醫學物理 陳拓榮著 98.2.2 翻印必究 第三章原子 ( 電子與原子核 ) 3- 元素 任何的物質都是由不同元素 (element) 所組合而成 將物質切割成至最小的一塊有個性 ( 獨特的物理和化學特性 ) 的物質, 稱原子 (atom) 而原子包括位於中心的原子核 ( 帶正電 ) 和包裹在外層的電子 ( 帶負電 ). ( ) atom 的原意為?(A) 一個圓球 (B) 不能再分割 (C) 聚集一團 (D) 電子圍繞 原子是由電子 (electron) 與原子核 (nuclear) 所組成, 原子核位於原子的中央, 僅佔據整顆原子的一小小部份體積, 外層有電子繞轉的軌道 ( 電子軌域 ) 原子不帶電, 原子核帶正電, 核外的電子帶負電, 這二者的電性相反, 但電量大小相同, 所以造成中性 ( 即電量 =0) 的原子 地球的自然界有 03 個元素, 每個元素有不同個數的同位素, 有些是穩定的, 有些是不穩定的 03 個元素中約有 300 個穩定的原子核 將穩定原子核的中子數與質子數畫圖分析, 可發現穩定的原子核集中在某一曲線附近 ( 為穩定原子核, 表不穩定之原子核 ) 3
35 37 2. ( ) 天然放射性氯 (Cl) 有 Cl 及 Cl 二種, 已知原子量 =35.5 amu, 請問的天然豐度 =? (A)25% (B)43% (C)57% (D)75% 35 Cl 6 3. ( ) 有關 n/p 值的敘述, 何者有誤? (A) 穩定的 O, 其 n/p= (B) 穩定元素中, 當元素之質量數 Z>60, 則 n/p> (C) 低質量數的核種 ( 如 :A<40), 若 n/p<, 可能發生 beta decay (D) 阿伐粒子的 n/p=2 4. ( ) 請問重氫 2 H, 其 n/p=? (A) (B)2 (C)3 (D) 2 4 5. ( ) 碳 (C, 原子序 =6) 的穩定核為 C, 請預測 C 做何種 decay? (A) 阿伐衰變 (B)β + decay 或 EC (C)β - decay (D) 核融合 6. ( ) 參考上圖, 請預測 太陽 處之核種, 最可能的 decay 方式? (A)α decay (B)β - decay (C)β + 或 EC decay (D)fission 7. ( ) 參考上圖, 請預測 月亮 處之核種, 最可能的 decay 方式? (A)α decay (B)β - decay (C)β + 或 EC decay (D)fission 8. ( ) 參考上圖, 箭號 經過 6 個核種, 請問這 6 個核種是? (A)isotopes (B)isotones (C)isobars (D)isomers 4
3-2 原子模型 電子是 J.J.Thomson 發現的, 所以早期大家公認他對原子的認知, 可能是最接接近真實的原子 J.J.Thomson 的原子模型 : 葡萄布丁模型 請問 布丁 是 : 圖片來自 :http://www2.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/microworld/part2/p24 9. ( ) J.J. Thomson 的 葡萄乾布丁模型 中, 葡萄乾是指? (A) 帶正電的物質 (B) 電子 (C) 不帶電的物質 (D) 無形的電子軌道 拉賽福的原子模型 : 有 核 的模型 請敘述拉賽福如何推論他的原子模型? 左圖 : 原實驗預期右圖 : 拉賽福實際實驗發現圖片來自 :http://www.unifr.ch/physics/p2k/periodic_table/nucleus_evidence.html 90 年拉賽福在英國 Manchester 大學用 α 粒子衝擊一片薄的金箔, 他發現大部分 α 粒子都穿過金箔, 但卻有八千分之一會回跳 他比喻如用 5 吋的巨砲射擊一張薄紙, 但炮彈卻被彈跳了回來 由此簡單的觀察, 他認為原子的質量必須集中於很小且帶正電荷的原子核上, 而電子則位於遠離原子核的位置 雖然這種類似大陽系行星系統的原子模型在近年來屢經修改, 但是在今天一般人對於原子的觀念仍以類似太陽系為主 5
