人類智慧的見證 - 量子大躍進 壹 前言 從原子學說的發展至核子物理的誕生已過了千百年的歷史, 這些看似和人類 現今的生活毫無關聯, 但實際上卻是密不可分 一 研究動機 在科普讀物中, 我們能接觸到各種不一樣的世界, 其中以原子最為神祕與奧妙, 令人想更貼近一步, 甚至展開一段漫遊 原子世界 之旅

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1 投稿類別 : 物理類 篇名 : 人類智慧的見證 - 量子大躍進 作者 : 施沅樺 私立青年高級中學 普通科一年 693 班 指導老師 : 劉定遠老師

2 人類智慧的見證 - 量子大躍進 壹 前言 從原子學說的發展至核子物理的誕生已過了千百年的歷史, 這些看似和人類 現今的生活毫無關聯, 但實際上卻是密不可分 一 研究動機 在科普讀物中, 我們能接觸到各種不一樣的世界, 其中以原子最為神祕與奧妙, 令人想更貼近一步, 甚至展開一段漫遊 原子世界 之旅 二 研究目的 標 本文主要以探索原子的內部組成及核物理在人類活動中扮演何種角色為目 三 研究方法 本文主要透過書籍的參閱及在老師們的指導下進行研究 四 論文大綱 本文主要分為四大部分 : ( 一 ) 原子學說的建立及其發展 ( 二 ) 原子內部的探索 ( 三 ) 揭開基本粒子之謎 ( 四 ) 核子物理的應用 貳 正文 一 原子學說的建立及其發展 原子學說的概念最早能追溯到西元前五百年的古希臘, 當時的希臘哲學家 Leucippus 認為人所看見的一切皆由原子構成 在他之後陸續有許多哲學家探索 物質的性質 ; 例如 :Empedocles 首度提出四元素的觀念, 意思是地 水 火 風 2

3 人類智慧的見證 - 量子大躍進即為所謂的元素 四元素的觀念一傳就傳了千年之久, 直到了十八世紀科學家拉瓦節提出 物質經由化學處理後仍無法分割, 才能確定是原子 的觀念 ; 才使科學家漸漸接受 Leucippus 的說法 十九世紀初, 英國科學家道爾頓利用前人的理論建立現代原子學說的觀念 : 原子由不可分割的質點所組成 ; 同一元素的原子皆相同但不同元素的原子則相異 ; 兩種或兩種以上的原子結合後產生化合物 二 原子內部的探索 十九世紀中, 英國科學家克魯克斯利用真空管進行一連串的實驗, 他認為陰極射線是一種帶負電的粒子流, 而並非是電磁波 到了十九世紀末, 卡文迪西實驗室主任湯木生發現, 由陰極射線管中所發射出的射線帶有一束粒子, 且帶有負電荷 藉由此發現, 湯木生創下葡萄乾 - 布丁原子模型 電子的發現使科學家逐漸相信有小於原子的物質存在, 並且開始尋找帶有正電荷的質點 紐西蘭科學家拉塞福確認 α 粒子為氦原子核, 並經由原子衰變發射, 此舉建立現代原子模型之基礎, 但此模型卻無法解是原子的穩定性 ; 且無法說明為何特定元素的原子會產生特定的光譜 英國物理學家查兌克以氦原子核撞鈹原子核, 應證拉塞福所提出的中性物質 即為中子, 而非射線, 且中子為不帶電的粒子 中子與中子間存有作用力, 此為 日本科學家湯川秀樹所提出 三 揭開基本粒子之謎 在 1964 年, 兩個物理學家 - 膠利吉曼 ( Murray Gell-Mann) 和喬治滋威 ( George Zweig) - 各別想出了中子和質子以及所有新的粒子能被以更小物體的一些類型來說明 ; 吉曼稱它們為夸克, 他們能用夸克的三種類型 ( 現在叫使上 下和奇異 ) 和它們的反夸克說明所有所觀察到的重子和介子他們想法產生基本上改變的部分就是他們必需在每一個質子電荷中分配夸克為 2/3 和 -1/3 的電荷數 ; 這樣的電荷數從來就沒有人見過! 反夸克是夸克的反物質伙伴 ; 它們有對於相應的夸克有相同的質量但相反的電性, 當夸克遇到了反夸克, 它們可能會滅絕, 消失而變成別種類型的能量 經過三十年與許多實驗之後, 夸克的想法被證實了, 它現在是基本粒子作用力標準模型一部份, 新發現已顯示出共有六種夸克 ( 上 下 奇異 魅 頂和底, 底按重量增加排列順序 ) 像未見過的夸克分數電荷量的原因是因為夸克從未被發現是分離的, 但只有在混合粒子內叫做強子, 一共有兩種強子 : 重子, 它包括三個夸克以及輕子, 包含一個夸克和一個反夸克, 在標準模型圖解裡的樣品強子 3

