課程資訊
課程名稱
能源科學故事(一)原子能
Stories of Energy Science (1) Atomic Energy 
開課學期
108-1 
授課對象
 
授課教師
陳發林 
課號
AM5030 
課程識別碼
543 30010 
班次
 
學分
3.0 
全/半年
半年 
必/選修
 
上課時間
星期二7,8,9(14:20~17:20) 
上課地點
博雅302 
備註
限大學部學生修習。A7:物質科學
總人數上限:60人 
Ceiba 課程網頁
http://ceiba.ntu.edu.tw/1081AM5030_ 
課程簡介影片
 
核心能力關聯
核心能力與課程規劃關聯圖
課程大綱
為確保您我的權利,請尊重智慧財產權及不得非法影印
課程概述

一、課程概述
這門課將以16堂課,有系統地介紹與能源科學發展相關的歷史人物與事件。整門課分上下兩學期:(上)原子能(下)化石能。這次先申請(上)原子能之通識課程。等通識效果確定,再申請(下)化石能。原子能的故事將分成三大部分講述:物理科學發展、核彈製作、核能發電。故事將從三千年前的古希臘思想開講。在第一部份中,我們將以自然哲學發展的關鍵人物與其貢獻為主體,逐一論述建構這三千年思想主軸的人物與事件。在第二部份中,我們將闡述為何研製一顆核彈卻需動用有史以來最優秀的人力、最龐大的物力,更需配合最嚴格的研發和管理架構才能執行;而整體計畫能奇蹟式地在3年內完成,清楚展現人類在毀滅邊緣的掙扎中,所能爆發的集體創造力是何等驚人。在第三部份中,我們將歷史焦點轉到核電;這原本被稱為核能之和平用途者,有著低到無法計價的電力成本,卻演變成規模不同的各類核災,造成諸多社會不安與環境浩劫。最後,我們將以諸多核電廠的歷史案例為根據,對核能發展的未來做出評論。
二、教學目標
在1946年7月1日,美國時代週刊的封面把愛因斯坦的頭像和核彈爆炸的蕈狀雲放在一起,並在E= 的公式旁加註「一切物質都是由速度和火焰構成」,著實反映出人類對使用核能的憂慮。當核分裂技術將原子中所夾帶的能量釋放出來後,人類並沒享受到潔淨且無限供應的能源,所帶來的卻是先有兩次毀滅性的屠殺,然後是未用完燃料所留下無盡的輻射。這門課所整理的歷史事件,應可引領學生進入一波反省的思緒:為何一批聰明的科學家日以繼夜實驗推導,最後成就了物質深層能量的釋放,應該為人類文明的演進做出偉大貢獻,但卻淪為以毀滅人類為目標的戰爭所需的最兇狠武器?戰後改為何平用途時,卻又為環境帶來莫大的浩劫?難道人類集體智慧所產生的,卻成為終結人類文明的利器?我們將以此為反思主軸,在每堂課中,從不同時代與背景來堆疊思考邏輯,以成就每門講述歷史課程的使命。

