同學們還記得我們先前學過 在道耳吞的原子說中 認為原子是不可分割 且是構成物質的最基本單位 但是經過湯姆森的陰極射線管實驗 發現從管中的陰極發出的未知射線 猜測原子內還有比原子更小的物質 且其帶負電 稱為電子 進而提出葡萄乾-布丁模型 接著 拉塞福藉由α粒子撞擊金箔實驗 發現了原子核的存在 那麼 原子核內部是否還有其他結構呢？ 還是已經不可分割了呢？ 接下來 就讓我們看看吧 拉塞福於1909年 完成α粒子撞擊金箔實驗後 提出了行星模型 帶負電的電子 如同行星繞太陽一般的 繞原子核進行圓周運動 而原子核帶正電 正電電量與負電電量相同 整個原子呈現電中性 而原子核裡面帶正電的粒子 我們稱為「質子」 1913年 湯姆森將氖氣離子氣體 引流到電磁場中 並且在離子運動的路徑上 放置感光底片 發現氖氣離子有兩道偏轉軌跡 表示氖氣有兩種不同的原子量 這是物理上 首次發現穩定的元素中 存在同位素的證據喔 此外 查兌克用釙放射源產生α射線 去轟擊鈹原子核 從而得到一種不尋常的輻射 在此之前 查兌克和拉塞福從研究中 提出一種假想粒子 叫「中子」 它是沒有電荷的假想核子 而這個發現對查兌克而言 就是中子存在的證據 隨著越來越多的實驗 支持查兌克的發現 查兌克於1932年 獲英國皇家學會授予休斯獎章 並於1935年獲得諾貝爾物理學獎呢 那麼同學們有覺得 帶正電的原子核 能夠穩定存在於飛米尺度 即10的負15次方公尺內的範圍 是很不合理的嗎？ 因為根據庫侖定律 質子與質子間應該是互相排斥 那麼在原子核的距離如此近的情況下 照理來說 應該是受到強大的排斥力作用 導致原子核潰散才對 但我們看到大部分的情況 原子核都可以穩定存在 這似乎使理論與實驗出現了矛盾 那麼 現在同學們有覺得 帶正電的原子核 能夠穩定存在於飛米尺度 即10的負15次方公尺內的範圍 是很不合理的嗎？ 再來 我們還發現 有些元素的原子核可以穩定存在 有些原子核卻不穩定 會自發性的放出α或β射線 舉例來說 碳12可以穩定存在於自然界中 但其同位素碳14 經過一段時間後 將進行β衰變 並轉變為氮14 另外 鉀元素的鉀39可以穩定存在 而鉀40具有放射線 也是類似的狀況喔 另外 科學家們也發現 通常能維持穩定的原子核結構中 中子的數量都會比質子來得多一些 比如剛剛提到的鉀39 具有19個質子、20個中子 中子不帶電 又比質子多一個 中子存在的作用是什麼呢？ 同學們可以先想想看喔 1935年 日本物理學家湯川秀樹 為了解釋原子核穩定性 提出了在原子核中 約10的負15次方公尺內 存在一種比庫侖排斥力更大的吸引力 稱為「強作用力」 只要在原子核的範圍內 不論質子與質子、質子與中子、中子與中子 皆為吸引力 如此一來 就可以緊緊地將原子核束縛在一起 進而形成穩定的原子核 而這個想法 後來也從實驗中獲得證實 湯川秀樹也於1949年獲頒諾貝爾物理獎 以表彰他在原子核物理學的重大貢獻喔 另外 為什麼大部分穩定原子核的中子數 會大於質子數呢？ 這是因為越多的中子數 可以產生更多的強作用力 來克服質子間的庫侖斥力喔 這樣你懂了嗎？ 雖然我們有了穩定原子核的基本概念 但在實驗上 即使中子數比質子數多 仍然有可能為不穩定的原子核 並且進行衰變的作用 例如：碳14或鈾238 最後 經過多次實驗與歸納後 科學家整理出了一個穩定同位素曲線 用來判斷哪些原子核是穩定的 哪些原子核不穩定 會自發性的輻射出α、β或γ射線 從圖表中我們可以看到 橫軸表示原子序Z 縱軸表示中子數 而圖上面「黑色點」的座標 表示「穩定原子核」 不同顏色的部分 表示原子核衰變的半衰期 如果對比Z等於N的斜直線 也呼應了之前我們說的 穩定原子核通常中子數會較質子數多 所以幾乎所有的黑色座標點 都在Z等於N斜直線上方喔 另外 同學們可以發現 當Z超過某個值之後 就沒有出現穩定的原子核 而原子序最大的穩定原子核是鉛 其質子數為82 也就是說 原子序超過82的原子核 在自然界中 都會自發性的產生α或β或γ衰變喔！ 更神奇的是 科學家從251個穩定原子核的實驗數據發現 當質子數或中子數是偶數的時候 原子核特別穩定 在這251個穩定原子核中 只有5個原子核是質子數與中子數皆為奇數 是不是很有趣呢？ 我們來思考一下這個問題 讓我們來回答前面的問題 由於原子核內部 存在帶正電的質子與不帶電的中子 且原子核內部是藉由強作用力 來克服庫侖排斥力 藉此穩定存在 因此當原子序增加 就需要更多的中子 來增加強作用力 才可以穩定存在喔 這樣你瞭解了嗎？ 我們來總結一下這支影片的學習內容 原子核內有帶正電的質子和不帶電的中子 原子核內部存在強作用力 使核穩定存在 實驗發現 穩定原子核中 通常中子數大於質子數 且當質子數及中子數是偶數時 也會較為穩定 科學上 已經發現了質子、中子、電子 同學們可以思考看看 這三種粒子是否還有內部結構呢？ 是否還能在更小的區域內 發現新粒子呢？ 歡迎留言分享你的想法 我們下次見囉 bye bye