第一章第一章第一章第一章

Atoms: The Quantum World

1-1 原子模型與量子理論的雛形

上課用的課本上課用的課本上課用的課本上課用的課本

� 書名： Chemical Principles: The Quest for

Insight

� 作者：Atkins, Peter, and Loretta Jones.

� 版次： 2004 年出版，3rd ed.

� 書商：W.H. Freeman and Company

� 代理商：滄海書局。

� 參考網頁：

http://bcs.whfreeman.com/chemicalprinciples3e/

課程目標課程目標課程目標課程目標

� Chemical Principles: The Quest for Insight

� Chemical Principles：化學原理

� Quest：追求、探索

� Insight：洞悉、深刻的瞭解

� 從原子模型及量子力學原子模型及量子力學原子模型及量子力學原子模型及量子力學的觀點探索化學的現

象，包括化學鍵的形成、分子的形狀、物質的

三態及熱平衡現象。

什麼是化學什麼是化學什麼是化學什麼是化學？？？？

� 化學：

� 難道化學只是在研究「變化」的科學嗎？

� 研究「物質」的組成、結構、性質和變化的科學。

「「「「瞭解瞭解瞭解瞭解」」」」物質的組成物質的組成物質的組成物質的組成

� 組成物質的最基本單位

� 在中國

� 金、木、水、火、土

� 在希臘

� Fire(火), Earth(土), Air(空氣), and Water(水)

� 如果將某物質不斷地切小塊，越切越小，切到無法

再小時，此時物質的狀態才能稱為物質的最基本單

位。希臘人把物質的最基本單位稱為「原子」，即

為「atom」

「「「「瞭解瞭解瞭解瞭解」」」」原子的存在原子的存在原子的存在原子的存在––––撞球模型撞球模型撞球模型撞球模型

� 道耳吞（Dalton）在1808年

提出的「原子說」。他認為

原子是構成物質的最小單

位。

� 現在儀器可直接觀察，如

STM掃描穿隧顯微術

（Scanning Tunneling

Microscopy）是Gerd Binnig

和Heinrich Rohrer（1986諾

貝爾物理獎得主）於1982年

發明的。

「「「「瞭解瞭解瞭解瞭解」」」」原子的模型原子的模型原子的模型原子的模型–––– electron

� 湯姆生在1897年發現了

電子，電子electron是每

個原子中的負電部分。

� 湯姆生卻認為原子是帶

正電物質構成的均勻球

體，其中嵌入一粒一粒

的電子，俗稱葡萄乾布

丁模型。（1906諾貝爾

物理獎得主）

「「「「瞭解瞭解瞭解瞭解」」」」原子的模型原子的模型原子的模型原子的模型–––– nucleus

� 1908年拉賽福利用α粒

子直接射擊白金（鉑）

箔片，結果發現原子核

nucleus的存在，原因如

下:

� 大部分α粒子直接慣穿箔

片。

� 一些α粒子出現大角度散

射，部分α粒子甚至往反

方向散射。

古典物理的失敗古典物理的失敗古典物理的失敗古典物理的失敗

� 庫侖定律

� 同號電荷相斥，異號電

荷相吸。

� 牛頓力學

� 原子中的異電荷為了維

持穩定的狀態，必須太

陽系軌道運行。

� 電磁學

� 加速的電子將以電磁波

的形式幅射出能量

探索新的瞭解探索新的瞭解探索新的瞭解探索新的瞭解

� 牛頓力學

� Continuity:

� 能量皆可以無限制的增加

或減少

� Certainty:

� 可以準確地預測物體的所

位置及速度

� 物體的運動方式不是以粒子

方式，要不然就是以波的方

式。絕對不可能在同一物體

上同時存在著粒子與波的性

質。

� 量子力學

� Discreteness

� 能量只能以特定的大小增

加或減少

� Uncertainty

� 永遠無法同時準確地預測

物體的位置及速度

� 所有的物質包括光同時存在

著粒子與波的性質。

粒子的動力學粒子的動力學粒子的動力學粒子的動力學 (牛頓力學牛頓力學牛頓力學牛頓力學)

� 粒子的位置 position

� 決定位能大小

� 粒子的速度 velocity

� 決定動能大小

� 粒子的加速度

acceleration

� 決定速度改變的大小

光波的動力學光波的動力學光波的動力學光波的動力學

� 光波的位置 position

� 在高山上的光與在平地上

的光能量會不同嗎?

� 光波的速度 velocity

� c = 3×108 m．s-1

� 愛因斯坦在狹義相對論中

明白地指出：「光速為一

不變的常數。」

� 光波的加速度根本不存

在

� 光波的頻率 frequency

� ν (nu)

� 單位: 1Hz = 1 s-1

� 光波的波長 wavelength

� λ (lambda)

� 光波的振幅 amplitude

� A

c=λνλνλνλν = wavelength ×××× frequency

可見光的範圍可見光的範圍可見光的範圍可見光的範圍 380 ~ 750nm*

Infrared (IR)紅外線

Ultraviolet (UV)紫外線

光與能的研究光與能的研究光與能的研究光與能的研究

From “Elektronik Discussion : Main”http://homepages.paradise.net.nz/nickamy/

藉由物質與光之間的互動研究光與能量的關係藉由物質與光之間的互動研究光與能量的關係藉由物質與光之間的互動研究光與能量的關係藉由物質與光之間的互動研究光與能量的關係

Black-body Radiation

Wein’s Law

� T為物體表面絕對溫

度，單位為K

� λmax為輻射強度最大的

波長，單位為m

� C2為第二輻射常數，實

驗值為1.44×10-2 K．m

� Example 1.1

� The maximum intensity

of solor radiation occurs

at 490 nm. What is the

temperature of the

surface of the Sun?

2max5

1CT =λ

Ultraviolet Catastrophe

Planck's assumption (1900)

� The atoms in the walls as small harmonic oscillators.*

The random thermal motions of the oscillators cause the

emission of light.

� The energies of the oscillators are quantized according

to the following rule: In an oscillator of frequency ν, the

only permitted values of the energy are

***34

**

10626.6constant) s(Planck'

....3 ,2 , ,0

sJh

hhhE

⋅×=

=

−

ννν

Photoelectric Experiment

Photoelectric Interpretations

Φ= - v2

1 2νhm

e

Different Photoelectric Exp.

光的粒子性光的粒子性光的粒子性光的粒子性

� 可以把光視為粒子，稱為「photon」

� 「 photon 」的能量：E = hν

� The intensity of light is the number of photons

present.

� 光的強度

� 光波振幅

光的波動性光的波動性光的波動性光的波動性

Example 1.2

� A discharge lamp rated at 25W emits yellow

light of wavelength 580 nm. How many

photons of yellow light does the lamp

generate in 1.0 s?

光子光子光子光子photon的物理量的物理量的物理量的物理量

� Photon Energy光子能量

� E = hν

� h : Plack’s constant 6.626*10-34 J．S

� Photon Momentum 光子動量

� 粒子動量 = mv，光子根本沒質量，哪來的動量

呢？

� P = E/c = hν / νλ = h / λ

電子的波動性電子的波動性電子的波動性電子的波動性

� de Broglie Hypothesis

� 電子波動性的波長可以利用光的動量公式即

� P = h / λ �

� λ = h / P = h / mv

Davisson- Germer Experiment

Example

� 9.10938188 × 10-31kg的電子以4.2 × 10-5m/s前

進，請問其波長為何？

� 150 g的棒球以160km/hr前進，請問其波長為

何？