2.微觀世界

親愛的讀者們，現(xiàn)在我將要帶你們走進(jìn)一個微觀的世界中去。

這是一個能大能小的實(shí)驗(yàn)室，里邊已經(jīng)有人在等著我們的到來了?？矗驼驹谀抢?，一身工作服，長相也很平常，雖然他看上去很年輕，卻是一位出色的發(fā)明家。

他開口說話了：“來吧朋友們，讓我們先進(jìn)屋。這間小屋的材料很特殊，能夠允許任何波長的射線通過，當(dāng)然也包括那些波長最短的宇宙射線。在我們進(jìn)去后，我將把手往右轉(zhuǎn)，我們的身體就會縮小，這個過程可能會有些難受，不過還好，僅僅需要幾分鐘就可以了。4分鐘后我們就會縮小到千分之一大小了！到那時我們可以出去看看，世界將變得如同顯微鏡下的那樣清晰。之后我們將再經(jīng)歷難熬的4分鐘，再次縮小到千分之一的千分之一?！?/p>

說完這番話，我們轉(zhuǎn)動了把手。

于是我們成了螞蟻般大小。此時我們聽到的聲音已經(jīng)和之前不太一樣了，我們的聽覺器官已經(jīng)失去了調(diào)節(jié)聲波的作用，所以我們只能聽到一些嘈雜的聲音。雖然聽覺受到了影響，但是視覺卻仍然完好，自然界中有一種波長為正常光千分之一的X射線，在這種射線下看物體的話，會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)物體變得透明了，就連金屬都變成了有色的，與有色玻璃差不多了……然而，真正的玻璃以及樹脂琥珀等卻失去了它們本來的色彩，變成了黑色，看上去像是金屬了。

植物的細(xì)胞清晰可見，里邊充滿了不停跳動的汁液和淀粉顆粒，我們甚至可以將手放入植物細(xì)胞的呼吸孔中去了；動物細(xì)胞同樣看得非常清楚，很容易看到一些銅元大小的血球漂浮在血液里；不僅如此，結(jié)核菌和霍亂菌的樣子也很容易分辨：結(jié)核菌像彎曲的無帽釘子，霍亂菌像長有尾巴的豆子……

雖然如此，但是我們?nèi)匀豢床坏椒肿?，只能看到不停顫動的墻壁，隨便一陣氣流就能把我們的臉吹得很疼，就像是那種夾雜著沙子的風(fēng)。不過，由此我們也能得知我們已經(jīng)接近物質(zhì)分割的極限了。

按照那個人所說，我們再次回到屋子，再次向右轉(zhuǎn)了一次把手。這一次，所有的一切都變得昏暗了，屋子也開始如同出現(xiàn)地震一般劇烈的震動。預(yù)計(jì)的時間過去后，屋子仍然沒有停止震動，并且四周大風(fēng)怒號，一些不知道是什么的東西如同冰雹和機(jī)槍炮彈一般打在我們的頭上。

向?qū)дf話了：“現(xiàn)在這種情況不能出去。我們的身體已經(jīng)縮小到平常的百萬分之一了，總共只有不到兩個微米長……目前我們的頭發(fā)只有億分之一厘米，也就是‘埃’，分子和原子一般用這個單位來描述。各種氣體分子的直徑大約就是一埃?？梢钥闯觯鼈兊囊苿铀俣确浅？?，我們的小屋就是被這些原子和分子擊打著。”

“4分鐘前我們出屋子時有一種沙粒打在臉上的感覺，那些沙粒就是一部分氣體分子?，F(xiàn)在我們變得更小了，那些氣體分子對我們來說已經(jīng)非常大了，非常危險(xiǎn)?！?/p>

“現(xiàn)在從窗戶向外看一眼，我們會發(fā)現(xiàn)那些原本只有一微米大小的塵?！，F(xiàn)在它們卻和我們差不多大?？窗?，它們跳動得多劇烈！當(dāng)然我們?nèi)匀豢床坏椒肿樱驗(yàn)樗鼈兊倪\(yùn)動速度太快，我們的眼睛來不及反應(yīng)……現(xiàn)在我想我們該回去了。要知道我們的眼睛現(xiàn)在正在超短波的射線中看分子，而這種波對我們的眼睛是有傷害的?！?/p>

說完，向?qū)ч_始反向轉(zhuǎn)動把手。

雖然這只是虛構(gòu)出來的旅行，不過其中說的都是接近現(xiàn)實(shí)的情景。

只需要看一下實(shí)驗(yàn)的結(jié)果我們就會發(fā)現(xiàn)，對復(fù)合物質(zhì)進(jìn)行分析后會得到很多單質(zhì)，這些單質(zhì)在最完善的化學(xué)分析方法前也無法被分解成更簡單的部分了。這些單質(zhì)正是構(gòu)成我們熟知的大自然的最基本物質(zhì)，也就是元素。

