班级五年五班.docx
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班级五年五班
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元素
班級：
五年五班
學生：
李承戰
指導老師：
劉姿均老師
目錄
目錄………………………………………………第一頁
壹研究動機……………………………………………第二頁
貳研究目的……………………………………………第二頁
參研究過程說明………………………………………第三頁
肆研究內容………………………………第四頁到第十七頁
一牛頓的煉金術…………………………第四頁到第七頁
二門德列夫的週期表…………………第七頁到第十一頁
三愛因斯坦的質能互換……………第十一頁到第十四頁四宇宙的起源………………………第十四頁到第十七頁
伍結論………………………………………………第十七頁
陸參考資料來源………………………第十七頁到第十九頁
柒心得…………………………………第十九頁到第二十頁
捌父母的話…………………………第二十頁到第二十二頁
1、研究動機
有一天，爸爸問我一個問題：
「天地萬物是由什麼東西所組成的？
」當時我完全不知道，可是當我聽到爸爸說到一個叫元素的東西時，就讓我興起想研究它的興趣，因為元素這種東西也有很多科學家在研究。
所以我想要知道，那麼小的東西裡面到底有多少關於科學的奧妙。
貳、研究目的
知道最古老的科學「煉金術」是什麼？
和對化學元素有很重要地位的化學元素週期表是怎麼來的？
質能互換定律為什麼可以讓物體釋放強大的能量？
以及宇宙剛開始時是不是只有氫元素？
參、研究過程說明
（1）參考文獻資料
（2）資料研究整理
（3）開始寫草稿
（4）開始撰寫報告
（5）修改報告
（6）開始作簡報
（7）期末成果
肆、研究內容
一、牛頓的煉金術
占星術和煉金術或多或少被歸類為巫術學，牛頓從研讀占星術的書籍，進而了解宇宙天體運行，並悟出了萬有引力的哲學。
牛頓也沉迷於煉金術，他是否有悟出突破性的觀念？
是個迷。
（一）古人認知的基本元素
在古時候中國人認為最基本的元素分別就是金、木、水、火和土，這五種元素其中水生木、木生火、火生土、土生金、金生水；水剋火、火剋金、金剋木、木剋土、土剋水。
因此五行既相生又相剋。
天地萬物即隨五行輪迴，譬如動植物是生於塵土，死後也回歸塵土。
而古希臘人認為最基本的四個元素是水、火、風和土，後來亞里斯多德又加入了一個可以構成天體的元素，我們稱它為第五元素。
第五元素又稱為善惡元素，由它質與量的變化可以決定最後物質的好與壞。
以前的人認為原來的那四個基本元素再加上適量的第五元素就可以組成單純的金子。
（二）煉金術
煉金術是科學的起源，在古時候，有很多煉金術師，他們主要的目的是要煉出長生不老藥、珍貴且單純的金子和可以融掉所有東西的液體。
中國是最早有煉金術、煉丹術的國家。
古時候，中國人認為，只要把鐵持續加熱、敲打就會變成鋼。
煉金術也是一樣的，人把鐵放在鍋子裡持續加熱，給它巨大的能量，然後鐵就會變成金子。
但是，這不太可能，因為假如要給它很多能量的話，溫度會很高，這樣的話鍋子就會先熔化，而且有很多科學家說假如真的有可以融掉所有東西的液體，那要用什麼東西裝？
