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單元 2

學測熱門度 ★★★ 認識當前科學已知的原子、原子組 成物質及現代儀器下的原子面貌。

物質是由 原子所組成 經 (

)目前記憶體技術可達到的資料儲存密度最高為 108 byte/cm2(1byte = 1 位元組= 8 位元),但 奈米科技極可能突破此上限。例如右圖所示的 設計,鑽石表面上的氫與氟原子,可分別代表 0 與 1 位元,若奈米碳管探針頭的原子(如氮 或硼),對氫與氟原子分別具有吸引與排斥作 用力,則可據以區別 0 與 1 位元。下列與此奈 米科技有關的敘述,何者正確? (A) 氫原子的直徑大約為 10 奈米  (B) 奈米碳管探針頭的原子直徑愈大愈有利於區別 0 與 1 位元  (C) 此奈米科技預期可使資料儲存密度提高到目前最高密度的數萬倍以上  (D) 位於表面上代表 0 與 1 位元的兩種原子,其直徑愈大愈有利於提高資料儲 存密度。

【98 學測】

◎ 解題關鍵 奈米科技 答 C 解 (A) 氫原子直徑約 1 埃= 0.1 奈米。

(B) 奈米碳管探針頭的原子直徑愈小愈有利於區別 0 與 1 位元,因為若探針頭的原子太 大,會同時對兩個或兩個以上的原子有作用,就不能區別 0 與 1 位元。

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6 單元 2

(C) 設每 1 (nm)2 可儲存 1 位元 (10 - 2)2 (m)2 1 fi 每 1 (cm) 可儲存 = 1.25 × 1013 (byte) -9 2 2 × 8 (10 ) (m) 13 1.25 × 10 fi 儲存密度可增加= = 1.25 × 105(倍)。 8 10 (D) 直徑愈小才愈有利於提高資料儲存密度。 2

快 速 重 點 回 顧 1. 所有的物質,不論是固態、液態、氣態,都是由原子構成的。 2. 原子世界裡,埃(Å,10 - 8 公分)及奈米(nm,10 - 7 公分,10 埃)是常用的單位。 3. 原子由帶正電的質子和不帶電的中子構成的原子核及原子核外帶負電的電子組成,原子 的大小約為 10 - 10 公尺,原子核的大小約為 10 - 15 公尺。 4. 質量最小的原子是氫,大約為 1u,u 為原子質量單位。1u = 1.66×10 - 27(kg)。 5. 現今奈米科技的目標是對分子、原子等級的物質進行操控、設計與製造。科學家已利用 先進的技術來「看到」原子,並且已經具有「移動」原子和分子排列方式的能力。已有 部分科學研究企圖用人工排列、堆積原子和分子的方法來建造新的物質,習慣上稱為由 下而上 (bottom-up) 的方法,有別於以往從大尺度下藉由物質細分而得到小物質結構之由 上而下 (top-down) 的方式,使得基於原子和分子尺度下的奈米科技 (nanotechnolgy),就 具有蓬勃發展的空間和潛力。

題 題號前“﹡”代表多選題

(

) 1. 如果以原子為組成物質的單元,則直徑為 0.1 毫米的一粒細砂含有的原子數目約 為多少個?(選最接近的數量級) (A) 109 (B) 1012 (C) 1015 (D) 1018。 【84 推甄】

(

) 2. 科學家計畫製造一座「太空電梯」,以探測外太空與火星。支撐這座「太空電梯」 的纜繩是一束由十億條、長達十萬公里的奈米碳管所製成,每條奈米碳管含有 7.2×1017 個碳原子。試估計這束纜繩至少需要多少公斤的碳來製備? (A)0.12  (B)2.40 (C)7.20 (D)14.4 (E)28.8。

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【93 學測】

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單元 2  7

驗 題號前“﹡”代表多選題

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) 1. 若將質子與中子均視為大小相同的小球,且原子核的密度均相同,則原子量為 125 的某一原子核,其半徑約為氫原子核半徑的多少倍?(設半徑為 r 之球體體 4 πr 3) (A) 2.5 (B) 5 (C) 10 (D) 25 (E) 125。 積V= 3

(

) 2. 下圖為水的三態,試問下列何者的對應是正確的? 

   甲

   乙

(A) 甲:氣態;乙:固態;丙:液態  (B) 甲:氣態;乙:液態;丙:固態  (C) 甲:液態;乙:固態;丙:氣態  (D) 甲:液態;乙:氣態;丙:固態  (E) 甲:固態;乙:氣態;丙:液態。 3. 若 (A) 為固態分子、(B) 為液態分子、(C) 為氣態分子,則在一大氣壓下,對同一種物質 而言: (1) 分子間排列最整齊緊密的是   。 (2) 分子間作用力最小的是   。 (3) 分子間的平均距離最大的是   。 (

