CH6原子論

組成萬物的粒子為何，自古以來人們好奇地無盡探究。從電子、質子到中子的發現，諸多科學家共同譜寫了一篇精彩的原子內部結構發現大作....國中G8-1-C6物質的基本構造-補充教材

一、道耳吞-原子論

  古代希臘哲學家留基伯(Leucippus)和他的學生德謨克利特(Democritus,460-370BC)認為物質是由不可分割的原子(atom)所組成。他們認為原子是堅硬的，有一定的形狀和大小，並且永恆存在，不能孳生也不會消失，可經由結合、分離再重新組合而形成各種物質。

英國科學家道耳吞(John Dalton,1766-1844)於1803~1804年在英國皇家學會作關於原子論的演講，其中全面闡釋了他的原子論思想。其要點主要有四：

1.一切物質都是由微小粒子所組成，這種粒子不能再分割，並稱之為原子。

2.相同元素的原子，其原子質量與原子大小均相同；反之，不同元素的原子，其質量與大小則均不同。

3.不同的元素化合時，這些元素的原子按簡單整數比結合成化合物。

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，反應過程中，原子不會改變質量或大小，也不會新生或消失。

儘管從現在的觀點來看，道耳吞的觀點是非常簡潔而有力的，但是由於缺乏實驗證據和道耳吞的表述能力不佳，這一觀點直到20世紀初才被廣泛接受。

二、湯木生-發現電子

J.J.湯木生(Joseph John Thomson,1856~1940)自小聰明勤奮，14歲就進入歐文斯學院學習工程學。1876年獲助獎學金進入了劍橋大學三一學院並順利畢業。1883年J.J.湯木生被三一學院聘為物理學教授，第二年接任卡文迪西實驗室主任，當時年僅28歲。實驗室在他長達35年的領導之下，培養了55位大學教授和7位諾貝爾獎得主。湯木生本身由於發現電子，開啟了原子內部的世界，和對氣體放電理論做出重大貢獻，於1906年獲頒諾貝爾物理獎。同時，他還成功地從氖-20中分離出氖-22，是第一位發現同位素的人。

1890年起，湯木生帶領學生開始研究陰極射線。他發現射線細束，通過正、負電極時，會朝向正極偏向運動。因此結論出：「陰極射線是高速運動的負電粒子」，隨之將此微粒稱為electron，也就是如今我們所熟知的「電子」。

道耳吞的原子說，認為原子是不可分割的，所以當阿瑞尼士提出解離說時，當時許多人認為原子既然不可分割，怎麼能帶電？直到1897年湯木生發現了帶負電的電子，且證實電子是原子的一部分，才解開這個疑問。湯木生認為原子為一球形，充滿了相同數目的正電荷與帶負電的電子，也就是聞名的「葡萄乾布丁模型」。但是隨科學的進展，更多有關原子的組成逐漸揭開，原子的模型也逐一修正。

三、拉塞福-發現原子核和質子

俗話說名師出高徒，湯木生的學生拉塞福(Rutherford, 1871~1937)以α粒子，也就是沒有電子的氦原子(4He2+)對準金箔轟擊，得到驚人的結果，再次改變了人們對原子的認知。

拉塞福以氦原子核轟擊金箔的實驗發現，大部分的α粒子都直穿而過毫無受到阻攔，但卻有少部份會產生大角度彈開。他推論金原子的內部中，大部分區域應該空蕩無物，並且有一個質量密集的硬核。此一推論，和湯木生的葡萄乾布丁模型相違背，但他仍相信自己的散射理論，要比老師的更具合理性。因此，拉塞福認為原子的中心是帶正電的原子核，有如太陽；而周圍電子則是散布在其外圍。整個太陽系有如原子的大小，大部分都是空蕩無物的空間。

四、查兌克-發現中子

查兌克(James Chadwich, l891~1974)就讀曼徹斯特中學時，成續優異，熱愛數學和物理，畢業後跟隨拉塞福進行放射性研究工作。1932年，居里夫婦發現用粒子轟擊鍍元素時，鍍會放射出穿透力很強的不帶電的粒子。查兌克隨後用卡文迪西實驗室的優越條件，重複了同樣的實驗。結果發現這種穿透力很強的粒子，是具有和質子相同質量的新粒子，也就是「中子」。為此，他獲得了1935年的諾貝爾物理學獎。中子的發現合理的解釋，為什麼當元素按質量遞增順序排列時，原子的質量比原子序遞增得更快。例如碳原子序6，但質量數12；氮原子序7，但質量數14。查兌克的研究發現，具有相同質子數目的同一元素，會有不同數目的中子，也就是同位素。例如氯原子中的氯-35含有17個質子和18個中子；氯-37含有17個質子和20個中子。因為它們核外電子的數目和電子的排列一樣，都具有相同的化學性質。