所以在以前人們研究的煉金術都是騙人的，一般他們騙人的手法就是先在鍋子裡偷偷的先加一點黃金，然後再施法唸咒。
至於煉丹術，當時他們煉出來的長生不老藥就是汞和鉛，汞也就是我們俗稱的水銀。
可是汞不但不能讓我們長生不老永保青春，反而會讓人早日送命，因為汞和鉛中含有劇毒。
所以中國有很多君王都因為想永保青春、長生不老，因此都被毒死了，像秦始皇和唐代的太宗、憲宗、敬宗和宣宗等皇帝都是吃了有毒的丹藥而死。
（三）牛頓的煉金術在搞什麼
牛頓（西元1642~1727年）是科學史上最偉大的人之一，他發現了萬有引力，發明了微積分，並在力學、光學與天文學的研究上有重大的貢獻。
牛頓逝世時遺留下來尚未發表的手稿包括有從事「聖經」與神學的研究，以及大批關於煉金術的手稿。
然而，即使在當時神學與巫學仍是當道，科學也僅剛啟蒙，但是煉金術已經被有識之士斥為騙術，因此為何牛頓仍然傾大量的時間投入實驗，一直是後世不解之謎。
牛頓在二十六歲時（西元1668年），就開始研究煉金術，可是他為什麼會研究煉金術？
那是因為在黑死病流行的時期（西元1665~1666年），牛頓躲回老家。
也就是在他烏爾索普老家無聊的日子中，他開始觀察天體運行，研讀占星術，並在看到蘋果落地的同時，悟出了萬有引力的定律。
當其時，他嘗試製作非球面望遠鏡的鏡片，當他在研磨望遠鏡的鏡面時，使用到許多有腐蝕作用的原料，例如硫磺和水銀等來研磨。
所以他就開始對煉金術有了興趣。
而且他也想把世界上所有的科學整合在一起，他甚至想從中參透出宇宙空間的真理。
因此他的手稿中充斥著希臘五元素、精神、蒸餾、占星等奇怪的符號排列以及圖案。
牛頓對煉金術集中進行實驗的高峰期是在西元1680年左右，可是到最後他也是因為吃到汞而中毒（雖然沒死），汞中毒的基本現象就是心情憂鬱。
牛頓在西元1690年至1693年間甚至罹患精神錯亂症。
而他到底有沒有成功？
或是否找到煉金術的道理？
我們並不知道，因為有一次他家失火，把部分的研究手稿以及資料通通給燒光了。
假如研究手稿沒有被燒掉，或者有人看得懂牛頓所遺留下來的手稿，那牛頓或許又成功的發現另一門新的科學了。
雖然煉金術沒有成功，但是那也告訴我們一個夢想，那就是只要物質一直被加熱施加能量，就有可能會變成其他的貴重金屬。
巧合的是，這也正是愛因斯坦質能互換定律的基本精神。
二、門得列夫的週期表
在門得列夫的時代裡，化學已經啟蒙，原子與分子的結構逐漸形成，元素的特性因此可以被有系統的檢驗。
（1）基本粒子、原子與元素
各種元素由其原子所構成。
近代科學家發現所有的原子均是由三種基本的粒子所組成：
質子、中子和電子。
質子和中子的重量為一單位，電子幾乎沒有重量，質子帶一單位的正電，電子帶一單位的負電，而中子不帶電。
質子和中子構成原子核，電子圍繞原子核旋轉，每一個元素都是有相同數目的質子與電子，因此所有的元素都是中性的。
（二）週期表
門得列夫（西元1834~1907年）是一位俄國的科學家，在他那個時代他是位很有名的科學家，其中他最著名的發現就是他的「化學元素週期表」。
但是他為什麼會排出來週期表，有兩種說法。
比較幻想的說法為：
「他是在睡覺的時候突然得到了靈感，所以他一起來就照著睡夢中的想法排一排，結果就排出來了化學元素週期表。
」比較寫實的說法為：
「門得列夫很愛玩橋牌，有一天他心血來潮，拿了很多白色紙卡，在上面寫上元素的名稱、原子量和化學特性等。
