幾千年來, 我們人類早已知曉, 只須觀看我們周遭的環境,
就知有不同的物質存在。這些不同的物質, 傾向於有不同的性質.
它們不僅有不同的性質;可能一種物質會以某種方式反射光,或不反射光;
或呈某種顔色, 或具有某種溫度; 是液體、或氣體, 或固體.
但我們也開始觀察它們在特定情況下是如何相互反應.
這裏有幾張這些物質的照片. 就在這兒的這張是碳, 它是以石墨形態呈現.
這兒的這張是鉛;這兒的這張是金.
所有我畫過的那些 ---- 我在這兒展示過照片的那些, 都是我在那邊的這個網址裏找到的.
這些都是在固態中, 不過, 我們也知道
---- 看起來似乎存在著某些種氣體, 你知道, 某些種氣體的微粒,
而根據你正在觀看的是何種氣體的微粒,
是不是碳、或氧、或氮 , 它就會有不同的性質.
或者, 有其他可以是液態的東西,
或甚至你只須將這些東西的溫度提到夠高.
如果你將金或鉛的溫度提到夠高,
你會得到一種液體.
或者, 如果你多少---- 如果你燒這碳
你可以將它轉化爲氣態,
你可以將其釋放到大氣中,
你可以破壞它的結構.
這些是我們全都或多或少 ----
人類上千年來所觀察的東西.
但是, 那指向了一個自然問題
在過去它是一個哲學問題.
但現在我們可以稍微比較好一點地做答了,
那個問題就是, 如果你不斷將這碳
拆成越來越小塊,
會不會有某種最小塊,
某種這個東西, 這個物質的最小單位
仍具有碳的性質;
而如果你有辦法將它拆得更小,
你就會失去碳的性質？
答案是: 有.
因此, 我們先來介紹一些術語,
我們稱這些不同的物質, 這些
在某些溫度下擁有這些特定性質,
並以某些方式反應的純物質,
我們稱它們爲元素.
碳是一種元素. 鉛是一種元素. 金是一種元素.
你也許會說水是一種元素.
而在歷史上, 人們曾稱水為元素.
但現在我們知道水是由更基本的元素組成的.
它是由氧和氫所組成.
我們所有的元素
都列在這裡的元素周期表上.
C 代表碳
---- 我將只帶過
和人類非常有關聯的那幾個,
但隨著時間的推移, 你或許會對所有這些元素都熟悉起來.
這是氧. 這是氮. 這是矽.
這是 --- Au 是金. 這是鉛.
而任何這些元素的那個最基本的單位是原子.
所以, 如果你不斷地拆分它
把它拆成越來越小塊.
最終你會得到一個碳原子.
在這兒做同樣的事,
最終你會得到一個金原子.
在這兒如法炮製,
最終你會得到一些很小的
---- 由於找不到更好的詞 ---- 微粒.
你可以稱之爲鉛原子.
然後, 你就不能將其再拆分,
因它仍擁有鉛的性質
而仍能稱之為鉛了.
就給你一個概念吧.
---- 這真是我難以想像的事 ----
那就是, 原子真是難以置信的小.
真的, 難以想像的小.
舉個例子, 碳.
我的頭髮也是由碳構成的.
事實上, 我這個人的大部分是由碳構成的.
事實上, 大部分的生物都是由碳構成的.
所以, 如果你拿我的頭髮 ---- 當然我的頭髮是碳.
我的頭髮絕大部分是碳.
所以, 如果你在這兒拿著我的頭髮,
---- 我的頭髮不是黃色的
但它和黑色形成了很好的對比.
我的頭髮是黑色的. 但如果我用黑的筆畫,
你在螢光幕上會看不出來. ----
但是, 如果你在這兒拿著我的頭髮, 我會問你
我的頭髮有多少個碳原子寬？
所以, 如果你拿我頭髮的橫截面, 不是縱切,
是橫切, 並問:
那有多少個碳原子寬呢？
你或許會猜, Sal已經告訴過我了, 它很小.
所以, 那兒可能有一千個原子,
或一萬個, 或十萬個.
而我會說, 不是！
有一百萬個碳原子.
或者, 你可以把一百萬個碳原子串起來
串成一般人髮的寬度.
而那顯然是一個近似值,
它不是剛剛好一百萬,
不過, 那給你一個原子是多麽小的感覺.
你知道, 你從頭上拔下一根頭髮來,
然後就想像
在髮絲中並排放置一百萬個東西,
不是頭髮的縱深, 而是頭髮的寬.
要看頭髮的橫切甚至是難的.
而會有一百萬個碳原子
就這麼沿著它穿過.
這本身就很酷
我們確知
碳有個這最基本的構造單位,
這個任何元素的最基本的構造單位.
但更酷的是,
那些基本的構造單位是相互有關聯的.
一個碳原子是由甚至更基本的粒子所組成的.
一個金原子是由甚至更基本的粒子所組成的.
它們實際上是
由這些基本粒子的排列來定義的.
如果你要去改變
你有的基本粒子的數目,
你會改變這元素的性質,
它會如何反應,
或者, 你甚至會改變元素本身.
為求更進一步地瞭解它,
讓我們聊聊那些基本粒子.
首先是質子, 是質子.
質子實際上是決定性的 ----
原子核裏的質子數,
等會我會聊聊原子核 ----
那就是定義元素的東西.
所以, 這就是定義元素的東西.