0. ( ) 拉賽福的原子模型是? (A) 電子帶負電 (B) 有核的原子 (C) 原子是不能再切割 (D) 原子核內帶正電的是質子. ( ) 拉塞福用金屬薄膜做阿伐粒子散射試驗發現了什麼?(A) 大部分阿伐粒子會改變他們進行的方向 (B) 大部分阿伐粒子的散射角度超過 90 (C) 推算出有原子核 (D) 原子核和電子的大小差不多 3-3 電子 一個中性的原子 ( 一般我們講原子即表示為中性 ; 若為帶電的原子, 則稱為離子 ), 其電子數目 = 原子核內的質子數目 = 原子序 =Z 個原子有 Z 個電子 ;0.5 mole 個原子有 0.5 mole Z 個電子 2 2 0.5 莫耳的 C 原子,() 共有 C 原子 ;(2) 共有電子 amu = g = g; 換言之即 莫耳 amu= 克,6.02 0 amu=g 6.02 0 mole 2 60 37 H 原子約為 amu; 個 C 原子約為 2 amu; 個 Co 原子約為 60 amu; 個 Cs 8 原子約為 37amu; 個 U 原子約為 8 amu 這主要的原因是元素符號左上角的數字, 代表中子 + 質子的數量, 而 個中子的質量 個質子的質量 amu, 且原子的質量幾乎集中在原子核, 電子的質量可忽略 個 2 C 原子約為 2 amu, 因為 6.02 0 2 amu=2g, 即 莫耳的 2 C 原子質量 =2 克 個原子質量 莫耳原子質量 4 He 2 C 60 Co 37 Cs 8 U 4 He 2 C 60 Co 37 Cs 8 U 0.5 克 2 2 C 原子,() 共有 6 C 原子 ;(2) 共有電子 60 60 0.5 克 27 Co 原子,() 共有 27 Co 原子 ;(2) 共有電子 8 8 0.5 克 92 U 原子,() 共有 92 U 原子 ;(2) 共有電子 0.5 克的水,() 共有個 H 2 O 分子 ;(2) 共有氫原子 ; (3) 共有電子 ;(4) 共有質子 ; (5) 共有中子 6
2. ( ) 請問下列何者有誤? (A) 莫耳的中子與 莫耳的質子, 其數目相同 (B) 若發生電子捕獲蛻變, 此原子隨後會有特性輻射產生 (C) 微中子質量比中子小 (D) 微中子質量和電子差不多 3. ( ) 請問一個 4 C( 原子序 =6) 原子, 其質量大約是多少 a.m.u.? (A)6 (B)8 (C)2 (D)4 4. ( ) 一個阿伐粒子的質量相當多少能量? (A)0.5 MeV (B)3724 MeV (C)93 kev (D)93 MeV 5. ( ) 關於 amu, 何者為真? (A) 是電量的單位 (B) 是 atomic mass unit 的縮寫 (C) 2 一個 C 原子的質量定義等於 amu (D) amu=3.7 0 0 Bq 6. ( ) 請問 amu =? (A) kg (B) 0 3 kg 6.02 0 6.02 0 (C) 0-3 kg (D) 0 7 kg 6.02 0 6.02 0 7. ( ) 已知 N 為亞佛加厥常數,Z 為原子序數,A 為原子量, 則 每公克 物質的 原子數 為 : (A) N/A (B) NZ/A (C)000 N/A (D)000 NZ/A 8. ( ) 已知 N 為亞佛加厥常數,Z 為原子序數,A 為原子量, 則 每公斤 物質的 電子數 為 : (A) N/A (B) NZ/A (C)000 N/A (D)000 NZ/A 9. ( ) mole 的 CO 2 (C 的原子序 =6, 原子量 =2;O 原子序 =8, 原子量 =6), 的總共有多少個 碳 原子? (A)6.02 0 (B) 6.02 0 2 (C) 6.02 0 3 (D)6.02 0 0 20. ( ) 0.5 mole 的 CO 2 分子 (C 的 Z=6,A=2;O 的 Z=8,A=6), 共有幾個電子? (A)22 3.0 0 (B)22 6.02 0 (C)44 3.0 0 (D)44 3.0 0 24 7