接著再按照它們的特性排一排，結果就發現了化學元素週期表。
」
門得列夫原始的週期表其實並不是長的和今天的一樣，在門得列夫製作週期表的時代只有六十三個元素，而目前已經找到一百零九個元素，倘若再加上在實驗室中所預測到的新元素，總數可以高達一百一十八個元素。
因此為了方便列印，後人就把它重新排列了。
上圖的週期表是最好用的一種。
其實還有兩種週期表，第一種是依照原子序的順序從小到大，由內向外的螺旋形週期表，樣子類似像上圖，但是將最左邊和最右邊的相鄰原子序之元素連接在一起。
第二種就是一層一層像漢堡一樣的週期表。
元素週期表縱向為族，總共分為十八族；橫向為週期，有七種不同的週期。
共分四區S、D、F、P。
S區在左邊兩縱行，幾乎都是輕金屬，而且容易發生化學反應。
D區佔據中間十縱行，是硬金屬，密度大，熔點都是一千度以上。
F區排列在下方的兩橫列，幾乎都是稀有金屬，第一列都很活潑，第二列都具有放射性。
P區為最右邊的六縱行，包括金屬元素、過渡元素和非金屬元素等。
（三）物質不滅定律
物質不滅定律意思就是在正常溫度和正常壓力下，物質不會消失，而是會在一個輪迴圈裡，一直循環，像碳和氮。
碳、氮和組成生物的物體是永遠不會被破壞消失的，它們會跟上面所說的一樣，一直循環。
其中碳C的循環是從它被燃燒開始，當碳C被燃燒後，會和氧結合，變成二氧化碳CO2，然後二氧化碳會因為植物行光合作用，使碳和氧分開，再和氫結合變成碳氫化合物CxHy或是碳水化合物CxHyOz，其中x、y、z為正整數。
之後，植物再被人吃，變成所謂的脂肪和胺基酸，最後人死之後被細菌分解，原來在組織中的碳分子又變回碳C。
而氮也是一樣，氮是存在大部份的分子中，有著非常重要的生物作用。
剛開始時，氮分子被一些特殊的細菌吸收，且透過複雜的化學反應，把它轉化為植物可吸收的狀態，接著動物吃植物，吸收了氮，當動物死後，經過細菌分解，氮又回到大氣中。
元素的輪迴只會發生在正常溫度和正常壓力之下，因為只要在高溫高壓下，就可以把一個物質轉變成另外一個不同的物質，這也就是在下一章要講的質能互換定律。
（四）能量不滅定律
能量是以許多形式呈現與儲存，所有物體都是儲存能量的大倉庫。
例如，能量儲存於原子聚集的化合物中，假如燃燒一塊木柴，熱量就被釋放出來。
運動物體具有動能；而位於高處靜止的物體具有位能，當它下落時，這種位能會轉化為動能。
另外，電池儲存的化學能可以轉化為電能。
能量的多樣性說明了一個事實，就是能量在不斷地從一種形式轉化和轉移成另一種形式。
而在這些轉化及轉移過程中，能量既不增加也不減少，只是被轉化及轉移，所以能量的總量是不變的。
三、愛因斯坦的質能互換定律
在愛因斯坦（西元1879~1955年）以前，物質與能量是互相獨立的被提出來討論。
愛因斯坦基於狹義相對論而導出了質能互換定律。
（1）相對論
愛因斯坦的相對論推翻了基於牛頓力學的絕對空間與絕對時間的觀念。
譬如說，如果坐在一輛沒有窗子的車子裡，我們就無法辨別車子是停著，還是在作沒有震動的直線運動。
在狹義相對論的方面，愛因斯坦假設光速不會變，而且光速是速度的極限。
由此可推導出時間流逝的速度、物體的重量以及長度都是隨著運動的速度而改變。
例如，假設在地球正常的環境下，一物體的質量為M，長度為l、流逝的時間為t，且光速為c。
則在運動速度v的情況下，
相對的運動時間為：
