量子力學(10 point)

分子是能單獨存在、並保持純物質的化學性質的最小粒子。

一個分子是由多個原子在共價鍵中透過共用電子連接一起而形成。它可以由相同化學元素的原子組成，如氧氣 O2；也可以是不同的元素，如水分子 H2O。抽象地，一個單一原子也可當作是一分子（單原子分子），但在實際使用時，「分子」指的通常是多個原子的化學化合物。


同一分子的不同畫法。左、中圖為立體模型，右圖為平面表示。（左）黑、白色球體分別代表碳、氫原子，球體間的柱體表示化學鍵。模型被一團雲包圍，代表著分子的表面，紅、藍色分別代表正、負電。（中）與左圖相似。淺藍、白色球體分別代表碳、氫原子，柱體表示化學鍵。（右）這種利用化學符號和直線來表示分子結構的畫法稱為結構式。
原子在某一元素的分子內的數目叫作該元素的原子數。

在氣體元素中，氫（H2）、氮（N2）、氧（O2）、氟（F2）和氯（Cl2）的原子數是2。稀有氣體（如氬 Ar）是1。固體元素中，黃磷（P4）原子數是4，硫（S8）的是8。所以，氬（Ar）是單原子，氧氣（O2）是雙原子的，臭氧（O3）則是三原子的。

由分子組成的物質叫分子化合物。

大部分的分子太細小，無法用肉眼看見，但也有例外，如DNA——高分子化合物的一種。


實驗式
分子的一個特徵就是組成化合物的元素比例總是整數。例如，純水中氫和氧的比例總是2:1，乙醇中碳、氫、和氧總是以2:6:1的比例組合。利用各種元素的比例和化學符號就可以組成分子的實驗式。但是單憑實驗式是無法決定分子的類別——如乙烯的實驗式就與丙烯一樣（同是CH2），儘管這兩個分子的原子數或質量都不同。


化學式
要反映分子中各種原子的真實數量，就要利用化學式。例如乙烯和丙烯的化學式分別為C2H4和C3H6。

但化學式相同並不代表兩個分子是一樣的物質，因為分子中原子的排列和組合，亦即分子的結構，也是決定分子性質的要素。同樣的原子但排列不同的分子叫同分異構體。同分異構體有同一化學公式但因不同結構的關係有不同的特質。立體異構體是一種特別的異構體，它們可以有很相似的物理及化學性質，而同時有十分不同的生物化學性質。

由量子力學的定律的演算，分子有固定的平衡幾何狀態——鍵的長度和之間的角度。純物質都是由相同幾何結構的分子組合而成的。分子的化學式和結構是決定它的特質，尤其是它的化學活性的兩要素。

取自"http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E5%88%86%E5%AD%90&variant=zh-tw"


原子(希臘語為 άτομος 或 átomos 解作「不可見」)，是化學元素最小組成單元，是組成分子和物質的基本單元，它具有該元素的化學性質。原子由帶正電荷的原子核和在原子核的庫侖場中運動的帶負電的電子組成。核電荷數或原子序數Z，是組成原子核的質子數。原子是非常微小的粒子。假設原子是球體的話，典型原子的直徑大約是10-8厘米， 質量大約是10-23克。

原子的概念最初是由英國化學家約翰·道爾頓提出的。1803年他發表「原子說」，提出所有物質都是由原子構成。


原子的構成
原子的中心是一個微小的由核子(質子和中子)組成的原子核，佔據了整個原子的絕大部分質量。原子核中的質子和中子緊密地堆在一起，因此原子核的密度很大。質子和中子的質量大致相等，中子略高一些。質子帶正電荷，中子不帶電荷，是電中性的。所以整個原子核是帶正電荷的。原子核即使和原子相比，還是非常細小的——比原子要小100,000倍。原子的大小主要是由最外電子層的大小所決定的。如有原子是一個足球場，那原子核就是場中央的一顆綠豆。所以原子幾乎是空的，被電子佔據著。