226 226 2.( ) 請問質量 克的 88 Ra, 有多少個 88 Ra 原子?(A) 88 6.02 0 (C) 88 6.02 0 (D) 226 226 6.02 0 6.02 0 (B) 22.( ) 下列物質中, 每克質量的電子數目以何者為最大? (A) 氫 (B) 碳 (C) 鋁 (D) 鉛 電子雲或電子軌域 : 電子繞行原子核的路徑, 可稱為電子雲或電子軌域 最內層之電子, 因距離最近, 所受電磁力也最大, 因此其束縛能 (binding energy) 也最大 一般我們將束縛越大的電子表示成負的越大能階, 束縛小的電子表示成負的小能階. ( ) 原子的電子軌域, 由內而外, 第四層稱為? (A)J (B)M (C)N (D)Z 層 不同原子的化學反應, 主要是決定於最外層的電子, 因為最外層電子在整個原子的最外圍, 最容易也最快與其它原子的最外層電子接觸到 我們的身體器官並不能區分同位素 光電作用, 光子最容易與 K 層的電作用 ; 電子捕獲反應, 原子核最容易將 K 層電子捕捉進原子核 特性輻射 : 內層的電子軌域若未填滿 ( 即有電洞 ), 則外層的電子會由外層跳渡至內層的電洞, 並釋放出特性輻射 鎢 (W,tungsten) 原子其 K 層電子的能階 ( 束縛能 ) 為 -70 kev,l 層的能階 ( 束縛 8
能 ) 為 - kev,m 層的能階 ( 束縛能 ) 為 -2.5 kev,n 層的能階 ( 束縛能 ) 為 -0.5 kev 每層填入的電子有其數量的限制, 最多 =2n 2 鎢的原子 ( 電子 ) 結構與原子能譜 請問鎢原子的 K α = K β = K γ = L α = L β = M α = 24. ( ) 有一穩定的原子, 其 K 與 L 層電子均填滿軌域,M 層有 8 個電子, 請問它是何原子? (A) 8 O (B) 8 F (C) 0 Ne (D) 8 Ar 25. ( ) 鉛的 K L M 層的電子束縛能分別為 88keV 5keV 3keV, 假如有一 95keV 的電子撞擊鉛原子, 則不會產生何種能量的特性輻射線? (A)85keV (B)80keV (C)73keV (D)2keV 26. ( ) 就 X 光譜中的特性輻射, 鎢靶釋出的 K α 能量 K β 能量 L α 能量 M β 能量, 何者最大? (A) K α 能量 (B) K β 能量 (C) L α 能量 (D) M β 能量 27. ( ) 穩定 O 6 8 原子的 L 層有幾個 電洞? (A)0 (B) (C)2 (D)4 9
3-4 原子核 原子核內有中子 (neutron) 和質子 (proton) 原子核內的 子, 稱為核子 ; 中子是核子, 質子也是核子 核子和核子間有 核力, 是種 強力 物理的世界裡共有四種力 : 強力 弱力 電磁力 萬有引力 () 在小的距離內, 約原子核大小, 任二核子間有 強力 ;(2) 弱力不討論 ;(3) 任二俱電量的物體間有 電磁力 ;(4) 任二俱質量的物體間有 萬有引力 質子數目相同的原子, 其化學或生物反應相同或極相似, 所以將 質子數目相同的原子 稱為元素 而當不同的原子, 其差別是 () 質子數目相同, 但 (2) 中子數不同, 我們稱之為同位素 A 不同的原子核表示 : Z X, 其中 X 是元素符號,A 是原子量,Z 是原子序 因為週期表上, 元素的排序, 是依質子數排列, 即原子核內質子數是 20 個者, 原子順序為第 20 號 ; 原子核內質子數是 4 個者, 原子順序為第 4 號 所以 Z 是原子序, 同樣也指出該原子的原子核內有多少個質子 相同的 A 稱為 isobars, 相同的 Z 稱為 isotopes, 相同的中子稱為 isotones 那何謂 isomers? 