我們生活在這個世界里，每天都要和不同的物體接觸，死的、活的；固體、液體、氣體，各種各樣。根據(jù)這些“屬性”，我們就能夠得出物質(zhì)的概念。研究自然的人要面對的首要問題就是：某種物質(zhì)的性質(zhì)和構(gòu)造是怎樣的。

如果僅憑感官，我們可能會說物質(zhì)是連續(xù)的，然而這并不正確，這樣的答案只是我們的感官造成的片面印象而已，它欺騙了我們。事實(shí)上，如果通過顯微鏡觀察，我們就能發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的內(nèi)部有很多孔洞，它們是多孔的，并非連續(xù)不斷的，而這些是肉眼看不到的，所以我們才會被我們的感官欺騙。

水、酒精還有其他的液體或是氣體看起來似乎根本就沒有什么孔洞，然而我們不得不承認(rèn)它們的分子間的確是存在空隙的，不然的話我們要怎么解釋物體受熱膨脹以及增壓壓縮呢？

事實(shí)上，從本源上來說任何物體都是顆粒狀的，因?yàn)闃?gòu)成物質(zhì)的最小單位原子或者分子都是顆粒狀的。人們已經(jīng)測定過，水總體積的四分之一到三分之一是分子，其他的部分則全部都是空隙。

原子和原子靠近時會相互排斥，而這常常導(dǎo)致它們并不能真正密集的排列，而是百分之百會有空隙產(chǎn)生。每一個原子周圍都有無法靠近的“領(lǐng)地”，一般情況下其他物質(zhì)是無法進(jìn)入這個“領(lǐng)地”的。于是我們可以將原子包括這個“領(lǐng)地”看作是一個彈性球體，球體和球體之間相互獨(dú)立。不同的原子形成的球體大小也是不同的，它們的半徑同樣是用“?！眮砻枋龅?，比較小的一些有碳（C）——0.19埃，硅（Si）——0.39埃；適中的有鐵（Fe）——0.83埃，鈣（Ca）——1.06埃；比較大的有氧（O）——1.40埃。下圖中是兩種常見物質(zhì)的模型，其中元素們都按照對應(yīng)的大小畫成了圓球狀。

不過，假如我們將諸多的球體同時置于同類容器里，比如說，放在一個盒子內(nèi)，于是球一旦隨意滾開的話，顯然這樣一來它們的容積就較之聚集在一塊要大得多。將物體聚集起來的方法五花八門，一般人們把物體堆積后占據(jù)面積最小的那種方法稱作最緊堆聚法。其實(shí)要做到也不難，不妨做一做下面的實(shí)驗(yàn)：取一些小鋼珠最好是軸承的珠子擺到一小盤子內(nèi)，然后輕輕敲那個盤子。緣于任何鋼珠都會滾到盤子中央，這樣的話眾多的鋼珠便都將緊密地聚集到一塊兒，而且會快速地排成數(shù)行，而球心的諸條連線也會相互交叉出60°的角。站在外圍你會發(fā)現(xiàn)，它們排成了正六角形。這就是大小相同的球體在一個平面上的最緊堆聚法，而銅和金等這些金屬之原子，就是這么聚集到一塊兒的。

倘若球體的大小不一，比如兩種球體的大小相近，這樣的話大點(diǎn)兒的球體（比方說我們?nèi)粘３缘柠}內(nèi)含有的氯）就堆集得很緊實(shí)，于是小一些的原子便只好充斥在大球的間距內(nèi)。

如此說來食鹽或者是巖鹽（NaCl）之中，六個氯原子緊緊圍繞著每個鈉原子，不僅如此，六個鈉原子也緊緊環(huán)繞在每個氯原子的周邊。此時鈉離子與氯離子相互間的引力是最大的。

同理，我們身邊的所有物質(zhì)，無論復(fù)雜的或者是簡單的，均有無數(shù)個不借助顯微鏡無法看見的最微小的粒子——構(gòu)造出的，就如同人們用諸多的方磚建造出的宏偉房子似的。

原子（希臘文原來的意思為“不可分的”）思想的啟蒙發(fā)端于遙遠(yuǎn)的古代，人們通過有記錄的文獻(xiàn)了解到早在公元前600—前400年生活于這個時代的希臘的留基伯與同時期的德謨克利特這兩位唯物哲學(xué)家。起源于19世紀(jì)的原子理論認(rèn)為，構(gòu)造出單質(zhì)的呈游離態(tài)的化學(xué)元素，為同類原子的總體，這種原子不可再分，我們這里所言的不可分就保有這種物質(zhì)的特性而言的。