電子是帶負電荷的。它們遠比質子和中子輕，質量只有質子的約1/1836。它們高速地圍著原子核運轉。電子圍繞原子核的軌道並不都一樣。它們在一些叫電子層的區域內圍著原子核轉，那些最接近原子核的在一層，遠一些的又在另外一層。每一層都有一個數字。最內層的是層1，外一層的是層2，如此類推。每一層都可以容納一個最高限量數的電子數目，層1可容納兩個，層2八個，層3十八個，層4三十二個，越往外層可容納的電子就越多。若設層數為n，則第n層可容納電子數為2n2個。最外層電子不大於8個，最接近最外層的電子層不大於十八個，但也有特例。

在一顆電中性的原子中，質子和電子的數目是一樣的。另一方面，中子的數目不一定等於質子的數目。帶電荷的原子叫離子。電子數目比質子小的原子帶正電荷，叫陽離子。相反的原子帶負電荷，叫陰離子。金屬元素最外層電子一般小於四個，在反應中易失去電子，趨向達到穩定的結構，成為陽離子。非金屬元素最外層電子一般多於四個，在化學反應中易得到電子，趨向達到穩定的結構，成為陰離子。

原子序決定了該原子是那個族或那類元素。例如，碳原子是那些有6顆質子的原子。所有相同原子序的原子在很多物理性質都是一樣的，所顯示的化學反應都一樣。質子和中子數目的總和叫質量數。中子的數目對該原子的元素並沒有任何影響 —— 在同一元素中，有不同的成員，每個的原子序是一樣的，但質量數都不同。這些成員叫同位素。元素的名字是用它的元素名稱緊隨著質量數來表示，如碳14(每個原子中含有6個質子和8個中子)

只有94種原子是天然存在的(其餘的都是在實驗室中人工製造的) 每種原子都有一個名稱，每個名稱都有一個縮寫。俄國化學家門捷列夫根據不同原子的化學性質將它們排列在一張表中，這就是元素周期表。為紀念門捷列夫，第101號元素被命名為鍆

狹義相對論

1905年可算是愛因斯坦畢生中最重要的一年。他將花了六個月時間的論文寄到德國著名物理雜誌【物理年報】 (Annalen der Physik) 。這篇革命性的文章，解決了物理學界爭論不已的謎題(有關當時科學界的謎題背景，請按這裏)。他證明了光與物質一樣，也是由粒子組成，這就是光“量子”(quanta)假說。他指出，光可視為不連續、個別的能量粒子。在此數年之前，普朗克(Max Planck)已經提出了能量的不連續性。

愛因斯坦深信物質是由原子組成(當時原子假說仍未被證實)，而且，他也是統計力學的擁護者。這門學問稱為力學，是因為它利用牛頓定律來描述原子的運動；又因為它不研究個別原子的運動，而是研宄全體原子，或它們平均運動所造成的效應，因此它也是統計學。

在麥克斯韋統計力學中，能量都扮演著重要的角色。愛因斯坦由此獲得靈感，他想到可以利用統計方法，來研究受熱物體以何種方式把能量轉換成光的能量。
他發現只有假設光能是由顆粒或「光粒子」組成，這種能量轉換才能合理解釋。他把這種顆粒命名為「光量子」(photon) 。光能是不連續的，就如同物質一般。最後，他結論出光不只是個連續波，也具有原子的不連續特性。愛因斯坦形容光是種特別的物質，它不能單從邏輯二分法來分析。

同年五月，愛因斯坦再寄出第二份論文。當時，(氣體)動力論(Kinetic Theory)解釋了原子的不休止震動。愛因斯坦在文章中提出嘗試將動力論應用到實驗中。他指出，當極細小但可見的粒子懸浮在一液體中時，可見粒子(較大的粒子)會被不可見粒子(較細小的粒子)撞擊，至使可見的懸浮粒子產生不規則運動。情況就好像中學常見的科學實驗(在顯微鏡下觀察煙的粒子運動－稱為布朗運動(Brownian Movement) 。在這一篇論文中他解釋了運動的原因。

