原子物理

拉塞福的原子模型、氫原子光譜、波耳的氫原子模型、物質波在波耳模型的應用、法蘭克-赫茲實驗

波耳半徑

波耳半徑 (Bohr Radius)
國立臺灣大學物理學系 簡嘉泓

丹麥物理學家波耳 (Niels Bohr, 1885-1962) 於 1913 年針對原子的內部結構提出了「波耳模型」,其中重要的假設為:

  1. 角動量的量子化:原子中電子的角動量為「約化浦朗克常數」(Reduced Planck Constant) 的整數倍,即 $$L=mvr=n\hbar$$
  2. 原子內的電子僅能存在於一系列固定的能量狀態(即能階),原子如有任何形式的能量改變,則必在兩能階之間以「躍遷」的方式進行,而由於這些能量是固定的,因此可視為電子會因持有的能量不同,而在特定的距離環繞原子核運轉。將此情形應用到氫原子上,電子在允許的最低能量所繞行氫原子核的距離,即為「波耳半徑」,如下圖中 n = 1 的部分。

電子正子對滅

電子正子對滅 (Electron-Positron Annihilation)
國立臺灣大學物理學系 陳昱璟

電子正子對滅 (Electron-positron annihilation) 是指當電子與正子(電子的反粒子)相撞時,互相消滅的過程。正子是與電子相對的反物質,帶有 +1 的單位電荷,質量與電子皆相同。

束縛能

束縛能 (Binding Energy)
國立臺灣大學物理學系碩士 蔡亦涵

就字面意思來說,「束縛」就是有把你綁住的感覺,這個束縛如果越強,你就越難掙脫,需要更多的「能量」才能脫離,而這個足以脫離束縛的能量,就叫做束縛能 (binding energy)。

自然情況下,所有物質都會自然趨向最低位能 (potential energy) 的狀態,像是地球上空中的物體會自然掉落、異性電荷會自然吸引等等,而這些「自然趨向」是因為有某種作用力要將他們綁在一起,束縛能代表就是要抵抗這個作用力的功,也就是說如果物體能夠逃離作用力的範圍,可以說這物體克服束縛而自由了。

能量的量子化 (energy quantization)

能量的量子化 (energy quantization)
國立臺灣大學應用物理博士班張智豪

對於一個在空間中運動的古典粒子來說,其能量昰連續的。可是在量子理論中,這不一定成立。能量的量子化是說,當一個粒子的活動範圍被限制在一個區域裏頭的時候,粒子的能量就是量子化的,亦即粒子的能量就只能是某些不連續的數值。(此外,粒子的能量不足以使它跑出侷限的區域 就叫做粒子是被侷限在那個區域裏頭 。)

能量的量子化是由物質雙重特性中的波的特性所造成的。在巨觀的世界裡頭, 我們可以看到,如果把波的振盪限制在兩點之間,這個波會變成駐波。而駐波的波長會被限制為 $$L=n\lambda/2$$,其中 $$L$$ 是駐波兩端盡頭之間的距離,$$\lambda$$ 是波長 ,而 $$n$$ 是任意的正整數。所以我們可以說當波被限制在兩點之間的時候,波的波長就只能是某些不連續的數值。

物質波

物質波(matter wave)
國立臺灣大學物理所陳致融

物質波又稱德布羅意波(de Broglie wave),是1923年由法國物理學家 路易‧德布羅意(Louis Victor de Broglie)提出,是指所有粒子都存在波動的特性,例如電子經過雙狹縫會干涉。而物質存在粒子與波動的特性,就是所謂的波動-粒子二相性(wave-particle duality)。

粒子性與波動性是兩個截然不同的行為,粒子性符合牛頓運動定律所描述的粒子,例如古典物理中所認知的電子、原子、棒球等等,而波動通常是一種藉由介質(群體粒子的行為)來傳遞能量的行為,例如聲波、水波;但有些波動則不需要介質傳遞能量,例如光波。最先提出二相性的看法是因為對光的研究。於1704年牛頓 (Isaac Newton)在光學這本著作中,認為光是由一群非常微小的粒子所組成,但直到楊氏雙狹縫干涉實驗以及馬克士威的波動方程式之提出,人們才從實驗與理論上奠定了光的波動性,並推翻了牛頓的微粒說。

重子

重子 (Baryon)
臺中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

圖一 重子是由三種夸克所構成

 

重子是可以發生強交互作用、電磁作用、萬有引力作用與弱交互作用的粒子,因為強交互作用常發生在原子核內,所以常見的核子如中子與質子都是一種重子。重子是由三個夸克所組成,也可以由三個夸克組成反重子。重子因為是夸克所組成,所以不能稱為基本粒子。除了質子與中子,其餘重子質量比較大,也可以被稱為超子。重子也是一種費米子,意思是相鄰兩粒子的自旋方向必須相反,遵守費米迪拉克統計的結果,形成費米迪拉克分佈以及包立不相容原理。

電子繞射 〈Electron diffraction〉

電子繞射 〈Electron diffraction〉
高雄市立高雄女子高級中學物理科蔡宗賢老師/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

藉由電子的發射,與想研究的物質起交互作用,來觀察其繞射的圖譜,進而了解物質的結構,是電子繞射技術重要的應用。這個現象的產生是因為光與粒子的二象性, 它陳述物質的粒子(例如入射的電子)也可以波動來描繪它。因為這個原因,電子也可視為像聲波與水波的波動。這電子繞射的技術與X-光與中子的繞射很類似。

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