) 4. 英國人布朗在 1827 年觀察各種植物的花粉懸浮在水中時,發現這些浸泡在水中的 花粉會不規則的折線移動,此種移動稱為布朗運動。下列有關布朗運動的敘述, 何者正確?  (A) 由於花粉本身的熱運動而產生的雜亂運動  (B) 花粉質量比水分子大,所以水分子對花粉的作用可忽略  (C) 由花粉受到周圍雜亂運動的水分子撞擊,當其受力不平衡時所產生的運動  (D) 花粉質量愈大,其布朗運動愈明顯。

(

) 5. 分子位置可以移動,但有一定體積,沒有一定形狀的物質是何者? (A) 固態 (B) 液態 (C) 氣態 (D) 全部皆有可能。

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8 單元 2

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) 6. 下列有關「物質的粒子模型」的敘述,何者正確?(應選四項)  (A) 所謂「粒子」是指分子或原子  (B) 粒子間的作用力大小順序分別是固態>液態>氣態  (C) 溫度的微觀結果就是粒子運動的激烈程度  (D) 物質受熱時,粒子間的平均距離增加,故導致熱膨脹  (E) 在熔化期間,物質吸熱使得粒子運動的速率增大。

(

) 7. 從冰庫中取出金屬製的結冰盒子,用溼布擦拭會有被黏住的感覺,原因為何?  (A) 溼布與冰盒摩擦生熱,使水變黏  (B) 溼布與冰盒摩擦生電,兩者相吸  (C) 溼布與冰盒接觸傳熱,使水溫升高  (D) 溼布與冰盒接觸傳熱,使水結冰。

(

) 8. 下列何項不是道耳頓原子學說的內容?  (A) 一切物質都是由原子組成,原子是最基本的粒子  (B) 不同元素之原子,其質量與性質不同  (C) 原子間能以簡單整數比結合成化合物  (D) 當原子與原子結合成化合物時,有電子得失現象。

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單元 3

學測熱門度 ★★★★ 認識電子的發現、原子核的發現、 質子與中子的發現及理解質子與中 子的內在結構。

原子與原子核 的組成 經 (

)歐洲核子研究組織於 2012 年 7 月宣布探測到極可能是希格斯玻色子的新粒子, 但有待確認。希格斯玻色子是「標準模型」可預測出的一種基本粒子,是一種 不帶電荷且不穩定的粒子。根據希格斯假說,希格斯場遍佈於宇宙,有些基本 粒子因為與希格斯場交互作用而獲得質量,希格斯場就像是一池膠水,會黏著 於某些基本粒子,使粒子具有質量。假若進一步的實驗確認了希格斯玻色子的 存在,則可以支持「標準模型」的理論,也可給予希格斯假說極大的肯定,特 別是對於解釋為什麼有些基本粒子具有質量。根據上文,下列敘述哪些正確? (應選二項) (A) 希格斯玻色子是已被確認的最新一種基本粒子 (B) 希格斯 玻色子是相對論中預測必然存在的一種基本粒子 (C) 若希格斯玻色子存在, 則可用來解釋有些基本粒子何以具有質量 (D) 若希格斯玻色子經實驗證實存 在,則可支持「標準模型」的理論 (E) 標準模型所預測的希格斯玻色子具有質 量,帶有電量。

【102 學測】

◎ 解題關鍵 基本粒子的發現 答 CD 解 根據短文可知

(A) 希格斯玻色子是尚待確認的最新一種基本粒子。 (B) 希格斯玻色子是「標準模型」中,預測必然存在的一種基本粒子。 (C) 若希格斯玻色子存在,則可用來解釋有些基本粒子何以具有質量。

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10 單元 3

(D) 若希格斯玻色子經實驗證實存在,則可支持「標準模型」的理論。 (E) 標準模型所預測的希格斯玻色子具有質量,不帶有電量。

快 速 重 點 回 顧 1. 原子是由帶負電的電子和帶正電的原子核所組成。 2. 原子核是由帶正電的質子與中性的中子所構成的。 3. 質子與中子各是由三個夸克所組成的。 4. 據科學家所知,夸克與電子都不是由更小的東西所組成,所以屬於基本粒子。 5. 近來奈米科技的發展有賴於加深對原子、分子的理解,以及小尺度操控技術的進步。 6. 依據湯姆森已測得的電子荷質比及密立坎測出電子的電量,經過計算就可得電子的質量。 拉塞福確認了鐳所放出的 α 射線為氦離子 (He2+),進而與他的助手蓋革 (Hans Geiger) 帶 著學生馬士登 (Ernest Marsden) 進行 α 粒子散射的實驗。拉塞福從實驗數據推算出金原 子核的半徑應小於 10 - 14 公尺,而金原子的半徑大約 10 - 10 公尺,因此原子的半徑大約 是原子核的 104 倍,或原子的體積大約是原子核的 1012 倍。 7. 拉塞福的原子模型(有核原子模型):整個原子的質量幾乎集中於原子核,原子核帶有 正電且位於原子的中心,核外的電子被原子核的電力吸引而環繞原子核運動。

題 題號前“﹡”代表多選題

(

) 1. 目前已知原子序最大的元素是在西元 1998 年,由俄羅斯科學家利用一個鈣原子與 一個鐠原子融合而成的 289 114Unq。下列有關此最新元素的敘述,何者正確? (A) Unq 的原子序為 175      (B) Unq 的電子數目為 289 (C) Unq 原子核中有 403 個中子  (D) Unq 原子核中有 114 個質子。 【90 推甄】