t（1－v2/c2）（1/2），
相對的運動質量為：
M（1-v2/c2）（－1/2），
相對的運動長度為：
l（1-v2/c2）（1/2）。
在廣義相對論的方面，由於加入了重力的影響，在質量大的物體附近，時間與空間都會發生扭曲。
因此星球發出的光在經過太陽附近時會發生轉折，宇宙中也可能存在黑洞，黑洞的質量及重力都非常的大，靠近這種天體附近的光全部被吸收而不能再逃逸出去。
（二）質能互換定律
質能互換定律可由狹義相對論推導出。
愛因斯坦是由牛頓的力學第二定律（加速度定律）F=Ma出發，其中F=力、M=質量、a=加速度。
他發現因為速度的極限為光速c，因此加速度a不可能超過光速c。
因此，即使再增加力F，也不可能增加加速度a，而是增加了質量M。
換句話說，當你賦予一個物體越來越多的能量時，物體運動的速度不會越來越快，而是質量變得越來越重。
由此愛因斯坦修正了牛頓功W=（1/2）Mv2的公式，其中v為速度，而變成了功W=Mc2﹝（1－v2/c2）（－1/2）－1﹞。
他的結論是：
當v＝c時，功會變得無限大。
愛因斯坦將Mc2（1－v2/c2）（－1/2）叫做電子能量E，因此E＝W＋Mc2。
愛因斯坦的意思是，即使一點功都沒做（當v=0則W=0），電子仍有能量，這能量就是E=Mc2。
愛因斯坦的質能互換公式說明所有物質都在其內部蘊藏有巨大的能量：
其中能量等於質量乘以光速。
如果我們能夠用簡單的方法將物質轉變為能量，則人類的能源將不虞匱乏。
（三）核分裂的應用
核分裂就是原子核分裂，隨之釋放出大量的能量，這個過程被用來生產原子彈，也被利用來做核能發電。
科學家希拉得在西元1934年提出連鎖反應，當在高溫時，以中子撞擊鈾235原子，強迫鈾原子分裂為鋇與氪，並釋放出其他的中子和熱量，而這些被釋放出來的中子則繼續撞擊鈾原子以產生連鎖反應，因而發明了原子彈。
為了避免有太多的中子同時去撞擊鈾原子而產生太巨大的能量譬如原子彈爆炸，科學家插入鎘或硼控制棒以吸收中子，如此比較溫和的核子反應就可以用來做核能發電。
（四）核融合的應用
核融合是核分裂的逆向過程：
兩個碰撞的原子核以超過靜電互斥力的速度融合在一起，行成一個質量更大的原子核。
在實際應用上，以一個重氫原子（Deuterium，氫的同位素，有一個原子和一個中子）和一個氚原子（氫的同位素，有一個原子和二個中子）的融合可形成氦原子（有二個原子和二個中子），並釋放出一個中子和熱量，這個被釋放出來的中子則可以和氫原子或重氫原子結合，而形成重氫原子或氚原子，並繼續參加連鎖反應。
核融合是恆星能量的來源，當然也是太陽能量的基礎。
核融合不會產生核廢料，因此是乾淨而且環保的能源；反之核分裂雖然乾淨，但是所產生的放射性核廢料對人有傷害，對環境也有上千上萬年的污染，因此核廢料是目前推廣核能發電的夢饜。
四、宇宙的演化
愛因斯坦提出了質能互換的定理，而牛頓的萬有引力的假設也說明了質量就是重力，因此，能量、質量以及重力可以說是一體的三面，三者之間有密切的相關。
（1）物質的起源
按照大霹靂理論，宇宙剛開始很小，而且什麼都沒有，只有一個充滿能量的奇異點。
但是因為能量太大撐不住了，所以發生了大霹靂。
之後宇宙開始迅速膨脹，當空間暴增，溫度也逐漸下降。
當時在幾乎不到十分之一秒的時間裡，開始形成許多次原子微粒如原子、中子和電子。