要知道同類化學(xué)元素的原子在構(gòu)造上毫無二異，而且它們的質(zhì)量也特定，即原子量。

進(jìn)入20世紀(jì)初葉，科學(xué)家經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)我們的地球上存在著92種互不相同的元素，也即92種各不相同的原子。目前，這92種元素里由自然界的物質(zhì)內(nèi)分離到了90種，也就是說人們認(rèn)識了的原子有90種，即使沒發(fā)現(xiàn)其余的元素，我們也不應(yīng)懷疑它們的存在性。我們看到的宇宙中的所有物質(zhì)，都是由這92種原子形成的。

隨著時間的推移，人們發(fā)現(xiàn)鈾元素最重，其原子的序號排在第92位。

人們在研究鈾家族元素衰變過程時，又出現(xiàn)了更重的被稱為超鈾元素的物質(zhì)：比如93號镎（Np）、94號钚（Pu）、95號镅（Am）、96號鋦（Cm）、97號锫（Bk）、98號锎（Cf）、99號?（An）、100號鉦（Cn）。也許還有更加重的元素存在，不過這也沒什么好驚訝的。不過這些元素一是不穩(wěn)定；二是稀少難得一見，因此人們在探索地球里面的物質(zhì)成分時，通常以為所有的物質(zhì)都由這92種元素形成，不過這個認(rèn)識不會和實(shí)際情形有太大的出入。

同一種元素的原子，或者是種類互不相同元素的原子，一對一對的或者是越來越多的相結(jié)合，就能形成各個物質(zhì)的分子。原子和分子相結(jié)合，就有了宇宙中的樣子各異的物體。很明顯原子和分子的數(shù)量眾多。譬如取18克的水，也就是說在約1摩爾的水中，包含的水分子數(shù)量為6.06×1023個。

這個數(shù)量大得驚人，從地球上長出植物起產(chǎn)出的黑麥和小麥的數(shù)量，也僅為其數(shù)量的幾千或者幾萬分之一。

為了清楚認(rèn)識分子的大小，我們就拿它同最微小的細(xì)菌來比一比，唯有將顯微鏡調(diào)大將近一千倍方可瞧見細(xì)菌，目前世界上最為微小的細(xì)菌僅有萬分之二毫米，不過它還是要大出水分子一千倍，換句話說，世界上最微小的細(xì)菌也是由20億以上的原子構(gòu)成的，也就是說它的數(shù)量超出了地球上的人口數(shù)量了。

若是將三滴水中的所有水分子連接起來的話，大概相當(dāng)于太陽至地球間距的三個來回，因?yàn)樗肿舆B接起來的長度為940000000千米！

最初的時候人們認(rèn)為原子是不可再分的粒子，但是隨著科技的發(fā)展和研究工具及方法的改進(jìn)，人們通過反復(fù)研究意識到，原子的結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。在人類發(fā)現(xiàn)了元素的放射現(xiàn)象并著手研究該現(xiàn)象之后，方了解到原子的構(gòu)造。

無論哪個原子的中間都會存在一個核，而且核的直線長度約為原子直線長度的十萬分之一。核內(nèi)聚集著原子的大部分質(zhì)量。核攜帶著正電荷，而由元素氫和氦及鈹構(gòu)造出原子的結(jié)構(gòu)（下圖）。原子核處于居中位置，而核外部的圈則代表著電子的軌道重量，攜帶的正電荷量也越多。環(huán)繞攜帶著正電荷的核運(yùn)動的則是電子，電子的數(shù)量與核攜帶的正電荷數(shù)量一致，就原子總體而言便為電中性了。

任何化學(xué)元素的原子核均包括兩種最為簡單的粒子：其一，為質(zhì)子，即為氫的原子核；其二，就是中子，中子的質(zhì)量同質(zhì)子不相上下，但是它哪種電都不帶。在核內(nèi)質(zhì)子和中子很緊密地聚攏于一起，因此不管發(fā)生何種化學(xué)反應(yīng)或者是發(fā)生任何簡單的物理現(xiàn)象，原子核均不會出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，自始至終維持著原有的樣態(tài)。

最為明顯的為由兩個質(zhì)子和中子形成的氫原子核。氫原子核很不活躍，即使在重元素的原子中似乎也存在著該類氫原子核，一旦遇到重元素放射衰變就會發(fā)射出α粒子。

一般來說，原子外邊的電子層的構(gòu)造和性質(zhì)制約著元素的化學(xué)性質(zhì)，即由喪失或者是獲得的電子的能量來確定，而原子核的結(jié)構(gòu)不會對原子的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生任何影響。因此，如果原子周邊的電子數(shù)量相同，在這種情況下就算核的結(jié)構(gòu)同質(zhì)量，即原子量不相同，但它們的化學(xué)性質(zhì)依然近似，也就是說同屬一個族類，就像氯和溴及碘都屬于一個族一樣，不過還有相似的狀況存在。

下面的圖為我們展示了幾種原子結(jié)構(gòu)模型。通過觀察下圖我們不難得出，電子軌道的復(fù)雜程度是隨著原子數(shù)量的變化而改變的。