二戰前期，查兌克在英國致力於鈾的分離工作，1943年他率領一批科學家前往美國參加研製原子彈的曼哈頓計劃。由於查兌克的傑出成就，1945年被封為英國爵士，往後的研究中貢獻在英國的核能發展和諸多粒子物理研究方面。

五、波耳-提出電子能階原子模型

拉塞福門生中英髦輩出，其中最著名的莫屬被譽為量子力學之父的波耳(N. Bohr,1885~1962)。

波耳根據原子吸收或放射光透過稜鏡分光的分布譜線，解決了拉塞福模型的穩定性問題，進而建立新的原子模型。後來波耳從斯塔克的著作，學習了價電子躍遷產生輻射的理論，於是很快就寫出了著名的《原子構造和分子構造》三篇論文。奠定了波耳在科學領域中的大師地位。

1922年，波耳由於對於原子結構理論的貢獻，獲得諾貝爾物理學獎。1997年IUPAC正式通過將第107號元素命名為Bohrium，以紀念波耳。

六、素養培訓練習

一、道耳吞提出的原子論要點，以目前對原子構造的了解，有哪幾點需要做修正？

答：1.原子中還有更小的粒子，例如電子、質子和中子等。

2.相同元素的原子，質量可能不同；反之，不同元素的原子，質量可能相同。

二、湯木生的研究發現氖-20和氖-22，雖是相同的原子，卻有著不同質量。請問氖-20和氖-22原子中的質子和中子數分別為何？兩者關係又稱為？

答：氖-20：質子數10，中子數10。氖-22：質子數10，中子數12。兩者為同位素。

三、如右圖，有一個A粒子，當通過一組上負下正的電極板時，出現向下彎曲的運動。可判斷A粒子的帶電性為何？

答：帶負電。

四、α粒子就是不帶    電子    （中子；質子；電子）的氦原子，可寫成  4He2+  （2He2+；4He2－；4He4+），也就是氦原子核。由此可知α粒子是個帶   正   （正；負；不帶）電的粒子，因此若將α粒子通過上圖一裝置的電極板時，會出現    向上    （向上；向下；不會）彎曲的運動。

五、拉賽福在散射實驗中使用金箔，其用意可讓α粒子通過極少層的金原子，將有利實驗結果的推測。請問使用金元素的原因，是因為金元素具有何種物理特性？

答：元素中最佳的延展性。

六、拉賽福使用α粒子轟擊金箔的實驗中，他觀察到什麼結果，讓他推測原子的構造中，其實大部分都是空蕩無物的空間？同時他發現少部分的α粒子會大角度的散射，因此讓他推測原子中有個很硬且帶正電的東西，這個東西就是如今我們所稱的？

答：大多數的α粒子毫無被阻攔通過金箔。原子核。

七、當發現電子和質子之後，科學家對元素按質量遞增時，對原子的質量總是比原子序遞增得更快感到疑惑，推測原子核內可能存在另一種粒子。例如碳原子序6，但質量數12；氮原子序7，但質量數14。請問這個粒子的帶電性與名稱為何？

答：不帶電。中子。

八、查兌克的研究發現，具有相同質子數目的同一元素，會有不同數目的中子，也就是    同位素    的概念。例如氯原子中的氯-35含有17個質子和  18  個中子，質量數35；含有17個質子和20個中子的氯，質量數  37  。因為它們核外電子的數目和電子的排列一樣，都具有相同的    化學    性質。

九、現今對原子構造的了解，集合了眾多科學家的努力成果，請依照時間順序，排列出原子、質子、電子和中子的發現順序。

答：原子→電子→質子→中子。

十、類似行星圍繞太陽運行的概念，以帶正電的原子核為中心，外圍由電子分布的殼層構造，是     波耳     （湯木生；查兌克；波耳；拉賽福）科學家所提出的原子模型概念。