科學：小學教師指南/物質的構成
物質是宇宙的原材料。恆星、行星、山脈、海洋和大氣層都是由物質構成的。植物和動物也是如此——包括人類以及我們生產的每一件物質東西。令人驚奇的是，這種巨大的多樣性是由有限數量的化學元素以簡單、明確的方式結合而成的。
物質可以存在於以下三種狀態中的任何一種：固態、液態或氣態。
- 固體可以是硬的或軟的，但它們具有確定的尺寸和形狀，一些例子是岩石、棉花或木材。
- 液體，如水，具有確定的尺寸，但沒有確定的形狀，因此它會呈現出容器的形狀。
- 氣體，既沒有確定的尺寸，也沒有確定的形狀。它會呈現出容器的尺寸和形狀。
大多數物質在必要溫度下可以從一種狀態變為另一種狀態，但水是唯一一種在自然界中以三種狀態存在的常見物質。
物質的物理性質包括質地、外觀、氣味、顏色、沸點、熔點、溶解度、密度、極性和其他性質。這些物理性質描述了前面提到的三種物質狀態的觀察結果。
內聚力是指分子之間相互吸引，水分子由於能夠彼此形成氫鍵，所以具有很強的內聚力。固體的分子比液體的分子具有更強的內聚吸引力。
附著力是指大多數物質的分子也對某些其他物質的分子具有吸引力。水分子與許多其他材料具有附著力，例如木材和玻璃，如果水與它們接觸，它們會使這些表面變溼。
關於原子的基本事實是，它由三種基本亞原子粒子構成：1）電子（負電荷），它們圍繞包含 2）質子（正電荷）和 3）中子（中性電荷）的原子核旋轉。通常，質子和電子的數量相互平衡，使原子具有電中性。最遠離原子核的電子（價電子）是最容易與其他原子共享或轉移到其他原子的電子。缺失一個電子或共享一個額外電子的原子被稱為離子，它們很容易與其他離子結合形成分子。
原子中質子的數量稱為原子序數。這個數字決定了原子的元素。在一種元素中，中子的數量可能不同，從而產生不同的同位素或核素。在大多數情況下，這不會影響原子的電學和化學行為。（同位素的質量是一個例外，因為較重的同位素往往比較輕的同位素反應更慢。）有些因素會影響原子核中質子和中子的數量，包括核裂變、核聚變和放射性衰變。然而，通常情況下，電子的數量是最容易改變的粒子，因為它具有較低的鍵能。
傳統上，原子被描繪成一種微型太陽系。現在，科學家已經瞭解到，如果我們能看到原子，它看起來更像是一團模糊的小云。事實上，科學家只能用機率論來預測電子在其殼層中可能在哪裡：不能同時確定電子的確切位置和動量。
一個彩色圖展示了原子、中子、質子和電子的相對大小。圖 1. 原子尺度。版權 質子和中子的質量大致相同；然而，電子的質量輕 1000 多倍。我們談論的是多小？好吧，如圖 1 所示，我們說的是非常非常小。
原子 = 1 x 10-10 米 原子核 = 1 x 10-15 到 1 x 10-14 米 中子或質子 = 1 x 10-15 米 電子 - 未知確切值，但據信約為 1 x 10-18 米 原子可以分解成幾個更小的亞原子粒子。其中三個主要粒子是質子和中子，它們存在於原子核或原子核心中，以及電子，它們存在於原子核之外。物理學家最近將原子細分為更小的亞原子粒子，如費米子（夸克、輕子、中微子、電子）和玻色子（膠子、光子、引力子）。很難（如果不是不可能）根據其包含的夸克和輕子數量來確定事物的物理性質。我們在這個世界中看到的東西（水、木材、金屬、皮膚、牙齒）最好透過使用它們原子（和分子）中包含的質子、中子和電子數量來理解和組織
構成物質的基本構成要素稱為原子。有時，兩個或多個原子結合在一起形成一個分子。分子是物質的一個微小部分，它仍然具有該物質的所有性質。原子很小，但當它們的能量釋放時，它們的能量會撞擊在一起。原子由三種粒子組成：質子、中子和電子。質子和中子形成原子中心的原子核。質子帶正電荷，中子帶中性電荷。電子帶負電荷，可以在原子核外部的殼層中找到。幾乎所有原子都具有與質子數量相同的電子數量，這使得原子呈中性。負電荷吸引正電荷。正電荷會排斥另一個正電荷，同樣，負電荷也會排斥另一個負電荷（異性相吸）。
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原子核 原子核是原子中心由質子和中子組成的緻密區域。原子核也環繞著電子雲。原子核的直徑在 1.6 fm 到約 1.5 fm 之間。
質子是自旋為 1/2 的費米子，由三個價夸克組成，[6] 這使得它們成為重子（強子的一種亞型）。質子的兩個上夸克和一個下夸克透過膠子介導的強力結合在一起。[7]：21–22 現代觀點認為質子由價夸克（上、上、下）、膠子和瞬態的“海夸克”對組成。質子的大致呈指數衰減的正電荷分佈，平均平方半徑約為 0.8 fm。[8]
