動手學科學/物質科學I/物質的組成

開場

1. 看一下課程簡介
2. 練習使用「網路檔案櫃」
3. 區網 wifi ：jendo_c，密碼現場說明

本日活動

一、穿不過去

(一)先備知識

• 原子半徑/原子核半徑比例，「鈾」的是26634倍，而「氫」是60250倍，平均是43442倍。原子核(10^-15M)如果放大到一個人的大小，原子核之間的距離大約是台北到新竹間的距離。
• 拉塞福用阿爾法粒子打白金箔紙，每8000個阿爾法粒子，就有一個粒子會大角度散射，而其它粒子都直直地衝過白金箔紙。

(二)操作

1. 請兩組同學各推派一位代表，各自決定自己的方向和位置，且彼此不能溝通。但維持和老師溝通。
2. 請老師指導，不斷調整兩位同學的位置和方向，直到兩位同學的向前方向會彼此相交為止。
3. 請上述兩組同學擔任示範組，每位同學均扮演「固體的原子核」：
   • 每一組同學扮演一件「固體」的原子核。
   • 由上一點的代表同學為中心，同組同學用皮尺維持間距 10 公尺，並對齊排列，模擬固體表面。
   • 請同學想像：事實上，下一顆原子核應該遠在新竹而不是 10 公尺外。
4. 兩組同學(兩件固體)相向運動，每運動一步，就與同組同學對齊一次。
5. 觀察兩組同學是否會進入彼此固體表面的內部。

• 活動照片

學員依模擬距離分開站	往對面移動	交錯而過

(三)探究問題

觀察並探討為何原子核間距很寬，兩件固體相向運動時卻不會穿過對方。

Ans:

1. 中間的區域同時存在著電子。
2. 因為包立不相容原理，已滿的電子軌域無法容納更多電子，因此兩個原子會因為彼此的電子軌域互相排斥而不會穿透。

請簡單解釋包立不相容原理。

Ans:

• 任意兩個處於同一原子軌道的兩個電子不能佔有相同的量子態。
• 處於同一原子軌道的兩個電子自旋方向必定相反。

如果人如原子核的大小，電子的大小還小於一元的銅板，在台北與新竹間放20個一元銅板，即使它們能繞行原子核運動，它們能擋住固體表面相互進入彼此內部嗎？

Ans: 可以，因為包立部相容原理。

二、粒子、波雙重性

(一)先備知識

• 光子和電子都具有：粒子/波雙重性，會出現類似的雙狹縫干涉條紋。
  1. 都遵守：λ =h/p ，波長＝普朗克常數／動量
  2. 對光子來說波振輻的大小代表電磁場的大小。
  3. 對電子來說，波振輻的平方等於等於電子出現的機率。

紅光	綠光	藍光	用200伏特加速的電子	用200伏特加速的質子	秒速40米150克的棒球
7×10-7	5.3×10-7	4.6×10-7	8.7×10-11	2×10-12	1.1×10-34

• 在微觀世界中，電子是可以「同時」出現在甲地，也「同時」出現在乙地，只是分別在甲地與乙地被找到的機率各有不同，其出現機率由波函數表達。
• 1927年，貝爾實驗室將電子射向鎳結晶，發現其繞射圖譜電子被證實有波的性質。
• 速度以每秒40米，質量為0.15公斤的棒球，其波長為 10^-34 ，比原子核還要小很多很多，根本測不出來。
• 1999年，富勒烯被測出有波的性質。

(二)操作

1. 每組發一隻雷射筆，一張紙，一支 0.5 mm 自動鉛筆芯，夾子大小各一，同學自備可調焦距的手機。
2. 每組三人以上分工，一人持夾子和雷射筆，並持筆芯中分雷射筆；一人拿紙和尺，映照出雙狹縫干涉條紋，並用刻度尺對準干涉圖樣；一人用手機拍下來。
3. 算出干涉條紋間隔。
4. 運用公式：