三、每週進度及教學內容簡述
第01週、課程介紹:科學的發展脈絡
這堂課將介紹整體課程架構,是以牛頓力學為中心,往前推往伽利略與哥白尼革命性的日心論如何產生,再銜接亞里斯多德以來盛行兩千多年的地心論如何幻滅;然後,再拉回討論愛因斯坦發展相對論的動機,卻發現質能互換公式E= 的來龍去脈。最後,我們將闡述「物理科學發展乃以發掘能源」為主軸的發展脈絡。
第02週、自然哲學的發展:亞里斯多德學說
我們將思想遠古時代的自然哲學發展脈絡,故事將從亞里斯多德學說講起,從而引出人類對宇宙的認知與所得結論,最後卻得到「地球是宇宙中心」這影響將近兩千年的錯誤學說的背景、發展、影響等,然後再彙整出當時公認的宇宙學說:地心論的內容。
第03週、日心論與地心論:哥白尼、伽利略、杜卜勒的觀察
地心論盛行兩千多年後,終於在15世紀以後,陸續由一批熱愛觀察夜間星空變化、且具有洞察推理智慧的科學家所蒐集的證據而推翻。這批科學家的主要代表人物有三人:哥白尼、伽利略和杜卜勒。而這三人都備有當時才發展出來的望遠鏡,才得以觀察到譬如木星有四顆衛星的驚人發現,也因此才會大膽推論太陽才是宇宙中心的革命性理論。這些星象的觀測與數據,奠基了牛頓創建萬有引力學說的必備知識。這堂課將闡述這一連串事件的相關發展與故事。
第04週、牛頓力學:井然有序的曠世學理
雖然前人留下諸多星體數據,牛頓仍然花了二十多年才發展成功萬有引力定律。在這發展的過程中,夾雜著許多當時科學界針對天體運行現象的激烈辯論。為解決這些爭議,牛頓以微積分數學技巧推導出萬有引力定律,詳細且準確地規範地表上物體運動法則,更將定律推廣至宇宙中星體間相互運動的關係,堪稱是人類物理學發展的最重大發現。從此物理學從以前一片混亂的學說與零星實驗現象,頓時變成一套有秩序、有根基的完整理論。我們將在這堂課深入討論這些革命性事件的發展脈絡。
第05週、相對論:從牛頓到愛因斯坦
牛頓創建萬有引力定律而被尊為科學界泰斗,因此志得意滿,卻未更深入探討兩個物體間具有引力的原因。這個宇宙間最基本且最重要的問題,則在150年後,被在童年被誤認可能是智障的愛因斯坦所創建的廣義相對論所解答。然而,在推導廣義相對論的先期過程中,愛因斯坦無意間發現質能互換 E= 公式,為原子能科學開創出一嶄新契機。這段扣人心弦的發展過程,將在這堂課以一系列的理論推導和實驗證實等關鍵事件來描述。
第06週、原子科學:從倫琴到費米
然而,愛因斯坦的質能互換公式所帶來的卻是一堆問號。如何將這質能理論變成核子工程,亦即如何將能量從質量中釋放出來,連愛因斯坦自己都搖頭直呼不可能。然而,物理學界的另一群人,卻正默默地發展出探討構成物質基本粒子的嶄新領域:原子物理,經過30多年的發展後,確認原子是由質子、中子、電子所組成的結構,更在無意間發展出撞擊原子核能產生巨大能量的核子工程。這驚心動魄的發展過程中,也夾帶著二次大戰正在爆發的危機,每個事件都將在這堂課詳述與討論。
第07週、第一次分組報告
第08週、曼哈頓計畫:世界局勢與計畫規模
1939年在柏林實驗室的兩位德國科學家發現核分裂可以釋放出巨大能量後,一批移民到美國的猶太裔科學家,向羅斯福總統提出緊急呼籲,立即成立核彈研究計畫,以免納粹德國率先發展成功,讓同盟國陷入毀滅的境遇。整體計畫在1942年啟動,歷經三年多的發展,成功地做出一顆鈾彈和四顆鈽彈,其中兩沒投到日本因而結束奪去數千萬條性命的二戰。發展核彈的過程中,在許多關鍵時刻挹注智慧的決定,才能讓這核子工程在許多理論未經證實的情況下,頓時變成具高度危險的核子工程。這些事件與人物,都是我們在這堂課要詳細闡述的對象。
第09週、核彈製作原理:將反應爐放在小罐子內
核彈的基本原理和一般炸彈雷同,亦即需有核爆燃料,在適當的時機下被引信所引爆。然而,這核爆燃料在自然界儲量甚少,且其物理特性仍具許多盲點,在實驗室內樂冒然引爆,自是絕對禁止的事件。然而,幸運的事,當時年僅39歲的物理系教授歐本海默被遴選為核彈計畫主持人。在他充滿智慧的決策過程中,成功地號召數千位科學家與工程師,入駐了無人煙的新墨西哥州沙漠內,因而充分發揮人類的集體智慧,在短短兩年內即發展出能以飛機空投、在空中引爆的兩款核彈,成功地結束二戰,卻也衍生出歷經50年的冷戰,徹底改變了人類文明發展的進程。本堂課將介紹這兩款核彈的原理與設計,和發展核彈過程中許多關鍵的人與事。
第10週、提煉核爆燃料原理:歷史命定的錯誤
提煉核爆燃料是製作核彈的關鍵因素,至今仍是如此。首先被科學界公認可成功進行核分裂反應的元素是鈾235,但其在自然界儲量甚少,需從儲量較多的鈾238礦砂中提煉出來。所以美國就在田納西州橡樹嶺改了一座需消耗全美1/10電力的龐大提煉工廠,在二戰結束前才成功地提煉出一顆鈾彈所需的45公斤核爆燃料。另一方面,在鈽239的穩定性被確認後,由反應爐將鈾238轉換成鈽239的技術才告成熟,因此大量生產鈽239變成可能,也成為製造核彈的主要技術。這兩項提煉技術的發展過程,也發生了諸多關鍵的人與事,也會在這堂課中闡述。
第11週、二戰結束與冷戰開始:保證相互毀滅的恐懼
死傷慘重的二戰雖因核彈的發展成功而結束,卻也為人類文明的發展劃下可能終止的警訊。分別以美國和蘇聯為首的東西方兩大陣營競相發展核武,以保證互相毀滅為手段,進行了維持將近50年的全球冷戰。這冷戰雖因蘇聯解體而削弱,但隨之而起的恐怖攻擊活動,都是已取得核彈技術為其最終目標,也使全球主要國家再度陷入核子攻擊的恐慌中。本堂課將說明二戰後各國發展核彈的情形,再引出未來全球爆發核子戰爭的可能性。
第12週、第二次分組報告
第13週、核能發電:原子能的和平用途
當廣島、長崎兩顆核彈在日本上空引爆而結束二戰後,所有參與曼哈頓計畫人員在慶祝戰爭勝利的激情過後,頓時突感前途茫然,不知道下一步將如何走。美國政府對所留下來的龐大設備,尤其是對提煉鈾和鈽元素的兩大試驗場的後續使用,更需一套完整的計畫以延續、甚至放大其原訂功能。因此艾森豪總統於1953年在聯合國大會發表演說時,呼籲全球放棄核武發展,一起努力為人類發展「原子能的和平用途」,開啟了全球核能發電的風潮。這堂課將針對核電的發展過程,從早期的海軍潛艇,到後來的核電廠等技術,所涉及的人與事之詳細說明。
第14週、全球核電發展
本堂課將闡述核電這原本被稱為核能之和平用途者,有著低到無法計價的電力成本,卻演變成規模不同的各類核災,造成諸多社會不安與環境浩劫。這在二戰後藉著發展核彈所衍生出來的發電技術,其燃料最多只能用5%就需丟棄,剩下的95%燃料是含有劇毒的輻射物質,至今仍無法有效安全處置。我們將先講述美國的資本主義核電算盤,再談蘇聯的威權體制核電所產生的悲劇,再談日本那深具武士殉道的核電發展,最後以法國的國家級核電所投下的豪賭等事件,來引出全球核電發展的現況與趨勢。
第15週、擁核與反核:台灣核電的發展
這最後的一堂課將舉例全球核電公投案例,我們發現凡經過公投的核電廠無一例外的全數關廠,這其中包括我們所寄居古稱福爾摩沙美麗島的台灣,政府曾準備將第四座核電廠的存廢交由全國性公投決定,但公投未做,卻也因政權轉移而關廠。這一致的歷史脈絡顯然具有許多蹊蹺,我們將借所蒐集到的諸多核電廠的歷史案例為根據,做出我們的評論。
第16週、第三次分組報告 

