拉塞福的原子核(下)

化學原理啟迪9

徐弘毅：

1.       拉塞福能夠發現原子核，原因是前人奠定了基礎。亨利貝克勒和瑪麗居禮等人發現放射性元素，然後，拉塞福個人再花時間研究，了解α粒子的特性，才知道要用α粒子為探測原子的工具。

2.       拉塞福能夠發現原子核，原因是前人奠定了基礎。湯姆生已經建立原子結構的基本理論，原子是中性的，由正電粒子與負電粒子組成，正電粒子散布在負電粒子中，就像葡萄布丁那樣；拉塞福的工作就是，設計實驗來檢驗這個理論是正確的？還是錯誤的？結果發現原子結構模型需要修正。

3.       拉塞福能夠發現原子核，原因是前人奠定了基礎。拉塞福能夠從實驗結果想像出原子核的存在，這個想法違背平常習慣的「同性相斥」原則(正電粒子凝聚在一起)，但是卻符合粒子/物質在空間中的物理活動結果，怎麼做選擇呢？要從中做出正確的取捨，需要有相當好的邏輯思考能力，建立西方邏輯思考基礎的前輩是柏拉圖等哲學家。

4.       公元前7世紀至公元前6世紀，古希臘的哲學起源於名城米利都。這座位於愛奧尼亞海岸的城市，因聚集著一群醉心於哲學思索的智者而遠近聞名。泰勒斯，則是這群人中最傑出的一位。

5.       泰勒斯認為「萬物皆由水構成」，由此，揭開了自然哲學的幕布，他還熱衷於天文及幾何研究，他是西方世界第一個測定了冬至、夏至的節氣，並把一年分為365天。

6.       有人問泰勒斯：「你認為人活在這世界上，什麼事情是最困難的？」泰勒斯回答說：「認識你自己。」

7.       有一天夜晚，泰勒斯一邊行走，一邊仰望頭頂的星空，一不留神掉進了路旁的一個土坑裡。走在他身旁的侍女嘲笑他說：「你自稱能夠認識天上的東西，卻不認識腳下面的是什麼。是你的學問讓你掉進坑裡去的吧！」泰勒斯說：「只有站得高的人，才有從高處掉進坑裡去的資格！」

8.       有一年，泰勒斯來到埃及，慕名而接待他的人想測試他的智力，於是人們問他能不能測得出金字塔的高度？泰勒斯略作思索後回答：「如果能夠法老親臨現場，金字塔的高度就不難測出。」

9.       第二天，法老在眾官員們簇擁下來到金字塔下，泰勒斯神態悠然地走到金字塔前，這時，陽光把他的身影投在地上，等身影與他身長恰好相等時，他便立刻在大金字塔尖頂投影處做一記號，然後再丈量投影尖頂到金字塔底部的距離，他告訴對方，這就是金字塔的高度。

10.   有智慧的人，一定了解自己的優缺點。努力地改善自己的缺點，這樣的人，就有能力看透別人與環境的優缺點；如此，在社會自由競爭時，就容易成功。

11.   博學多聞、心胸寬闊的人，禁得起任何環境與生活的打擊，並且有能力重新開始。

12.   只有「科學、理性、真實」的事物，具有超越歷史的權威性。一個人只要具備「科學、理性、真實」的能力，就能左右歷史的發展方向。

13.   對一個智慧者來說，沒有翻不過的山脈，沒有渡不過的河流。智慧的高度，勝過權力地位，勝過財富。

拉塞福的原子核(上)

化學原理啟迪8

1.       在十九世紀末，科學家發現某些元素會產生高能量的輻射。例如，1896年法國科學家 亨利貝克勒Antoine Henri Becquerel，偶然間發現含鈾的礦物能在沒有光線曝光的情況下，使攝影底片出現影響。他把這個現象歸因於鈾會自發性地放射光，而他的學生，瑪麗居禮Marie Curie，稱這個現象為 「放射性radioactivity」。