   光程差(1波長)／狹縫間距(0.5mm)＝sinθ ≈ tanθ=亮紋間隔／筆紙間距(約四米)

• 活動照片

實驗材料	筆芯史雷射光產生雙狹縫干涉	量測干涉條紋間距

• 注意：筆芯貼著雷射筆筆尖，垂直對準雷射筆中央，盡量剛好把雷射光切一半

(三)探究問題

請拍照上傳過程與結果照片。

Ans: 略

在紙上端正寫出組內分工以及計算波長的算式，並上傳照片。

Ans: 略

討論各組結果為何不同？

Ans: 實驗中有各種不同的誤差。

踢除極端值，全班各組做平均。

Ans: 略

上網查出綠光雷射的波長，並跟實驗數據做比較。

Ans: 比較誤差大小，是否在兩個數量級以內。

一、先備知識

1. 包立不相容原理：兩個全同的費米子(如電子)不能處於相同的量子態。=>兩個量子組態一樣的電子，不能存在於相同的軌域中。
2. 原子的電子軌域：第一層為 1S ，球形；第二層為 2S,2P_x,2P_y,2P_z；第三層為 3S,3P_x,3P_y,3P_z，其他軌域先忽略。
   • s:1種形狀，球狀對稱
   • p:3種p軌域，形狀一樣但方向不同
   • 同層 S,P_x,P_y,P_z
3. 更完整的電子軌域圖示：

4. 元素電子組態
   s1							s2
   1 氫 1.008							2 氦 4.003
   s1	s2	p1	p2	p3	p4	p5	p6
   3 鋰 6.941	4 鈹 9.012	5 硼 10.81	6 碳 12.01	7 氮 14.01	8 氧 16.00	9 氟 19.00	10 氖 20.18
   11 鈉 22.99	12 鎂 24.31	13 鋁 26.98	14 矽 28.09	15 磷 30.97	16 硫 32.07	17 氯 35.45	18 氬 39.95
   19 鉀 39.1	20 鈣 40.08

   二、操作

   1. 每組發電子軌域紙、剪刀、雙面膠共用
   2. 參考前人的模型
   3. 組合出二氧化碳…等分子：H₂，O₂，H₂O，CO₂，CH₄
   4. 組合出金屬導線，並用以解釋電流為什麼可以輕易在金屬中流動。
      1. 先從元素電子組態中找到要使用的原素。
      2. 看那個元素電子有幾層，在紙模型上剪出相應的電子軌域層數，並在中心部位(原子核部位)寫上元素符號。
      3. 查出該原子共應有幾顆電子，由內層到外層，用筆畫濃點表示電子，每個軌域可以空著、放入一顆電子、放入兩顆電子，但不能放入三顆或更多電子。
      4. 運用「兩個原子各只有一顆電子的軌域可以融合，讓融合後的軌域可以擁有兩顆電子」的原理，結合兩個或更多原子。氫原子軌域融合圖示
   5. 對照球桿模型，做出H₂，O₂，H₂O，CO₂，CH₄等分子

   H2(氫)	O2(氧)	H20(水)	CO2(二氧化碳)	CH4(甲烷)

   常見分子

   去 http://jendo.org/wiki1231/index.php?title=化學鍵#.E5.90.84.E7.A8.AE.E5.88.86.E5.AD.90 參看更多種常見分子，可以試著組組看哦！

   三、探究問題

   將立體的S,P_x,P_y,P_z 的原子外圍電子軌域，簡化成紙本平面的四個軌域，會有哪些模擬不完整的地方？

   Ans: 平面與立體的差別

   固體表面為什麼不會互相浸入的問題？

   Ans: 包立不相容原理。

   金屬為什麼有導電的特性？

   Ans:

   • 導電的特性為電子容易移動。
   • 金屬元素最外層的軌域，都有很多空間可以讓電子進入，因此當很多個金屬原子連在一起時，就會形成一個通道方便電子移動。