4 人類智慧的見證 - 量子大躍進表中有提供許多已知粒子的一些範例, 由最先五個夸克型態所構成的粒子已經被製造出來且放在加速器中研究著, 頂夸克很重, 物理學家花了很多年並用高能加速器才製造出來,1995 年四月頂夸克終於在費米國家實驗室被發現了 相較於夸克, 任六個輕子都可能單獨地被發現, 電子是最為人所熟知的輕子, 另外兩個帶電輕子 μ 介子 ( 在 1936 年被發現 ) 和 τ 介子 ( 在 1975 年被發現 ) 不同於 電子的地方只在於它們較電子重 另外三個輕子是很難以捉摸的粒子, 叫做微中子, 它沒有電荷且質量很小, 相應於帶電輕子的每種類型都會有一種微中子的類型, 六種輕子每一個都有一 同質量與相反電性的反輕子 強作用力夸克結合在一起而成強子 ; 它的攜帶粒子很奇怪地叫做膠子, 因為 它們很成功的將夸克 " 黏 " 在一起, 把質子和中子束縛在一起形成核是剩餘強作 用力的影響, 因為它們的夸克和膠子激烈作用而構成, 輕子就沒有強作用力 弱作用力是夸克變成另一種型的夸克, 或是輕子變另一種輕子的過程, 這就是所有較重的夸克和輕子能變成較輕的夸克和輕子的原因這也是為什麼在我們周遭穩定的物質只包含電子和最輕的兩種夸克 ( 上和下 ), 弱作用力的攜帶粒子是 W 和 Z 玻色子, 原子核的 β 衰變是最先觀察到的弱作用力過程 : 在一個有足夠能量的原子核中, 中子變成質子而放出電子和反電子微中子, 這個衰變改變了核的原子數,β 射線就是脫出電子的名字 四 核子物理的應用 ( 一 ) 放射性物質的發展 西元 1895 年, 侖琴利用陰極射線管實驗紫外線的放射 當光線射在亞鉑氰 化鋇結晶體上時, 結晶體吸收紫外線, 放射自己的光線 此光線即為 X 射線, 在 醫學 牙科等領域廣泛被運用 西元 1898 年, 居禮夫婦發現釙 西元 1899 年, 他們發現鐳, 並且確定鐳的放射性是鈾的一百萬倍 居禮夫人首創 放射性 一詞, 放射性 物質的確立對日後的科學家影響頗深, 特別是在研究原子結構的過程裡, 它如鐵鍊中的一環, 與這項研究未來的發展環環相扣 假使它沒有在關鍵性的一刻被挖掘出來, 查兌克恐怕也無法順利地尋找出中子的存在, 更別提夸克的出現了 4