週期表 (periodic table): 以下需 背記 A 2A B 族 3A 4A 5A 6A 7A 8A H 氫 3 Li 鋰 Na 鈉 9K 鉀 Cs 銫 4Be 鈹 2Mg 鎂 20Ca 鈣 Sr 鍶 Ba 鋇 88Ra 鐳 27Co 鈷 42Mo 鉬 W 鑭系 74 鎢 錒系 43Tc 鎝 Au 金 5B 硼 3Al 鋁 2 6C 碳 4Si 矽 Ge 鍺 82Pb 鉛 4 7 N 氮 5P 磷 6 8O 氧 6S 硫 9F 氟 7Cl 氯 I 碘 4 2He 氦 0Ne 氖 8Ar 氬 Rn 氡 鑭系 Gd 錒系 Th 釷 92U 鈾 Cf 鉲 20
28. ( ) 關於核力, 何者錯誤? (A) 將質子與中子視為同類粒子 (B) 為短程力 (C) 是強力 (D) 中子與中子間的核力 =0 29. ( ) 關於同一個碳原子核內, 質子與中子之間, 何者錯誤? (A) 存在著強力 (B) 存在萬有引力 (C) 存在電磁力 (D) 存在核力 30. ( ) 元素符號不同, 但質量數相同的核種稱為 (A)isomer (B)isotope (C)isobar (D)isotone 3. ( ) 3 I 與 29 I, 二者是? (A)Isotones (B)Isobars (C)Isomers (D)Isotopes 32. ( ) 關於異構物 (isomer) 的躍遷, 何者為真? (A) 會放出 α 粒子 (B) 會放出 β - 粒子 (C) 會放出微中子 (D) 會放出 γ 輻射 33. ( ) isomeric transition 後, 子原子核的質子數 (Z) 及質量數 (A) 的變化 : (A)Z+,A 不變 (B)Z-,A 不變 (C)Z-,A+(D)Z 不變,A 不變 34. ( ) 鈷 -59 與鎳 -60 之關係為何?(A)isotopes (B)isobars (C)isotones (D)isomers 35. ( ) 關於鎢, 何者有誤? (A) 英文 tungsten (B) 元素符號 Wu (C) 原子序 74 (D) 熔點約 3400 36. ( ) 右圖是? (A) 核衰變能階 (B) 原子衰變能階 (C) 核融合變化能階 (D) 原子制動輻射能階 60 37.( ) 請問 mci 的 Co, 每秒鐘共釋出多少的 gamma 能量? (A)4.6 0 7 kev (B)9.3 0 7 kev (C)4.6 0 7 MeV (D)9.3 0 7 MeV 2
3-5 核子之結合能 38. ( ) 已知一個中子質量 =.0087 amu, 質子質量 =.0073 amu, 電子質量 =0.00055 24 24 amu; Na 原子質量 ( 原子量 )=.99 amu, 請計算 Na 每個平均核子的結合能 (binding energy)? (A)5. MeV (B)6. MeV (C)7. MeV (D)8. MeV 39. ( ) 已知一個中子質量 =m n amu, 質子質量 =m p amu; 某原子核質量 =A amu, 原子序 =Z, 請計算此原子的總結合能 (MeV)? (A)[Zm p +(A-Z)m n -A] 93.5 (B) 22
[Zm n +(A-Z)m p -A] 93.5 (C) [Zm p +(A-Z)m n -A] 93.5-.02 (D) [Zm p +(A-Z)m n -A] 93.5 Z 4 40. ( ) 以下何者質量最大? (A) 一個 C(Z=6) 原子核 (B)6 個質子 +8 個中子 (C)8 個質子 +6 個中子 (D)0000 個電子