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。

(三)探究問題

1. 當原子核的間距越大，兩個接觸的固體應該越容易彼此進入對方的表面，甚至彼此穿過對方，但在日常生活中，為什麼觀察不到這種現象？
2. 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？

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。
• 在微光世界中，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。

紅光	綠光	藍光	用200伏特加速的電子	用200伏特加速的質子
7×10-7	5.3×10-7	4.6×10-7	8.7×10-11

• 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)

(三)探究問題

1. 拍照上傳過程與結果照片。
2. 在紙上端正寫出組內分工以及計算波長的算式，並上傳。
3. 討論各組結果為何不同？
4. 剔除極端值，全班各組做平均。
5. 上網查出綠光雷射的波長。

三、電子軌域勞作

(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。
3. 元素電子組態

(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

(三)探究問題

1. 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？
2. 回到一開始，固體表面為什麼不會互相浸入的問題，你的答案是？