動手學科學/物質科學I/物質的組成

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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

  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。
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
7×10-75.3×10-74.6×10-78.7×10-112×10-121.1×10-34
  • 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

  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,2Px,2Py,2Pz;第三層為 3S,3Px,3Py,3Pz,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,Px,Py,Pz
  3. 更完整的電子軌域圖示:
  4. 元素電子組態
    s1 s2
    1

    1.008
    2

    4.003
    s1 s2 p1 p2 p3 p4 p5 p6
    3

    6.941
    4

    9.012
    5

    10.81
    6

    12.01
    7

    14.01
    8

    16.00
    9

    19.00
    10

    20.18
    11

    22.99
    12

    24.31
    13

    26.98
    14

    28.09
    15

    30.97
    16

    32.07
    17

    35.45
    18

    39.95
    19

    39.1
    20

    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

    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

    1. 將立體的 S,Px,Py,Pz 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?