2.       二十世紀初的研究找到三種放射線：伽瑪射線gamma rays (γ)、貝塔射線beta particles (β)、和阿法射線 alpha particles(α)。γ射線是高能量的「光」；β粒子射線是高速的電子；α粒子射線有+2電荷。α粒子的質量是電子的7300倍。

3.       1911年，拉塞福Ernest Rutherford做了好幾個有開拓性的實驗來探索放射性元素，並且展開檢驗湯姆生的葡萄布丁模型原子理論是否正確的實驗。這個實驗是直接把α粒子射向金屬薄片。

4.       拉塞福認為如果湯姆生的模型正確，結實的α粒子應該可以擊破穿透金屬薄片，就像砲彈穿過網子(α粒子射線有+2電荷，應該是原子中那些四處散布的正電荷粒子的二倍大)。

5.       他預期絕大多數的α粒子會穿透金屬薄片，只有非常少數的α粒子反彈。但是實驗的結果不如預期。雖然大部分的α粒子穿透金屬薄片，但是有許多粒子以很大的角度偏折斜射出去，有一些粒子甚至反射回來，完全沒有碰到金屬薄片另一端的測試器。

6.       這個結果讓拉塞福大吃一驚，他描述這好像對一張紙射榴彈，結果榴彈碎片竟然反彈回來。

7.       拉塞福從這個實驗結果得知，原子結構是葡萄布丁模型的理論並不正確。造成α粒子大角度偏折斜射出去的原因是，所有正電荷粒子都集中在原子的中心，同時這些正電粒子也是原子的質量來源。

8.       大部分的α粒子穿過金屬薄片是因為，原子的體積大部分的空間是中空的。那些偏折的α粒子，是因為它們靠近碰到了原子結實的正電中心，少數反射的α粒子是因為它們直直地撞上原子的正電中心。

9.       在拉塞福的心裡，這些結果只能解釋成原子有原子核nuclear atom，原子有個集中所有正電荷的核，而電子則是圍繞原子核活動；「電子與原子核的距離」，與「原子核的半徑」相比是相當大的。(摘錄Steven S. Zumdahl 的《化學原理Chemical Principles》)

有機化學的基礎164 費雪投影Fischer Projections

 

1.       有多於一個對掌中心的立體異構物，可以用一種標記法來比較、分辨，這種標記法就是：費雪投影Fischer projection，它可以指出分子的「絕對組態」。

2.       在費雪投影，二條互相垂直的直線，交會點就是對掌中心的碳。一般認為，水平線代表它連接的取代基，朝向觀察者而來；垂直線代表它連接的取代基們，指向遠離觀察者的方向。

3.       第256頁頁緣的圖，是一個對掌中心連接取代基的原型，它就跟一旁用影線和楔子畫出的構造圖是一樣的。(影線代表取代基的方向朝向後方，楔子代表取代基的方向朝前)

4.       在費雪投影中，如果碳骨架由超過一個以上的原子組成，多加的碳原子通常安置在C-1垂直正上方的頂端，而取代基放在水平線的二端。

5.       「2,3-二溴丁烷 2,3-dibromobutane」的三種立體異構物，也可以用費雪投影來描述。透過費雪投應，我們很容易就看出「內消旋化合物 meso compound」 C-2和C-3之間的平面。

6.       值得注意的是，費雪投影規則可依序應用於任何一個原子，另外，費雪投影不能說明這個分子的構形(它把分子平面化了)。

7.       圖左、中二個結構都是鏡像異構物，它們是d,l對；這二個異構物是對掌的，它們與右邊「內消旋化合物 meso compound」之間，彼此是非鏡像、也不對掌。

8.       值得注意的是，在費雪投影中，對掌中心一系列的化學鍵都是交疊的eclipsed。照費雪投影的呈現方式來看，會覺得這個分子構象很不穩定，但事實不是這樣的，因為費雪投影沒有顯現出一個分子在三度空間中的立體結構，因此它對分辨結構異構物毫無幫助。(翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry》)

注：圖片，可翻閱google提供的有限度瀏覽Mary Anne Fox, James K. Whitesell《有機化學Organic Chemistry》

 

