國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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原子堆積之美

能呈現原子堆積多變圖樣的簡易模型

※器材小鋼珠、透明塑膠盒蓋子

※操作過程與現象

本實驗可以呈現類似原子結晶結構的各種隨機排列,能讓學生了解與鑑賞原子的排列與堆積情形。

圖一是以裝圖釘(或裝夾子)透明塑膠盒的蓋子製作的實驗裝置,將二個蓋子以膠帶固定,形成可以容納一層小鋼珠的縫隙(小鋼珠約佈滿約一半的面積),操作時將盒子直立,再旋轉或敲打盒子,讓小鋼珠隨機分佈,觀察小鋼珠所形成的圖案。

小鋼珠隨機分佈所形成的圖案千變萬化,有的形成規律排列的小方塊(如圖二),有的形成V形的線狀紋路以及小孔洞(如圖三),有的形成斜向的排列與三角形縫隙(如圖四)版主使用的盒子只略大於名片(小鋼珠直徑約2.5毫米),如果使用更大的盒子,或是以更大的壓克力板製作(圖五),形成的圖案更為豐富有趣,操作時每次翻轉或敲打所呈現的碎形圖樣(fractal patterns)都不一樣。

 

觀賞實驗過程(23.0M)

※原理

本實驗最初是由加拿大藝術家François Dallegret於1966年的創作,稱為「Atomix」,意為「原子的混合(Atom-mixture)」,原始設計是以壓克力板製作邊長5英吋正方形的縫隙,並裝入六千顆直徑約3毫米的小鋼珠。由於極具教育價值,被發展為教育性玩具(educational toy)並已經商品化(參考資料1),而且也受到不少科學家的重視與討論(參考資料2~4)。因為在教學上可以呈現物質結晶的原子堆積,例如圖六的堆積空隙最大,圖七為最密堆積,以及圖八的結晶缺陷。如果製作的模型夠大,還可觀察到在搖動之後,最上層的小鋼珠在表面跳躍,可類比於液體或固體表面的蒸發或昇華現象。

※叮嚀的話

1.使用裝圖釘盒子的蓋子,注意越硬越好,如果太軟,容易凸起而使小鋼珠重疊變成二層,就不容易形成漂亮的排列。由於底盒通常太軟,所以只使用蓋子另一方面,大部分蓋子都太厚(太高),必須先以砂紙磨平,以使空隙只比小鋼珠略大,形成只有一層的堆積。

2.裝圖釘的塑膠盒子有不同尺寸,越大越好(小鋼珠則是越小越好)。在裝入小鋼珠時,務必注意不可以有雜物混入,以免干擾排列

3.版主試過以光碟片空盒製作,但是由於材質較軟,而且周圍不容易平整的密封,因此不建議使用。而採用壓克板製作也相當簡易(製作招牌的商家可零售),建議可多利用。

4.更複雜的設計如參考資料5,操作現象相當有趣,建議務必觀賞。

5.在教學上,可以指導學生觀察與討論:(1)小鋼珠形成的圖案中,哪些代表最密堆積?每個小鋼珠相鄰接觸的小鋼珠有幾個?反之最鬆散的情形又如何?(2)圖案中形成的孔隙,有哪些形狀與特徵?(例如六角形、方形、V形等等)

※參考資料

1.Grand Illusions Ltdhttp://www.grand-illusions.com/acatalog/Atomix.html

2.Turnbull, D., & Cormia, R. L. (1960). A dynamic hard sphere model. Journal of applied physics, 31, 674-677.

3.Koppelmann, G. (1990). Kristallisationsvorgänge im einfachen zweidimensionalen Stahlkugel-modell, Praxis der Naturwissenschaften. Physik, 39(6), 5-9.

4.Ucke, C., & Schlichting, H. J. (2011). Atom. Physik in unserer Zeit, 42(6), 302-304

5. YouTube 影片(必看)https://www.youtube.com/watch?v=VLsLS74AM9o

6.YouTube 影片: http://www.youtube.com/watch?v=JTNS26izFB8

http://www.youtube.com/watch?v=IJXbBRAZCxM