說明物質的組成

1. Chapter 2物質的組成
2-1 所有東西都是原子構成的 1

2. 大綱 Outline
原子說起源、發展及證實
物質三態之間的差異
人類現在能夠控制單一原子
現有電子顯微技術
2

3. 2-1.1 原子說起源與應用
3

4. 物質的組成
物質的定義：凡是占有空間，
具有質量的東西，都稱為
「物質」。
現在我們都知道
物質是由更小的物質按照特
定的構造與比例組合而成，
我們稱呼-「原子」
那「原子」這概念是怎麼出
現呢?
4
龍騰版

5. 盧蛇(Loser)!!!
溫拿(Winner)!!!!
原子說的起源-古希臘
物質是否可以無止境
地分割成更小又更小
的微粒；
或物質是否由一種無
法再形分割的微粒所
組成??
最後有一個不可再分
割的最小單位。無止境地分割
德莫克里特斯
留基伯柏拉圖
亞里斯多德
不可再分割的最小單位
稱為原子(atom)
意指「不可分割」

6. 原子說的發展期
十八世紀末，法國人拉瓦節
（Antoine-Laurent de Lavoisier）
由實驗的基礎提倡「元素說」，
成為原子論的基礎。
英國人道耳頓（John Dalton）
從事氣體研究並倡議原子論來
解釋實驗的結果。

7. 原子說的證實-布朗運動
1827年，英國植物學家
布朗，用透鏡觀察水中
花粉粒子的運動狀態
1905年，愛因斯坦
發表了關於布朗運動
現象，第一個可用實
驗檢驗的定量理論。
裴林在愛因斯坦的理
論引導下，經由實驗
驗證了愛因斯坦的布
朗運動理論
模擬布朗運動
為原子、分子的存在提供了直接的證據，
使人們普遍接受 原子論 的觀點

8. 現在已知的原子相關概念
各種原子所具有相異的
電子數和電子的排列方
式，使得原子亦各自具
有獨特的性質。
原子半徑大小約在
1×10-10 m～2×10-10 m
質量最小的原子是氫，
1 Å＝10-10 m

9. 物質的三態
所有的物質都是由原子所組成的，而原子如
何組成物質呢？我們以水來作說明。
9

10. 每一顆原子(or分子)有其特定的位置，
而且具有一定的對稱性，使原子(or分
子)排列傾向最密堆積
原子(or分子)實際上是不停的[振動]-
在排列的位置上振動而不能自由移動
物質的三態-固態

11. 物質的三態-液態
11
原子(or分子)呈現緊密但不規則的排列液態有固定的體積
原子(or分子)可在一定距離內自由移動，且分子內各原子的距
離不停地改變形狀可任意改變。

12. 原子(or分子)間的距離變得非常大，相互間除了偶而的彈性碰
撞之外，也幾乎沒有任何作用力。
之間的吸引很弱，可在空間中快速地自由移動
可用 體積 、 溫度 、 壓力 來描述氣態的特徵
物質的三態-氣態
12
http://schools.bcsd.com/fremont/Graphics/Science/matter/

13. 2-1.3 如何[看到]原子或分子
13

14. 真能看見/控制原子？
二十世紀末期所發展的
原子操縱術，
掃描探針顯微鏡
Scanning Probe
Microscopy，SPM
觀察、分析與操控原子
與分子 的設備。
常見的SPM
掃描穿隧顯微鏡
(Scanning Tunneling
Microscope, STM)
原子力顯微鏡(Atomic
Force Microscope,
AFM)
14

15. 真能看見/控制原子？
掃描穿隧顯微鏡(STM)
利用量子力學的穿隧
效應
1990年IBM科學家在絕對溫
度4度(4K)下，利用穿隧電流
增加時，針尖將能推動物體
表面的原子的技術，將37個
氙(Xenon)原子製造出世界上
最小字的「IBM」
15From IBM ,2013/4/30 發佈的短片

16. 真能看見/控制原子？
原子力顯微鏡(AFM)
微小探針通常是黏附在懸臂式的
彈簧片上，當探針尖端與樣品表
面接近時，因產生原子力而造成
懸臂簧片的微小偏折，可利用偵
測器測得
16
From wiki,Atom ForceFrom Wiki
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atomic_force_microscope_by_Zureks.jpg

17. Question
1.描述STM的資料中，
有穿隧電流的描述。請
問如果受觀測樣本無法
導電的話，那STM是否
還有實際效果?
2.是否能根據上述資料，
區分 STM 與 AFM不同
點?
17

18. Thank for your attention
參考資料
1.A Boy And His Atom: The World's Smallest Movie
2.國科會高瞻自然科學教學資源平台,關鍵是STM
/AFM
3.劉怡君,顯微術與奈米科技
4.阿信物理教室
http://www.ck.tp.edu.tw/~pxhuang/phy-lec.html
18

19. 想想
看完上述資料，請思考原本的
問題
為什麼 養樂多放入冰箱冷凍室
一段時間之後，體積會膨脹?
How do you explain after reading?
19

20. 水分子的基本介紹
氫原子與氧原子原子
結構不同，導致兩者
之間會形成化學鍵。
並且氧會與兩個氫原
子成兩組化學鍵
20
http://www.geo.arizona.edu/xtal/geos306/fall13-4.htm

21. 水的特殊現象-冷脹
狀態必定伴隨分子結構重組
21
http://www.science.ca/askascientist/viewquestion.php?qID=2087