原文寫於二零一零年二月二十三日。本來因不滿市面唯一中文教科書寫得奇差,所以以其為藍本重寫,改善中文,更新、修正資料。本來目標是寫一篇容易參考的文章,參考方式以超連結實現。
後來因未知原因而閣置 (好可能係因為課程太大,但確切原因已忘)。現在我已考完高考化學,而高考亦只剩下一年,所以不打算繼續。現在打撈上來,純為紀念。
原子結構和相對質量
1.1 原子,物質的本質
從古至今,人類一直思索,物質的本質及關係。公原前約四百年,德謨克利特提出,若不停分割一物件,最終會得到不能再分割的粒子,其會保持物件的性質。德謨克利特稱這粒子為原子 (希臘文 atomos 有「不可分割」之意),並認為世間萬物皆由原子組成。想法雖美,當時郤沒有實驗證明,僅為哲學觀點 (或是科學上的假設)。
一八零八年,約翰道爾頓大幅修訂原子學說。化學反應中,粒子本身並無改變,唯排列改變。當時已有實驗支持說法。
道爾頓原子學說
- 所有元素匀由微粒子組成,微粒子不可分割,稱為原子。
- 原子無始無終,不能製造,亦不能毀滅。
- 同一元素,原子的質量和化學性質完全相同。
- 不同元素,原子的性質不盡相同。
- 不同原子結合,會形成化合物,當中各原子數目成一簡單整數比。
Ex. 1.1
- 「原子」原義為何?
- 拉華鍚一七七四年提出質量守恆定律,云物質於化學反應中,既不產生,亦不消失。道爾頓原子學說中,哪一點建基於此?
- 普勞斯特於一七九九年提出定比定律。道爾頓原子學說中,哪一點建基於此?
1.2 原子結構與其證據
十九世紀末,實驗顯示原子遠較道爾頓模型複雜。原子並非堅硬而匀均的粒子,而是由多種更小的亞原子粒子組成。自此,「原子」(atom) 之名只餘下歷史意義。
電子
一八七六年,哥爾特斯坦注入不同的低壓氣體於真空管中,成為氣體放電管。當施加高電壓,有電流通過氣體時,陰極會產生射線,射往陽極,射線因而名為陰極射線。由於射線由負極射向正極,固哥爾特斯坦認為其帶負電荷。
一八九七年,湯姆森發現陰極射線會在電場或磁場中偏轉。從偏轉的方向,可確定射線是高速的負電荷粒子。
偏轉程度可顯示負電荷粒子的質量電荷比 (m / Q)。他發現這比值不受氣體種類影響,表示所有氣體都有此粒子,再推廣為原子皆有此粒子。湯姆森名其為電子。
原子核
由於知道原子不帶電,湯姆森認為原子內必有帶正電的粒子,其電荷剛好與電子相反,以中和電荷。湯姆森提出了原子模型,云原子是帶正電荷的球體,電子則釀在其中,尤如葡萄布丁。
科學界普遍接受此模型,直到一九零九年盧塞福帶領的金箔散射實驗。他用α射線射向一片薄金箔,發現大部份α粒子匀直接穿過金箔,不受影響,有少數偏轉,有些直接反彈轉頭。由此,盧塞福提出新的原子模型,原子中大部份為空間,質量集中於一點,原子核。原子核中帶正電的粒子稱為質子,帶負電的電子則在外圍環繞。
後來發現原子核中還有中子這種粒子。由於中子不帶電,很難偵測如此細小的粒子,所以中子發現得比質子和電子都要遲。發現過程複雜,有興趣自己睼。
Ex. 1.2
- 原子內的粒子合稱作什麼?
- 試述以下實驗帶出的重點:
- 哥爾特斯坦的氣體放電管實驗
- 湯姆森的陰極射線實驗
- 盧塞福的金箔散射實驗
1.3 亞原子粒子
質子、中子和電子
現代學說中,原子由三種亞原子粒組成,三者如標題所示,為質子、中子和電子。質子和中子在原子核中,兩者又可再分拆為上、下夸克。電子則包圍原子核 (故意不用「圍繞」,以免混淆舊概念)。相比兩種核子,電子質量微乎其微 (約為一千八百分之一),所以計算時經常會忽略電子的質量。
原子與原子核的大小
原子非常細小,直徑一般以皮米 (pm, 1 x 10-12 m) 計算,超出人類可想像的範圍。原子核更加細小,直徑以飛米 (fm, 1 x 10-15 m) 計算,一般為原子的數萬分之一。以碳原子為例,若原子有香港演唱館香港體育館般大,原子核本身僅為網球一個。由此可見,原子是空洞為主的,而電子可在這空間內自由出現 (見 4.4)。要觀察原子,唯電子顯微鏡一途。
Ex. 1.3
- 原子的哪一部份大致決定整個原子的質量?
- 哪種亞原子粒子當被視為無質量?
1.4 原子序、質量數、同位素
原子的原子序等於其質子數目。由於原子不帶電荷,質子數目亦等於電子數目。
質量數是原子的質子數及中子數之和。
同一元素中,原子可能會有不同的中子數。這些原子稱為同位素。由於質子數目及電子數目相同,同位素的化學性質完全相同。但因中子數有異,即質量有異,物理性質不盡相同。另一種講法,同位素係有相同原子序、不同質量數的原子。
Ex. 1.4
- 寫出下列原子的符號:原子序為十一、質量數為二十三。這原子有多少質子、中子、電子?
1.5 質譜儀
運用質譜儀,可以找出原子 (包括同位素) 及分子的相對質量,方法為量度電離粒子的質量電荷比。
質譜儀主要分為六部份:
- 氣化室先把樣本加熱。
- 電離室內,有熱燈絲放出高速電子,撞擊進入的樣本分子或原子,使其電離,形成陽離子。
- 加速電場加速帶電的陽離子。
- 偏轉磁場使帶電的陽離子偏轉。偏轉程度反比於離子的質量,正比於其帶的電荷。粒子的質量電荷比越高,偏轉越多。
- 離子探測器接收離子,並化為電流訊號。電流強度正比於離子數目。調節加速電場與偏轉磁場,能使探測器接收不同質量電荷比的粒子。
- 記錄器負責記錄深測器發出的訊號,得出質譜。質譜中的峰,位置表示粒子的質量電荷比,高度表示豐度。
元素的質譜中,各峰代表同位素。代合物的質譜中,各峰代表從分子中被打散的離子。最高質量電荷比的峰最可能是化合物本身的「分子離子」,即分子中的原子失去電子,通常實驗會將失去的電子限制在一個。預科課程及考試不會討論失去多於一個電子的情況。
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