徐弘毅：

1.       雖然，我們的腦子裡應該要有完整的分子立體構造圖，但是，因為每一種問題的重點並不一樣，有些時候，原子球體的大小、化學鍵的角度，並不是那麼重要，無助於釐清事實。

2.       判斷對掌性分子的絕對組態，最重要的是，要掌握它的對掌中心與取代基的相對位置，費雪投影就是反映這二個重點，刪去其它枝節。

3.       每一種表達方式都有它的界線，費雪投影，能夠用垂直的直線，標示清楚對掌中心與取代基的相對位置；

4.       分子的立體構造，不是費雪投影關切的範圍了，如果要了解分子的立體構造，應該參考分子的棍棒造型。

5.       這個章節還有一個紐曼投影，它的重點是呈現，鄰近幾個碳原子的化學鍵，是否重疊還是交錯，幫助我們很快地判斷出分子是不是有扭張力或立體張力的問題。

6.       柏拉圖全集，是西方哲學思考的基礎，作者柏拉圖，透過蘇格拉底與許多人的對話，辯證人類對知識，應該要注意哪些重點。

7.       蘇格拉底：我又說，克利尼亞，這回該輪到你了，提醒我剛才的討論在什麼地方中斷。我想大概是經過一番討論，我們同意必須熱愛智慧，是嗎？你想說什麼？

8.      克利尼亞：是的。

9.      蘇格拉底：熱愛智慧，就是「得到知識」，對嗎？

10.  克利尼亞：對。

11.   蘇格拉底：那麼，我們應當得到什麼樣的知識？能給我們帶來好處的知識，不就是對這個問題最簡潔的回答嗎？

12.   克利尼亞：沒錯。

13.   蘇格拉底：如果我們知道，如何到各地去尋找埋藏在地下的大量黃金，那麼這種知識對我們有好處嗎？

14.   克利尼亞：也許有好處。

15.   蘇格拉底：我說，但在此之前，我們已經證明，哪怕我們無須挖掘就能得到所有黃金，我們仍然一無所有，即使我們知道如何點石成金，這種知識仍然對我們沒有任何價值，除非我們也能知道「如何使用」黃金，否則擁有黃金沒有任何好處。你記得嗎？

16.   克利尼亞：對，我記得。

17.   蘇格拉底：同理，如果只知道如何製造而不知道「如何使用」，那麼其他任何知識也不會有任何好處，比如做生意的知識、醫學知識。不是這樣嗎？

18.   克利尼亞：是這樣的。

19.   蘇格拉底：哪怕擁有一種關於如何使人不朽的知識，但若沒有「如何使用」這種不朽的知識，那麼依照我們前面接受的前提來推斷，這種知識仍舊不會帶來任何好處。

20.   克利尼亞：我們對此取得了一致意見。

21.   蘇格拉底：我說，那麼，我迷人的孩子，我們需要的知識，要能夠結合製造和使用。

22.   克利尼亞：好像是這樣的。

有機化學的基礎163 內消旋化合物Meso Compound(下)

 

徐弘毅：

1.       當分子有二個以上的對掌中心時，如果有些鏡像異構物分子是左右對稱的，會造成什麼影響呢？

2.       左右對稱的鏡像異構物分子本身沒有光活性，不是對掌性分子；這個分子可能的鏡像異構物組合少一對。

3.       例如，「2,3-二溴丁烷 2,3-dibromobutane」左右對稱，代表有不論是「左邊是R組態、右邊S組態」，或是「左邊S組態、右邊R組態」，都是一樣的，這二種分子型態，只要轉個180°就可以重疊，它們彼此不是鏡像異構物，稱為「內消旋化合物」。

4.       因此，「一個化合物，有n個對掌中心，就會有2n次方個立體異構物」，這個法則，在出現二個一樣結構的對掌中心時，不適用。

5.       更精確地說，「一個化合物，有n個對掌中心，就會有2n次方個立體異構物」，如果分子對稱，那麼，每多出現一個「內消旋化合物」，立體異構物就少1個次方。