由於此時的溫度高達攝氏三百億度，這使得中子和質子不能相互結合成原子核，因此宇宙此時只有氫的原子核（只有一個質子，而無電子）。
大約十四秒後，溫度下降到攝氏三十億度，此時由兩個質子與兩個中子的氦原子核才得以產生。
再經過七十萬年後電子核原子核才能結合，形成氫原子和氦原子。
因此最初的宇宙是由氫與氦所構成。
當星系形成後，元素就利用星球核心中的能量來進行核融合反應。
首先，氫元素會融合出氦；氦會融合出碳和氧；碳和氧會融合出氖、鎂和氧；氖、鎂和氧會融合出矽跟硫；最後矽跟硫會融合成鐵。
在上面的融合過程中，都會釋放能量。
然而，這個反應過程到了鐵的階段就不能繼續下去，因為要把鐵融合為更重的元素，不但不能產生能量，反而需要能量，因此這種恆星就步入死亡。
然後由於重力坍塌，產生了所有比鐵重的原子，接著以超新星的形式爆發，又將所有元素散佈到宇宙空間中。
最後這些飄蕩在宇宙中的元素，因為萬有引力而聚集，逐漸形成星雲，於是新的恆星和行星（如地球）就誕生了。
從這個角度去看，地球可說是超新星的後代。
（二）宇宙的輪迴
因為物質有輪迴，能量也有輪迴，那麼就可以做一個假設，那就是宇宙也有一個輪迴。
剛開始宇宙因為奇異點撐不住，而發生了大霹靂，所以宇宙開始膨脹。
但是當宇宙膨脹到很大的時候，有些比太陽更大多倍的星球死亡，形成了中子星，然後再變成黑洞。
當黑洞吞噬了闖入範圍的物質後，其質量變得更大；相對地，重力與能量也變得更大。
因此可以吞噬更廣大範圍的物質。
最後當宇宙完全被黑洞吸進去之後，由於此時的重力遠超過了物質所能承受的壓力，因此所有的物質都被擠壓而轉化為能量，所以此時的宇宙又只剩下一個充滿能量的奇異點了。
伍、結論
1、不管是現代人或古人都有元素的概念。
2、古人的煉金術雖然是假的，但是他給我們一個夢想，就是的愛因斯坦質能互換定律的基本精神。
3、每一個元素都是有相同數目的質子與電子，因此所有的元素都是中性的。
4、能量是以許多形式呈現與儲存，所有物體都是儲存能量的大倉庫。
5、在能量轉化及轉移過程中，能量既不增加也不減少，只是被轉化及轉移。
6、質能互換定律即使一點功都沒做（W=0），電子仍有能量，這能量就是E=Mc2。
7、核分裂就是原子核分裂，隨之釋放出大量的能量。
8、核融合是兩個碰撞的原子核以超過靜電互斥力的速度融合在一起，形成一個質量更大的原子核。
9、大霹靂造成宇宙膨脹，元素的生成是因為核融合反應。
10、世界上所有的東西都有一個固定的輪迴。
陸、參考資料來源
書名
作者
出版社
愛因斯坦
柳川創造
新學友書局
化學元素王國之旅
艾金斯
天下文化事業群
門德列夫之夢
保羅‧史查森
究竟出版社
化學傳奇─元素的魅力
姚大均
國際村文庫書店
元素─奇幻的原子世界
特威德
天下文化事業群
愛因斯坦
喬瑟夫‧舒瓦茲
木馬文化
牛頓
犬上博史
書林出版社
資優生科學百科
查理斯‧泰勒
閣林國際圖書
探索大百科─探索力與能
陽培中
閣林國際圖書
探索大百科─神奇的物質
陽培中
閣林國際圖書
探索大百科─無窮無盡話宇宙
陽培中
閣林國際圖書
化學元素導覽
阿爾貝特，斯特沃特加
世貿出版集團
柒、心得感想
當我做完這份報告時，我得到了許多知識，其中讓我覺得最有說服力的重點就是，世界上每個東西都有一個固定的輪迴，這個道理不僅出現在科學裡，連宗教信仰裡也有關。
