原子結構發現的過程是從外到內 從帶電粒子到不帶電粒子的 因此最先被發現的是外圍的帶電粒子「電子」 電子發現的過程 是科學家利用陰極射線管時 發現陰極射線在與其行進方向垂直的電場中 會發生偏折 推論其本質為帶負電的粒子 湯姆森測定該未知粒子電荷與質量的比值 即荷質比 荷質比實驗裝置如畫面所示 設電子質量為m 電荷為負e 以水平速度v0沿x軸方向射入電場中 若平行金屬板間的均勻電場量值為E 平行板寬度為d 平行板右端與螢光幕的距離為D 電子會在第一區進行等加速度運動 在第二區進行等速運動 計算後得到荷質比公式 將電場開啟前後螢光幕上光點的距離y 以及實驗環境條件E、d及D之值 代入上述公式 即可求出荷值比數值 而目前公認的荷質比為1.76乘以10的11次方 將密立坎所測得電子的電量代入 即可得到電子質量 湯姆森發現電子後 提出一種原子模型 他假設原子呈球體 帶正電的物質均勻分布在原子內 而電子則散布其中 此結構又被稱為葡萄乾布丁模型 他的學生拉塞福進行α射線撞擊金箔的實驗時 發現了原子核的存在 他將實驗結果以原子的行星模型解釋 他認為：原子核帶正電並位於原子的中央 幾乎占據原子所有質量 而質量較輕的電子則如行星一般 環繞著原子核運行 此模型可以解釋粒子散射的實驗結果 當入射的α粒子靠近金原子核時 由於兩者間的庫侖斥力 加上原子核的質量大 就有機會造成粒子大角度的反彈 但拉塞福的原子模型卻存在兩個缺陷 第一 原子光譜 若電子受到原子核作用進行圓周運動 因帶電粒子受到向心加速度 將輻射出電磁波 理論上會觀察到原子輻射出連續波段的電磁波 而實際上觀察到的卻是不連續光譜 第二 原子穩定性 理論上 電子若持續輻射出電磁波 最後會墜毀於原子核 原子無法穩定存在 而實際卻有眾多的原子呈現穩定的狀態 波耳為了解釋實驗觀察到的原子光譜 提出波耳氫原子模型 立基於拉塞福的行星原子模型 再加入兩個重要的假設 1.電子存在特定的圓形軌道 此軌道滿足角動量量子化條件 2.軌道間的躍遷會放出或吸收光子 若電子從ｎ軌道躍遷至ｍ軌道時 根據能量守恆定律 光子的能量等於兩軌道能量的差 當n大於m 也就是「Em減En為負值」時 會放出光子 而當n小於m 也就是「Em減En為正值」時 會吸收光子 上式中的v為繞行速率 r為軌道半徑 其中n為正整數 稱為主量子數 而角動量的最小單位為2π分之h 主量子數決定了不同軌道的角動量量值 電子位於主量子數n的軌道時 其能量如畫面所示： 當主量子數n等於1時 氫原子處於最低的能量狀態 稱為基態 此時軌道半徑為0.053奈米 稱為波耳半徑 視為處於基態時的氫原子大小 而當n等於2或3等數值時 氫原子處於較高的能量狀態 稱為受激態或激發態 由式子可知 將處於基態的電子激發至脫離原子核 至少需要13.6eV的能量 此能量稱為氫原子的游離能 配合波耳的氫原子模型假設第二點 即可計算不同軌道間的躍遷 得到氫原子光譜 1913年德布羅意提出物質波的假說 λ等於h除以p 將其運用到波耳的氫原子模型 讓角動量的量子化條件得到更完整的解釋 其假設的意義在於： 電子在某一圓形軌道繞行 若其物質波要形成穩定的「駐波」 則圓周長必須等於波長的整數倍 利用以下關係式 就能得到角動量量子化的條件 爾後 拉塞福繼續研究原子核特性 從實驗中歸納得出： 所有元素的原子核皆含有氫原子核 他將氫原子核命名為質子 是帶與電子電量相同的正電荷 查兌克於1932年 發現原子核中尚有另一中性粒子 命名為中子 質子與中子構成原子核 統稱核子或強子 不同原子核可以用這樣的符號標示 這邊的X是元素代號 Z為原子序 A則為原子質量數 簡稱為質量數 為質子數與中子數的和 因此中子數為A減Z個 由於原子核內的質子具有很強的庫侖斥力 故必定存在更強的吸引力 才能將核子緊緊地束縛在一起 核子之間的作用力稱為強交互作用 作用範圍大約為10的負15次方公尺 當原子核內核子數變多時 庫侖斥力的影響更為顯著 造成原子核結構不穩定 不穩定的原子核 可藉由放出α粒子、β粒子與γ射線 變成較為穩定的原子核 此過程稱為「核衰變」 過程中放出α粒子 稱為「α衰變」 其特性為原子序減少2、質量數減少4 同理 衰變過程中放出β粒子 則稱為「β衰變」 其特性為原子序加1、質量數維持不變 從反應式中可以看到 反應中會產生一個反微中子 原子核在發生α或β衰變時 往往會進入較高能量的受激態 當原子核由較高的能態躍遷至較低能態時 會把其間的能量差以電磁波的型態放出來 此電磁波的波長通常比X射線還短 稱為γ射線 此過程亦稱為γ衰變 也就是說 α或β衰變常伴隨γ衰變 但α與β衰變不會同時發生 最後是「半衰期」 當我們取數量龐大的原子核 對其衰變事件進行統計 會發現不論開始時原子核的數量有多少 等到其衰變至只剩下原有數量的一半時 所需的時間都相等 這時間稱為半衰期或半生期 以τ表示 若t0時的原子核個數為N0 經t時間後所剩尚未衰變的原子核個數為N 其關係如下 我們來思考一下這個問題 從道耳吞的原子論、湯姆森的葡萄乾布丁模型 到波耳的氫原子模型 科學就是不斷的從錯誤中修正 才能持續的發展、進步 關於原子結構的重點就到這邊了 我們下次見 bye bye~