愛因斯坦的第三篇論文是關於電磁埸學及物體運動。自伽利略時代開始，物理學家已知道實驗室內的測量方法無法分?靜止與沿直線恒速運動的兩種力學過程。由伽利略及牛頓等發展的古典力學中，提及到靜止的物體與沿直線恒速運動的物體在力學角度來說都時一樣，這就是古典力學中的相對性原理(Principle of Relativity) 。

如果跟據麥克斯韋的說法，光存在源自以太的掁動，又怎能說以太不存在？愛因斯坦的說法很簡單，光就是光，不源自以太或其他介質的掁動。

那麼如何定義光？愛因斯坦決定用麥克斯韋理論導的結論做為原理。這結論宣稱，不論觀察者如何運動，他測到的光速都是一個定值，若以c表示，則c約等於每秒三十萬公里(300000000 m /s )。如果我們相信光是在絕對靜止的以太中所產生的波的運動，那麼這個結論就會與相對性原理有所衝突，因為根據相對性原理，波的速度會隨著觀測者的速度而已變。愛因斯坦過人之處就是在於廢除光是以太中的波動的說法。

假定以太不存在，捨棄光是以太波動的理論，有辦法從這個基礎來重建物理學嗎？是否需要保存相對性原理？愛因斯坦回答：是的。因為既然假定絕對靜止的以太消失，就沒有任何理論牴觸相對性原理了。

但如果根據麥克斯韋所發展的電磁學說，光應該遵從古典力學的相對性原理。如此一來，這套學說所測出的光速應根據光源的速度而產生變化。但長期的實驗都測得無論光源的速度為何，光速都是不變的。物理學家一直對此深感煩惱，因為若要接受實驗所測得的結果（光速是不變），必須放棄他們一直忠信的相對性原理。究竟是相對性原理不對，還是相對性原理不能應用於電磁波上？

愛因斯坦深信，古典力學的相對性原理必能應用於任何方面，無論是力學運動，或是電磁波。正如愛因斯坦所說，要協調仿似互不相容的理論和事實，最根本的方法就是對時間的概念持較革新的看法。這套稱為狹義相對論的理論，透過嶄新的方法分析時間和空間。　

這套震撼性的狹義相對論提出:若物體放射出能量，其本身的質量必減少，而減少的量與放出的能量成正比。這可用著名的方程式E= mc2次方 ，亦即光能與質量互換。在這裏，E代表能量，m代表物構成物質的粒子，大小尺度約為10^ -9-10^ -10。原子由原子核和包圍著原子核的電子組成。極小的原子核包含了原子絕大部分質量，由帶正電的質子和電中性的中子構成。外圍的電子帶負電，並在固定的能階下繞原子核運動。在原子中，質子的數目等於電子的數目，兩者的電荷在數量上相等，但正負相反，所以原子整體上是電中性的。原子中質子的數目(即原子數) 決定該原子所屬的元素。

原子，是化學元素最小組成單元，是組成分子和物質的基本單元，它具有該元素的化學性質。原子由帶正電荷的原子核和在原子核的庫侖場中運動的帶負電的電子組成。核電荷數或原子序數Z，是組成原子核的質子數。原子是非常微小的粒子。假設原子是球體的話，典型原子的直徑大約是10-8厘米， 質量大約是10-23克。

原子的概念最初是由英國化學家約翰·道爾頓提出的。1803年他發表「原子說」，提出所有物質都是由原子構成。


原子的構成
原子的中心是一個微小的由核子(質子和中子)組成的原子核，佔據了整個原子的絕大部分質量。原子核中的質子和中子緊密地堆在一起，因此原子核的密度很大。質子和中子的質量大至相等，中子略高一些。質子帶正電荷，中子不帶電荷，是電中性的。所以整個原子核是帶正電荷的。原子核即使和原子相比，還是非常細小的——比原子要小100,000倍。原子的大小主要是由最外電子層的大小所決定的。如有原子是一個足球場，那原子核就是場中央的一顆綠豆。所以原子幾乎是空的，被電子佔據著。