5 ( 二 ) 核子醫學掃描檢查 人類智慧的見證 - 量子大躍進 核子醫學掃描檢查是利用不穩定的核子標記在診斷用藥劑上, 經過特殊處理, 做成各式各樣的試藥 然後, 把這些試藥注射到病人體內, 或是讓病人口服吸收, 依據各種試劑不同的特性, 分佈到某些特定的器官, 例如心臟 骨骼或甲狀腺或病變組織 之後, 這些不穩定的核子, 即可放射出極微量的加瑪射線, 這些微量的加瑪射線是對人體無害的 我們可以利用強而有力的儀器照像, 看看這些試藥在各器官內如何分佈, 並且和正常人的影像比較, 從中判斷病人究竟患了什麼病 核子醫學掃描檢查應用的加瑪線很類似 X 射線, 但是儀器很敏感, 因此使用 的放射劑量很低, 病人做一次核子醫學掃描所曝露到的放射線劑量, 大概與一般 胸部腹部的 X 光照像所受的放射線一樣 ( 三 ) 核子醫學的臨床使用 : 1 腫瘤掃描 : 主要應用於腫瘤位置的偵測 區別良性或惡性腫瘤 2 骨骼掃描: 用於癌細胞轉移至骨骼的偵測 乳癌 攝護腺癌 肺癌, 鼻咽癌是易於骨骼轉移的惡性腫瘤, 可應用全身骨骼掃偵測癌細胞有否骼轉移 另外其他良性骨骼病變如骨髓炎 骨骼壞死 關節炎 骨折 等, 亦可用骨骼掃描來診斷 3 心臟掃描: 主要用於偵測心臟功能是否異常 由於某些治療癌症的化學藥物對心臟具有毒性, 所以在此類化學藥物使用的前後可以用心臟掃描來評估心臟功能是否受損 另外心肌灌注掃描可用於診斷缺氧性心臟病 ( 如心肌梗塞 ) 4 腎臟掃描 : 偵測是否有腎功能異常 化學藥物引起腎毒 高血壓 等 5 肝臟掃描 : 偵測是否有肝腫瘤 血管瘤 肝硬化 膽道阻塞 等病變 6 消化道掃描 : 偵測消化道出血 食道蠕動異常 胃排空異常 等病變 7 內分泌掃描 : 偵測甲狀腺 副甲狀腺 腎上腺 等病變 8 甲狀腺癌掃描及治療 : 利用低劑量碘 -131 來偵測手術後殘餘甲狀腺組織及轉 移性病變 若有殘餘甲狀腺組織或轉移性病變, 則可 5

6 人類智慧的見證 - 量子大躍進 用高劑量碘 -131 來消除餘甲狀腺組織或轉移的癌細 胞 9 發炎掃描 : 全身偵測發炎病灶的位置 10 腦部掃描 : 偵測腦瘤 腦中風 癲間 癡呆 等病變 11 骨骼轉移疼痛治療 : 可對惡性腫瘤轉移至骨骼所引發的疼痛進行緩解性的治 療 參 結論 從原子的內部探索過程中我們可以得知 ; 電子 質子 中子等粒子的發現是人類在科學史上的一大進步 沒錯, 原子的發現確實如同 J G Feiberg 所說的 ; 它是人類智慧的見證, 但它也可能成為人類愚蠢的墓碑 二戰期間, 在日本所投下的原子彈就是一個例子, 它證實愛因斯坦的預言 : 不管戰爭或和平它都與我們同在 假使人類運用得恰當, 核子物理就能如天使般的造福人群, 但假使人類仍妄想以它運用於戰爭上, 那它就會如死神般控制住人們的生與死 我們雖然無法預測未來, 但我們依然能盡力的加以防範, 別讓人類一時的不理智而給這個世界帶來了毀滅性的效應 肆 引註資料 1 David Eloit Brody,Arnold R.Brody(1999) 發現科現 - 七大科學理論與研 究大師 台北市 : 先覺 2 楊建鄴, 李繼宏 (2003) 走向微觀世界 - 從湯木生到蓋爾曼 台北市 : 世潮 3 Robert Gilmore(2002) 夸克仙蹤 台北市 : 天下文化 4 Lee Smolin(2003) 量子重力 台北市 : 天下文化 5 林清涼 (2003) 啟發性物理學近代物理 台北市 : 五南 6 粒子冒險奇境 擷取日期 :2013/2/13 取自網址 : 6

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6 2012 8476你猜得到它是什麼嗎 它就是 高分子! 生活中的高分子 有種物質的重要性不亞於我們所呼吸的空氣, 不管身在何處, 都有它的存在, 它甚至就隱藏在人體裡面! 人類若失去了它, 就得回到遠古時代, 甚至可能終止生命 高分子是什麼 高分子是由千個 甚至萬個以上的原子所組成, 呈現柔軟的特性 日常生活中使用的塑膠袋就是由高分子製造的, 人體組成中的 DNA 也是一種高分子 2012 8476

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