課程目標
在1946年7月1日,美國時代週刊的封面把愛因斯坦的頭像和核彈爆炸的蕈狀雲放在一起,並在E= 的公式旁加註「一切物質都是由速度和火焰構成」,著實反映出人類對使用核能的憂慮。當核分裂技術將原子中所夾帶的能量釋放出來後,人類並沒享受到潔淨且無限供應的能源,所帶來的卻是先有兩次毀滅性的屠殺,然後是未用完燃料所留下無盡的輻射。這門課所整理的歷史事件,應可引領學生進入一波反省的思緒:為何一批聰明的科學家日以繼夜實驗推導,最後成就了物質深層能量的釋放,應該為人類文明的演進做出偉大貢獻,但卻淪為以毀滅人類為目標的戰爭所需的最兇狠武器?戰後改為何平用途時,卻又為環境帶來莫大的浩劫?難道人類集體智慧所產生的,卻成為終結人類文明的利器?我們將以此為反思主軸,在每堂課中,從不同時代與背景來堆疊思考邏輯,以成就每門講述歷史課程的使命。 
課程要求
兩次期中考 (各20%,共 40% ):給提綱,申論題
期末口頭報告 ( 20% ):主題自選、輪流上台
小組討論課參與度 ( 12次,共20% ):主動、創意、有助課程
每週課後心得 (12次,共20% ):500字,兩頁A4為限,12號字體,1.5倍行距,於第一頁上方寫上系級、學號、姓名。
課程當天24:00上傳Ceiba,不接受補交。
12次取10次最高分者。缺席不須補交。
若引用網頁或文獻部份內容,請務必註明出處。請務必自行寫作。 
預期每週課後學習時數
 