電子是帶負電荷的。它們遠比質子和中子輕，質量只有質子的約1/1836。它們高速地圍著原子核運轉。電子圍繞原子核的軌道並不都一樣。它們在一些叫電子層的區域內圍著原子核轉，那些最接近原子核的在一層，遠一些的又在另外一層。每一層都有一個數字。最內層的是層1，外一層的是層2，如此類推。每一層都可以容納一個最高限量數的電子數目，層1可容納兩個，層2八個，層3十八個，層4三十二個，越往外層可容納的電子就越多。若設層數為n，則第n層可容納電子數為2n2個。最外層電子不大於8個，最接近最外層的電子層不大於十八個，但也有特例。

在一顆電中性的原子中，質子和電子的數目是一樣的。另一方面，中子的數目不一定等於質子的數目。帶電荷的原子叫離子。電子數目比質子小的原子帶正電荷，叫陽離子。相反的原子帶負電荷，叫陰離子。金屬元素最外層電子一般小於四個，在反應中易失去電子，趨向達到穩定的結構，成為陽離子。非金屬元素最外層電子一般多於四個，在化學反應中易得到電子，趨向達到穩定的結構，成為陰離子。

原子序決定了該原子是那個族或那類元素。例如，碳原子是那些有6顆質子的原子。所有相同原子序的原子在很多物理性質都是一樣的，所顯示的化學反應都一樣。質子和中子數目的總和叫質量數。中子的數目對該原子的元素並沒有任何影響 —— 在同一元素中，有不同的成員，每個的原子序是一樣的，但質量數都不同。這些成員叫同位素。元素的名字是用它的元素名稱緊隨著質量數來表示，如碳14(每個原子中含有6個質子和8個中子)

只有94種原子是天然存在的(其餘的都是在實驗室中人工製造的) 每種原子都有一個名稱，每個名稱都有一個縮寫。俄國化學家門捷列夫根據不同原子的化學性質將它們排列在一張表中，這就是元素周期表。為紀念門捷列夫，第101號元素被命名為鍆。


原子結構發展史
前400年，希臘哲學家德謨克列特提出原子的概念。
1803年，英國物理學家約翰·道爾頓提出原子說。
1833年，英國物理學家法拉第提出法拉第電解定律，表明原子帶電，且電可能以不連續的粒子存在。
1874年，司通內建議電解過程被交換的粒子叫做電子。
1879年，克魯克斯從放電管(高電壓低氣壓的真空管)中發現陰極射線。
1886年，哥德斯坦從放電管中發現陽極射線。
1897年，英國物理學家湯姆生證實陰極射線即陰極材料上釋放出的高速電子流,並測量出電子的荷質比。e/m=1.7588×108 庫侖/克
1909年，美國物理學家密立根的油滴實驗測出電子之帶電量,並強化了「電子是粒子」的概念。
1911年，英國物理學家盧瑟福的α粒子散射實驗，發現原子有核，且原子核帶正電、質量極大、體積很小。其條利用(粒子(即氦核)來撞擊金箔，發現大部分(99.9％)粒子直穿金箔，其中少數成大角度偏折，甚至極少數被反向折回(十萬分之一)。
1913年，英國物理學家莫塞萊分析了元素的X射線標識譜，建立原子序數的概念。
1913年，湯姆生之質譜儀測量質量數 , 並發現同位素。
1919年，拉塞褔發現質子。其利用α粒子撞擊氮原子核與發現質子，接著又用α粒子撞擊棚 (B) 、氟 (F) 、鋁 (A1) 、磷 (P) 核等也都能產生質子,故推論「質子」為元素之原子核共有成分。
1932年，英國物理學家查德威克利用α粒子撞擊鈹原子核，發現了中子。
1935年，日本物理學家湯川秀樹建立了介子理論。 體質量，c代表光速

分子
分子是能單獨存在、並保持純物質的化學性質的最小粒子。

一個分子是由多個原子(atom)在共價鍵(covalent bond)中透過共用電子連接一起而形成。它可以由相同化學元素的原子組成，如氧氣 O2；也可以是不同的元素，如水分子 H2O。由分子組成的物質有水、大多數有機化合物、球蛋白和病毒等。非分子組成的物質有金屬、離子合成物似及金剛石等。