質子和中子都是核子，它們可以透過核力結合在一起形成原子核。最常見的氫同位素（化學符號為“H”）的原子核是一個質子。重氫同位素氘和氚的原子核分別包含一個質子和一箇中子以及一個質子和兩個中子。所有其他型別的原子核都是由兩個或多個質子和不同數量的中子組成的。
中子是一種亞原子粒子，符號為 n 或 n0，沒有淨電荷，質量略大於質子。質子和中子，每個質量約為一個原子質量單位，構成了原子的原子核，它們統稱為核子。[5] 它們的性質和相互作用由核物理學描述。
原子核由 Z 個質子組成，其中 Z 稱為原子序數，以及 N 箇中子組成，其中 N 稱為中子數。原子序數定義了原子的化學性質，中子數決定了同位素或核素。[6] 同位素和核素這兩個術語經常被互換使用，但它們分別是化學和核概念。原子質量數，符號為 A，等於 Z+N。例如，碳的原子序數為 6，其豐富的碳-12 同位素有 6 箇中子，而其稀有的碳-13 同位素有 7 箇中子。一些元素在自然界中只存在一個穩定的同位素，例如氟。其他元素存在許多穩定的同位素，例如錫，它有十個穩定的同位素。儘管它不是化學元素，但中子也被列入核素表。[7]
在原子核中，質子和中子透過核力結合在一起，中子對於原子核的穩定性是必不可少的。中子在核裂變和核聚變中大量產生。它們是恆星內部透過裂變、聚變和中子俘獲過程進行的化學元素核合成的主要貢獻者。
中子對於核能的生產至關重要。在中子於 1932 年被發現後的十年裡，[8] 中子被用來誘導許多不同型別的核轉化。隨著 1938 年核裂變的發現，[9] 人們很快意識到，如果裂變事件產生了中子，那麼這些中子中的每一個都可能導致進一步的裂變事件，等等，在一個被稱為核鏈反應的級聯中。[6] 這些事件和發現導致了第一個自持核反應堆（芝加哥堆-1，1942）和第一個核武器（三位一體，1945）的出現。
自由中子，或脫離原子核的單箇中子，實際上是一種電離輻射形式，因此，根據劑量，它們是一種生物危害。[6] 地球上存在少量天然的“中子本底”通量，由宇宙射線淋浴和地球地殼中自發裂變元素的自然放射性引起。[10] 專用中子源，如中子發生器、研究反應堆和散裂源，產生用於輻照和中子散射實驗的自由中子。
電子是亞原子粒子，符號為 e− 或 β−，帶負基本電荷。[8] 電子屬於輕子粒子家族的第一代，[9] 通常被認為是基本粒子，因為它們沒有已知的成分或亞結構。[1] 電子的質量大約是質子的 1/1836。[10] 電子的量子力學性質包括一個半整數值的固有角動量（自旋），以約化普朗克常數 ħ 為單位表示。由於它是一個費米子，根據泡利不相容原理，沒有兩個電子可以佔據相同的量子態。[9] 像所有物質一樣，電子具有粒子和波的性質：它們可以與其他粒子碰撞，也可以像光一樣發生衍射。與中子和質子等其他粒子相比，電子的波動性質更容易透過實驗觀察到，因為電子的質量更小，因此對於給定能量，德布羅意波長更長。
電子在許多物理現象中起著至關重要的作用，例如電、磁和熱導率，它們也參與萬有引力、電磁和弱相互作用。[11] 由於電子帶電，因此它周圍存在電場，如果電子相對於觀察者運動，它將產生磁場。由其他來源（非自產）產生的電磁場將根據洛倫茲力定律影響電子的運動。當電子加速時，它們會以光子的形式輻射或吸收能量。實驗室儀器能夠透過使用電磁場來捕獲單個電子以及電子等離子體。專用望遠鏡可以探測外太空的電子等離子體。電子參與了許多應用，例如電子學、焊接、陰極射線管、電子顯微鏡、放射治療、雷射、氣體電離探測器和粒子加速器。
涉及電子與其他亞原子粒子的相互作用在化學和核物理等領域備受關注。原子核內正質子與核外負電子之間的庫侖力相互作用，使兩者構成我們所知的原子。電離或負電子與正核比例的差異會改變原子體系的結合能。兩個或多個原子之間電子的交換或共享是化學鍵合的主要原因。[12] 1838 年，英國自然哲學家理查德·萊明首先假設了不可分割的電荷量概念來解釋原子的化學性質。[3] 愛爾蘭物理學家喬治·約翰斯通·斯通尼在 1891 年將這種電荷命名為“電子”，J. J. 湯姆遜及其英國物理學家團隊在 1897 年將其識別為粒子。[5][13][14] 電子也可以參與核反應，例如恆星中的核合成，在那裡它們被稱為貝塔粒子。電子可以透過放射性同位素的貝塔衰變和高能碰撞產生，例如宇宙射線進入大氣時。電子的反粒子被稱為正電子；它與電子相同，只是它攜帶相反的電荷和其他電荷。當一個電子與一個正電子碰撞時，這兩個粒子都可以完全湮滅，產生伽馬射線光子。