LV.24 物質組成與四種基本交互作用

本關重點

20 世紀初，拉塞福（Ernest Rutherford）用 α 粒子撞擊金箔，發現大部分粒子直接穿過、少數被大角度反彈，推論原子的正電荷與質量集中在極小的中心——原子核（nucleus）。之後陸續確認：

粒子	電荷	位置	質量（相對）
質子（proton）	+1	原子核內	約 1
中子（neutron）	0	原子核內	約 1（略大於質子）
電子（electron）	−1	原子核外	約 1/1836

原子序就是質子數。原子整體電中性，是因為質子數等於電子數。

質子與中子後來被發現還有更小的組成粒子——夸克（quark）。必修只需要知道「質子、中子有內部結構」，不談夸克的種類與電荷。

法國科學家庫侖（Charles-Augustin de Coulomb）用扭秤實驗測得，兩個點電荷之間的靜電力：

寫成比例關係：F ∝ q₁q₂ / r²。這和萬有引力的形式非常像，都是平方反比。

比例練習：一個電荷變 3 倍、距離變 2 倍 → F × 3 ÷ 4 = 3F/4。

單一電荷周圍會形成電場（electric field），電場 = 單位正電荷在該處受到的力，單位是 N/C；離電荷愈遠，電場愈弱，同樣是平方反比。必修只討論單一電荷的電場，不做多個電荷的疊加計算。

原子核帶正電、電子帶負電，彼此吸引，所以電子被束縛在原子裡。原子與原子結合成分子的化學鍵，也是電子與原子核之間的電磁作用。

再往大一點看：你推牆時手感受到的正向力、鞋底與地面的摩擦力、彈簧的彈力、繩子的張力……這些「接觸力」從微觀看，都是兩物體表面原子之間的電磁排斥或吸引。所以除了重力之外，日常生活碰到的力幾乎都是電磁力的表現。

氦原子核裡有 2 個質子，相距只有約 10⁻¹⁵ m。依庫侖定律，距離這麼近，電斥力非常大，原子核為什麼沒有被撐開？

答案是強力（strong force）：質子與中子（合稱核子）之間存在比電磁力更強的吸引作用。強力有兩個特點：

自由中子（離開原子核的中子）並不穩定，平均約 15 分鐘會衰變：

中子 → 質子＋電子＋反微中子

反微中子（antineutrino）是一種電中性、幾乎不與物質作用的微小粒子。衰變前後總電荷都是 0（0 → +1 −1 0），符合電荷守恆。放出的高速電子就是 β 射線。

造成這個過程的是弱作用（weak interaction），它也是極短程的作用，強度比電磁力弱得多。要注意：電子是在衰變過程中產生的，並不是原本藏在中子裡。原子核內的中子多半可以穩定存在，並不會都在 15 分鐘內衰變。

重力最弱，為什麼卻主導宇宙？ 在氫原子中，質子與電子的靜電力約為萬有引力的 2 × 10³⁹ 倍。但天體整體近乎電中性，正負電荷的作用互相抵消；重力只有吸引、沒有排斥，質量愈大就愈累加。強力與弱作用又只在極短距離內有效。因此到了行星、恆星、星系的尺度，就由重力主導。

115 學年度學測第 14 題：以氦原子為例，比較質子間靜電力、中子間重力、質子與電子間靜電力、質子間強力的大小順序。
115 學年度學測第 16 題：選圖題——五張圖中哪一張最接近電子所受靜電力隨位置的變化。
113 學年度學測第 20 題、114 學年度學測第 26 題：基本交互作用的敘述判斷，例如接觸力的來源是電磁力、自由中子可經弱作用衰變、強力作用範圍比原子小。
112 學年度學測第 51–52 題：以鈾-238 衰變成鉛-206 的衰變鏈為情境，考 α、β 衰變與基本交互作用。

這一章的真題以短的概念題為主；本關另外用中子壽命題組與拉塞福散射題，練習讀誤差棒與從實驗結果推論模型。

物質組成與四種基本交互作用擋住了去路！共 8 題。

計時從進入每題開始，看詳解時暫停；同分比時間。