Office Hours
 
參考書目
一、指定閱讀 (請詳列每週學生應配合閱讀之篇章)

第1~6週:
 「核能關鍵報告」,陳發林著,五南出版社,2014。(第一章)
 B. Cox & J. Forshaw, Why Does E=MC2 (And Why Should We Care ?), Da
Capo Press, 2009(中譯本:為什麼E=MC2?探索時空、質量之源與希格斯粒子,李琪譯,貓頭
鷹出版社)(第一、二章)
 E. Hummel, The Galileo Connection: Resolving Conflicts between
Science and Bible, (Chinese version), Campus Evangelical Fellowship, 2002.
(中譯本:自伽利略之後─聖經與科學之糾葛,聞人傑等譯,校園書房)(第一、二章)
第8~11週:
 「核能關鍵報告」,陳發林著,五南出版社,2014。(第二章)
 B. C. Reed,The History and Science of the Manhattan Project ,
Springer, 2007.(第一、二章)
第13~15週:
 「核能關鍵報告」,陳發林著,五南出版社,2014。(第三章+後記)
 M. Irvine, Nuclear Power: A Very Short Instroduction, Oxford, 2011.
(全書)

二、延伸閱讀 (請詳列每週學生應配合閱讀之篇章)

第1~6週:
 R. Feynman, Six Not-So-Easy Pieces: Einstein's Relativity, Symmetry,
and Space-time, California Institute of Technology, 1997 (費曼的6堂Easy相對
論,師明睿譯,天下文化出版社)
 D. While, History of the warfare of science with theology in
christendom, Blackmask Online (http:www.blackmask.com), 2002.
 J.-P. Maury, "Newton et la mecanique celeste," 1995. (中譯本:牛頓─天
體力學的新紀元,林成勤譯,時報出版)
 J. Neffe, Einstein - Eine Biographie, Rowohlt Verlag GmbH, Hamburg,
2005.(中譯本:愛因斯坦,馬懷琪、陳琦合譯,五南出版社)
第8~11週:
 M. Schneider, A. Froggatt & J. Hazemann, The World Nuclear Industry
Status Report 2012, A Mycle Schneider Consulting Project, Paris, London,
2012.
 S. Tanzer, S. Dolley and P. Leventhal, Nuclear Power and the Spread
of Nuclear Weapons: Can We Have One without the Other? Potomac Books Inc,
2002.
 F. G. Goxling, The Manhattan Project: Making the Atomic Bomb,
National Security History Series, US Department of Energy, 2010.
第13~15週
 G. Hecht, The Radiance of France - Nuclear Power and National
Identity after WWII, MIT Press, 1998.
 J. Aron, Licensed To Kill?: The Nuclear Regulatory Commission and
the Shoreham Power Plant, University of Pittsburg Press, 1998.
 R. L. Garwin & G. Charpak, Megawatts and Megatons: The Future of
Nuclear Power and Nuclear Weapons, University of Chicago Press, 2002.
 R. Watts, Public Meltdown -- The Story of the Vermont Yankee Nulcear
Power Plant, White River Press, MA, 2012.

以上參考書籍可隨課程進度與討論內容,搜尋資料並酌予參閱。 
指定閱讀
待補 
評量方式
(僅供參考)
   
課程進度
週次
日期
單元主題
第1週
9/10  課程大綱 
第2週
9/17  我們的宇宙與早期的科學 
第3週
9/24  影響人類思想2000年的亞里斯多德學說 
第4週
10/01  科學革命 
第5週
10/08  哥白尼、第谷和克卜勒 
第6週
10/15  伽利略 
第7週
10/22  牛頓一:偉大的原理 
第8週
10/29  牛頓二:嚴格的檢驗 
第9週
11/05  期中考 
第10週
11/12  扭曲時空的相對論(一) 
第12週
11/19  愛因斯坦相對論二 
第13週
11/26  讀書會一(沒有上課講義) 
第14週
12/03  讀書會二(沒有上課講義) 
第15週
12/10  讀書會三(沒有上課講義) 
第16週
12/17  核電廠的滄桑 
第17週
12/24  福爾摩沙的悸動 
第18週
12/31  公投討論(本學期最後一堂課)