說明 原子內部結構的發現過程，及目前最小粒子

1. Chapter 2物質的組成
2-2 原子與原子核的組成 1

2. 大綱 Outline
原子是否是最小的粒子
原子內部粒子的發現順序
目前最小的粒子
如何研究物質的組成

3. 原子論的起源-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。
德莫克里特斯
留基伯
無止境地分割
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」

4. 如何研究物質的組成？
設法將物質拆解開來，
看看裡頭到底有什麼東
西。
科學家採用非常直接的
方法-碰撞。
對粒子加速 互相碰撞

5. 粒子加速器是利用「電壓差」來推動帶電粒子使之獲
得高能量(加速到接近光速)讓它與其他粒子發生碰撞，
由此產生的能量釋放導致了創造新的粒子。
LHC是在一個圓周為27公里的圓形隧道內，該隧道因當地地形的起伏而位於地下約50
至150公尺之間。
如何研究物質的組成？
http://www.hep.lu.se/staff/eerola/LHCBeyond.htm

6. 如何研究物質的組成？
2009年11月23日，大型強子對撞機進行了在修復完成後的第一
次試撞。
https://www.youtube.com/watch?
v=tvzEX9P2VQ4

7. JJ湯木生：發現電子的科學家
1897年，湯木生使用不同氣體的放電
管(陰極射線管)及不同的金屬板，作出
許多實驗
7
J.J.湯木生
當時的實驗裝置

8. 湯木生實驗的實驗原理
From 網路
放電管中分別填入不同稀薄氣
體，都會產生有相同的電量與
質量比(簡稱為荷質比)的粒子
這個粒子帶負電，稱為
電子
帶負電的電子，且證實
電子是原子的一部分

9. JJ湯木生：發現電子的科學家
湯木生 發現電子(electron)之後
並 提出 早期原子結構模型
原子為一球形，充滿了正電荷，同時
也有相同數目的負電荷(電子) ，維持
電中性
南一課本
J.J.湯木生
獲得1906
年諾貝爾
物理獎

10. 拉塞福-發現原子核的科學家
1910年，拉塞福利用α粒子撞擊原子，
以便瞭解原子內部的情形
(指導學生做實驗)
利用鐳與釙元素衰變所射出的α粒子。
α粒子帶有正電且質量為電子的七千
多倍，所以他以天然放射的α粒子來
撞擊原子，以便瞭解原子內部的情形
10
Ernest Rutherford

11. 拉塞福-發現原子核的科學家
1911年，拉塞福利用α粒子撞擊薄金
箔，以便瞭解原子內部的情形(指導學
生做實驗)
11
Ernest Rutherford
來自南一課本,實驗概念說明
鐳與釙元素衰變

12. 拉塞福散射實驗
α粒子質量比電子重
7300倍，速度至少
2107m/s
為什麼會預期直接穿過?
湯木生的原子模型
類似保齡球撞球瓶

13. 拉塞福散射實驗
但實際上
多數α粒子可直接穿過
少數α粒子有10度以上的偏
向，甚至有180度的偏向
為什麼會認為-金原子內
部存在一個帶正電的區域
??
多數α粒子可以穿過，代表金原子
內部多數真空
能讓讓少數α粒子反彈-只有質量比
α粒子重，才有可能

14. 原子模型的假設
原子類似太陽系，居中
心者稱為 原子核 ，電
子繞核運轉。
原子核：
半徑約 10-14m~10-15m ，
帶正電且質量幾乎等於
原子質量。
質量極小的電子受靜電
力吸引作用繞核運轉。
拉塞福提出了自己的原子模型的假設
Ernest Rutherford
1908年得諾貝爾化
學獎
1920年提出中子
(neutron)存在的假
設

15. 2-2.2 原子核的結構
http://www.shutterstock.com/

16. 質子(及原子序)的發現
英國人莫斯利(拉塞福的學生)於1913年
作x射線研究時所發現各元素的原子核
所帶的的正電量恰為基本電荷的 Z 倍
1914年，拉塞福以α粒子撞擊各種較輕
的原子，原子核內部還有更小粒子-質
子，也就是氫的原子核。
猜想在原子核內可能還存在一種質量
等於質子、但為電中性的粒子，稱為
中子（neutron），
Henry G. J.
Moseley
Ernest
Rutherford

17. 中子發現的歷史
1932年，將α粒子撞擊鈹，產生的中性射線照
射氣體原子，測量氣體離子動能，找到中性粒
子的質量約等於質子的質量。確認[中子]的存
在
1935年獲得諾貝爾物理學獎
17
英國人查兌克
來自南一版 高三課本
中性粒子

18. 海森堡原子核模型
1932年，海森堡提出原子核結構模型
可以解釋已知約有一百種原子的結構。
18
A
Z X
質量數
原子序
其中X表元素符號、
A為質量數＝質子數＋中子數，
Z為質子數＝原子序＝電子數，
中子數（N）＝A－Z

19. 現在已知原子及原子核結構
19
A
Z X
質量數
原子序
粒子 符號 電量 靜止質量
核外 電子 e -1.6×10-19(C) 9.11×10-31(kg)
核內 質子 p 1.6×10-19(C) 1.673×10-27(kg)
中子 n 0 1.675×10-27(kg)

20. 夸克是目前最小的粒子
1960年代，美國物理學家蓋爾曼
(Gell-Mann) 提出夸克 (quark) 理
論，認為質子和中子都是由更小
、更基本的夸克所組成。
目前夸克 與 電子 稱為 基本粒子
質子與中子各是由
三個夸克所組成的
~~是否還有更小的粒子??!!

21. Thank for your attention
參考資料
1. 邱韻如,中子的發現～ 眾裡尋它千百度，多年苦覓終現身,科學月刊-
515期
2. 各出版社課本
3. http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=particleadventure/
frameless/rutherfords_analysis