推動粒子旋轉的熱能

化學原理啟迪95

1.      首先，為「重量」下定義。通常，我們按照自己的感覺經驗，認為「重量」就是一個東西有多重的意思，這是那個東西、秤子、我們自己，生活在地心引力下的「感覺」。

2.      如圖上的例子，地心引力拉著「秤子」、「秤子上的鬧鐘」、「秤子上的法碼」，比較地心引力對「秤子」上的「法碼」與「鬧鐘」的拉力，得到的結果就是那樣東西的「重量」。

3.      「重量」是反應某個強大「作用力」的「反作用力」。如果鬧鐘被放到月球上面，「重量」就會不一樣，因為月球的質量不同，鬧鐘的反作用力也不同。

4.      但是「質量」，是一個東西所具備的某種能量的定義。

5.      從太陽系的角度來看，地球、水星、火星、土星的重量大小，要看「太陽」引力對它們的拉扯的力量大小，這就像天平上鬧鐘的重量大小，要看地心引力對它地拉力有多大。

6.      這是因為，太陽的質量遠大於地球，所以，地球的運動可看成是對「太陽引力」的「反作用力」。

7.      太陽引力的來源是太陽的質量，太陽的引力在太陽到之間地球的距離形成一股拉力；這是一種向心力。

8.      而地球用1.自己的質量，與2.沿著軌道公轉與自轉的運動，加在一起的「力」(離心力)，抵抗太陽的向心力。

9.      地球離心力的強度必須等於太陽向心力的強度，但是方向不同；地球與太陽引力保持平衡，才能讓地球維持穩定的運行軌道。

10.  依據波耳提出的氫原子結構理論，「原子核」與「電子」之間的關係，就像「太陽」與「地球」等行星的關係。

11.  如果有「熱能」進入原子系統，原子核的能量增加，它的旋轉速度會加快，而圍繞原子核的電子運轉速度也會增加，總體來說，整顆原子的旋轉的速度加快。

12.  就像波耳的氫原子模型那樣，原子系統可以簡化成一個同心圓簡圖，中央是原子核，外面是電子圍繞旋轉的軌道，熱能就是推動粒子圓周旋轉的力量；

13.  但是，因為電子的運動反應原子核的狀態，所以，也可以把熱能推動整顆粒子旋轉的動作，想成「熱能」推動原子外圍電子加速旋轉。

14.  因為這次的問題在討論，在特定溫度下，每一種運動速率粒子的數量比例，所以重點是熱能到底讓粒子加速旋轉了多少？而不是電子的繞行軌道，因此，在討論旋轉的時候，可以忽略電子的能量，直接思考熱能的推動力量。

15.  但是不要忘了，電子的運動是反應原子核的運動，而原子核就是整顆氣體粒子的質量來源。有這樣的觀念，才能繼續思考Maxwell-Boltzmann distribution law，旋轉的量子數，為什麼寫成「粒子的質量」除「造成電子旋轉的單位熱能」 (注)？

注：指Maxwell-Boltzmann 分佈函數中的（m/2πk_BT）。「m」是氣體粒子的質量，「k_B」是把溫度轉換成熱能的比例常數，「T」是溫度。m/2πk_BT是「粒子的質量」除「造成電子旋轉的單位熱能」。

徐弘毅2010.5.8