6.   判斷分子，必須抓它的結構重點，才能判斷它的一切變化。孔子也認為，抓住做人做事的重點十分重要，在《論語‧里仁篇》孔子跟學生討論，誰有『仁』呢？ 誰抓到做人做事的核心重點呢？

7.    孔大師說：我沒有看過一個追求人生價值的人，去排斥沒有人生目標的人；追求人生價值的人，他把實現人生的價值看得至高無上；如果他排斥沒有人生目標的人，他怎麼能夠算是抓到人生的重點呢？排斥別人，是那些沒有人生目標的人才會做的事情，他不會讓自己的行為跟那些人一樣。

8.   孔大師知道，很多人會因為自己有在追求人生價值，而看不起沒有人生目標的人，所以提醒學生，既然人生目標是追求自己的人生價值，就不用分心在意其他人如何了。人能夠一直抓到生命的核心重點來生活嗎？

9.       孔大師說：「事實上每個人都可以，我沒有見過沒有能力去實踐人生核心價值的人；也許這世上真的有完全做不到的人，我真的沒見過。」

10.   孔大師鼓勵學生，每個人都有能力實現自己的人生價值，去做就對了。

11.   到底有那些人生的「核心道理」呢？ 一個人生活在社會中，要知道做人做事的核心、重點。

12.   孔大師說：人都會做錯事情、都會有過失，但是，往往自己不知道；如果一個人能透過組織、團體，看到自己的不足、過錯，那麼，這個人就是知道自己做人做事的重點了。

13.   孔大師知道很多人在社團中喜歡批評別人的缺點，講別人的不是，來滿足自己，所以提醒學生，社團活動的重點是看清楚自己的不足、過錯。

14.   另外一個人生的「核心道理」，也很重要，孔大師說：一個人如果早上體悟了道理，到了傍晚就死去，這樣也不可惜。

15.   這是每一個人都應該具備的基本人生態度、人生的重點。孔大師希望自認在追求人生價值的人，不要沉迷在人際的問題上，應該從早到晚都要不斷思考道理，務求在學問上有所突破。

16.   那知識份子，他做人做事的「核心道理」是什麼呢？

17.   孔大師說：一個讀書人，一定要立志追求道理、實踐道理；如果一個人覺得物質環境艱苦是很丟臉的事，那這樣的人就實在沒辦法跟他講做人做事的核心道理。

18.   孔大師知道，很多人沒辦法實現自己的人生價值，就是因為老想到金錢、美食、豪宅之類的問題，所以勸學生先把物質欲望擺一邊，才有辦法實現人生理想。

19.   那領導人，應該怎麼抓到做人做事的「核心道理」呢？

20.   孔大師說：一個領導人在管理龐大的組織，他對每一種狀況、每一種人，沒有個人的絕對看法，也沒有絕對不做的事；所有的事情，一切都以「公平正義」的原則來做事。

21.   孔大師知道，改革是不容易的事，會面臨許多人的意識形態、欲望、慣例等種種問題，領導人如果有個人的主觀、偏見、禁忌，就沒辦法解決行政會遇到的現實問題，最後就會沒政績，一個領導人毫無政績，就會覺得自己做這個工作是白做了，人生價值沒有實現。

22.   所以孔大師勸領導人拋開個人主觀意識，依據現實狀況好好協調解決問題，按照公平正義的原則來施政，總預算合理分配，不要圖利特定族群，就會有政績，就能實現自己的人生價值。

23.   【原文】子曰：「我未見好仁者，惡不仁者。好仁者，無以尚之；惡不仁者，其為仁矣，不使不仁者加乎其身。有能一日用其力於仁矣乎？我未見力不足者。蓋有之矣，我未之見也。」子曰：「人之過也，各於其黨。觀過，斯知仁矣。」子曰：「朝聞道，夕死可矣！」子曰：「士志於道，而恥惡衣惡食者，未足與議也！」子曰：「君子之於天下也，無適也，無莫也，義之於比。」