的媒介而來的。湯川秀樹1929年畢業於京都帝國大學後留校任教，1938年獲大阪帝國大學博士學位後，返回京都大學任物理學教授（1939~1950），1949年獲得諾貝爾物理獎，1953~1970年擔任京都大學基礎物理研究所所長。