科學裡的輪迴是物質不滅定律和能量不滅定律，而宗教信仰裡則是生與死，因為在宗教信仰裡，人的一生分為生、老、病、死最後就是投胎，所以這個也算是一個天人合一的理論。
可是還有一個最大的問題，那就是宇宙中有沒有白洞，假如說，世界上沒有白洞，那大霹靂理論就會完全成立，但是假如有白洞，那大霹靂理論就不會成立，原因是因為大霹靂理論是因為能量太大而崩塌，但是白洞會把黑洞吞噬進去的東西吐出來，所以說這還是難題一個。
當然我做這次報告也要感謝許多老師和家人，其中我最要感謝的人有三位，其中一位是創思組的劉姿均老師，她指導我做專題和幫我改錯字，另外一位是我的級任老師黃亭智老師，她沒有在早自習考試，所以我可以安心的作專題，最後我要感謝我爸，因為我爸爸用心的指導我物理科學，所以我內容才會寫得那麼深入。
但是我這次作專題報告，沒有上一次那麼的努力，因為我剛開始作報告時，實在是太偷懶了，導致我沒有專心作好報告和看資料，所以我的報告進度幾乎都是在短短幾天之內趕出來的。
當然做這次報告最大的困難就是研究內容很深，有一些資料在一般百科全書裡都找不到，所以我參考了很多關於物理科學的書。
當然在這次的專題報告中，我用到了很多以前報告裡的內容，因此我明白了過去的學習經驗都是值得反芻與隨時運用的。
捌、家長的話
非常感謝創思組的老師們教導承戰，創思組每學期的專題都讓承戰有機會閱讀大量的科普叢書，也讓承戰有機會練習寫報告，直接或間接地開擴了承戰的視野。
承戰在三年上學期看了牛頓的傳記；三年下學期閱讀愛因斯坦的傳記；四年上學做狹義相對論的報告；四年下學期則推進到廣義相對論及霍金的黑洞。
這學期（五年上學期）研讀愛因斯坦的質能互換定律，可說是一脈相傳，由牛頓至愛因斯坦至霍金的宇宙時間與空間的哲學，到能量、質量與重力之間三位一體，一體三面的哲學。
在報告中，我尤其喜歡承戰對輪迴的領悟，包括宇宙的輪迴和元素的輪迴。
對於自然科學，我希望承戰能勇於嘗試學習，不必固守原有的教條理論，畢竟在微觀與巨觀不同的環境下，可能適用不同的理論。
譬如說，在常溫常壓下，牛頓力學及物質不滅定律足以說明所有的物理現象。
但在高溫高壓或接近光速的環境下，愛因斯坦的相對論和質能互換定律就能解釋大部分時空扭曲以及能量和重力突變的異常現象。
最進天文學家利用微波探測衛星以及哈伯太空望遠鏡，觀測到星系邊緣的恆星速度過大（接近光速），所產生的離心力如不能被其所受之引力抵銷，則恆星會從星系中飛走，星系就無法維繫。
但即使將星系中全部的可見物質均計入，仍然遠不足以產生所需要的引力，因此猜測宇宙中有另一種暗物質，它像普通物質一樣產生引力，卻無法被看到。
另外，最近的天文觀測又發現宇宙在加速膨脹，因此天文物理學家假設存在一種與引力相反的反引力，它具有能量但看不見，故又稱為暗能量。
天文物理學家推算出：
原子等通常物質只佔宇宙所有物質的4.4﹪，其餘是22.6﹪的「暗物質」和73﹪的暗能量。
換言之，用目前的科技，宇宙中仍有95﹪以上的物質是看不見的怪物。
我希望承戰能秉持好奇的心以及懷疑的心去追求各項真理。
譬如說，愛因斯坦認為光速是速度的極限，但是為何星系邊緣恆星的速度可能比光速還快？
另外，力有反作用力，因此物質有反物質，引力有反引力，能量有反能量，以及既然有宇宙膨脹，是否也有宇宙收縮等。
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