(

) 2. X 2 +與 Y -都具有 18 個電子及 20 個中子,下列有關 X、Y 兩元素的敘述何者正確? (A) X 之質量數為 38       (B) 35 17 Cl 為 Y 之同位素  (C) X 2 +與 Y -為同素異形體    (D) X 和 Y 具有相同的質子數目。 【92 學測】

(

) 3. 甲、乙、丙、丁四種實驗,哪幾種實驗的結果組合後可以決定電子質量? 甲:拉塞福的 α 粒子散射實驗; 乙:湯姆森的陰極射線實驗; 丙:侖琴的X射線實驗; 丁:密立坎的油滴實驗。 (A) 甲乙丙丁 (B) 甲乙丙 (C) 乙丁 (D) 丁丙。

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【84 推甄】

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單元 3  11

驗 題號前“﹡”代表多選題

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) 1. 根據物理史,下列關於電子、中子和原子核三者被發現的先後順序,何者正確? (A) 電子、中子、原子核     (B) 中子、電子、原子核 (C) 電子、原子核、中子     (D) 原子核、電子、中子 (E) 原子核、中子、電子。

(

) 2. 下列有關拉塞福原子模型的敘述,何者正確?(應選四項) (A) 原子有核           (B) 核中包含帶正電的質子和不帶電的中子  (C) 原子質量幾乎都集中在核內   (D) 原子內大部分為真空  (E) 電子在核外環繞,類似太陽系的行星運動。

(

) 3. 下列有關原子與原子核的敘述,哪些錯誤?(應選三項) (A) 原子與原子核均為電中性  (B) 原子與原子核內皆有電子 (C) 原子與原子核的質量完全相等  (D) 原子的直徑遠大於原子核的直徑 (E) 原子與原子核均可以具有放射性。

4. (A) 夸克、(B) 晶體、(C) 原子核、(D) 原子、(E) 質子、(F) 分子,上列各物理粒子之大小, 請由大至小依序寫出。答:           。 (

) 5. 目前普遍認為質子和中子都是由被稱為 u 夸克和 d 夸克的兩類夸克組成,u 夸克 e 2e ,d 夸克帶電量為- ,e 為基本電荷,下列論斷可能正確的是 帶電量為 3 3 (A) 質子由 1 個 u 夸克和 1 個 d 夸克組成,中子由 1 個 u 夸克和 2 個 d 夸克組成 (B) 質子由 2 個 u 夸克和 1 個 d 夸克組成,中子由 1 個 u 夸克和 2 個 d 夸克組成 (C) 質子由 1 個 u 夸克和 2 個 d 夸克組成,中子由 2 個 u 夸克和 1 個 d 夸克組成 (D) 質子由 2 個 u 夸克和 1 個 d 夸克組成,中子由 1 個 u 夸克和 1 個 d 夸克組成。

(

) 6. 道耳頓認為原子是物質內部不可再被分割的最小粒子,但這個觀點被下列哪個實 驗所推翻? (A) 湯姆森的陰極射線實驗 (B) 侖琴發現 X 光 (C) 拉塞福的 α 粒 子散射實驗 (D) 愛因斯坦的光電效應。

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12 單元 3

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) 7. 已知質子由兩個上夸克及一個下夸克構成,中子由兩個下夸克及一個上夸克構成, 則對一個鈾 235 原子核

235 92

U 而言,原子核中共有上夸克 x 個、下夸克 y 個。則

x + y 為 (A)92 (B)143 (C)235 (D)327 (E)705。 (

) 8. 下列有關基本粒子的敘述,何者 錯誤 ? (A) 基本粒子為物質組成最小結構,不 可再分割 (B) 基本粒子主要分為重子與輕子兩大類 (C) 質子和中子由相同種 類基本粒子組成 (D) 電子為基本粒子中的輕子族群 (E) 原子核由質子和中子組 成,故質子和中子可稱為基本粒子。

(

) 9. 下列有關原子的敘述,何者錯誤? (A) 除了 1H 原子外,原子核內部都含有質子 與中子 (B) 環繞在原子核周遭高速運動的電子帶負電 (C) 原子失去一個電子 後,變成帶負電的陰離子 (D) 原子直徑約為 10 - 10 公尺,而原子核的直徑僅約 10 - 15 ∼ 10 - 14 公尺。

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)10. 關於人類觀測及操縱原子的技術,下列敘述何者正確?(應選三項)  (A) 人類在還無法觀測原子時,就有物質都是由原子組成的觀念了  (B) 人類在還無法觀測原子時,沒有任何證據顯示原子存在  (C) 掃描穿隧顯微鏡不但可以讓我們觀察原子,還能夠進一步排列原子  (D) 提高材料表面的溫度可以增加原子的動能,使移動原子的難度降低  (E) 原子操縱技術若用在生物分子,如 DNA,將有助於基因改造工程。

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【快攻】物理學測衝刺30天