當你看這裏的周期表時,
它們實際上是按照原子序的次序來寫的,
而原子序
字面上就是元素的質子數.
所以, 根據定義, 氫有1個質子.
氦有2個質子. 碳有6個質子
你找不到有7個質子的碳.
如果你找的到, 它會是氮,
它不再是碳.
氧有8個質子.
假如你用某種方式硬給它加1個質子,
它就不再是氧了.
它會變成氟. 所以, 它定義了元素.
它定義了元素.
而原子序, 就是質子數,
質子數 ---- 記住,
它是寫在最上方這裏的數字.
對於周期表上的每個元素
質子數
等於原子序.
而原子序之所以被寫在這上面是因爲
它是用來定義元素的一種特性.
原子的另外兩個組成份子
---- 我想我們可以這樣稱呼 ----
是電子和中子.
你可以開始在自己腦袋裏建立的一個模型
---- 這個模型, 在我們學習化學的過程中會發現,
它會變得有點更加抽象
而且真的很難把它概念化 ----
但是, 有一個思考的方法是
質子和中子
是原子的中心.
它們是原子核.
比方說, 碳, 我們知道, 有6個質子.
所以, 一、二、三、四、五、六.
碳12, 是碳的一款,
也有6個中子.
你可以有多款
具有不同中子數的碳.
所以, 中子能變, 電子能變,
你仍得到相同的元素.
質子不能變.
質子一變, 你就會得到不同的元素.
所以, 讓我來畫個碳12的原子核.
一、二、三、四、五、六.
這兒的這個就是碳12的原子核.
有時候會寫成這樣.
有時候他們確實
也會寫上質子數.
我們把它寫成碳12的原因是
---- 你知道, 我數了6個中子 ----
這是一個總數.
你可以把它看作是總數 ----
---- 一種看法是,
我們將來會談到一些微妙的差異,
---- 這是原子核中
質子和中子的總數.
根據定義, 這碳的原子序是6,
但我們可以在這裏重寫
以便提醒我們自己.
所以, 在碳原子的中心, 我們有這個原子核.
碳12會有6個質子和6個中子.
另一款碳, 碳14, 仍會有
6個質子, 但它會有8個中子.
所以, 中子數是可以變的,
但在這裏, 這個是碳12.
如果碳 12 是中性的 ----
我等會兒也會提一下這個字的細微之處 ----
如果它是中性的, 它也會有6個電子.
所以, 讓我來畫那6個電子.
一、二、三、四、五、六.
一種, ---- 這可能是最要緊的一種 ---- 思索
電子和原子核之間關係
的方式
是你可以想像這些電子
似乎在到處動,
在原子核周圍亂竄.
有一種模型是你可以姑且
想像它們繞著原子核運轉,
但是, 那並不十分正確.
它們不像, 譬如說, 行星
繞著太陽運行一樣在運轉.
不過, 那是很好的出發點.
另一種方式是它們會在原子核周圍跳來跳去般,
或者說它們在原子核周圍亂竄.
而那只是因為
現實在這個層面上變得非常古怪,
實際上, 我們必須借重量子物理學
才能真正理解電子在做什麼.
不過, 你腦袋裏的第一個心理模型
就是在這原子, 這碳12原子的中心,
有這個原子核.
在這裏有這個原子核.
而這些電子在原子核周圍跳來跳去.
這些電子之所以
不會離開原子核,
為什麼它們像是被原子核綁住了,
並形成原子的一部分的理由,
是因質子帶正電荷, 帶正電荷,
而電子帶負電荷.
這是這些基本粒子的性質之一.
當你開始思考
除了它是一個標籤外, 電荷基本上是什麼？
這就開始變得有些深奧了.
不過, 當我們在討論電磁力時,
我們知道的一件事
就是不相同的電荷會彼此吸引.
所以, 最佳的思考法就是
質子和電子,
因為有不同的電荷,
它們會彼此吸引.
中子是中性的,
所以, 它們真的只是坐在原子核裏,
對於特定元素的某些原子來說, 它們確實會
在某種層面上影響到性質.
不過, 電子不會
自行飛離原子核的理由
是因為它們被吸引.
它們被吸向原子核.
而且, 它們還擁有快得難以置信的速度
這其實很難 ----
一旦我們開始談論
電子真正在做什麼,
我們又開始再度觸及
物理學一個非常奇怪的部分 ----
不過, 它已經夠了.
我想, 你可以說
它跳夠啦
它不想掉進原子核內,
我想, 是一種思考它的方式.
所以, 我提到了在這裡的碳12
由質子數來定義.
氧被定義成有8個質子.
不過, 再說一次, 電子會和其他電子作用.
它們可以被其他原子拿走.
而這實際上構成了
我們對化學的大部份的理解.
它是奠基於一個原子有多少個電子,
或是某種元素有多少個電子.
這些電子如何排列,
以及其他元素, 或也許是同一元素的其他原子,
的電子如何排列,
我們可以開始推測一種元素的一個原子
可以怎麽和同種元素的另一個原子反應,
或者一種元素的一個原子 ---- 它怎麽反應的,
或者它怎麽鍵結, 或不鍵結, 或被吸引到,
或排斥另一種元素的另一個原子.
舉例來說,
---- 我們以後也會學到更多關於這方面的, ----
就是, 在某個地方的另一個原子
只因爲某種原因,
有可能就把碳的電子給搶走.
我們將會談論到, 某些元素的特定的中性原子,
相較於其他, 對電子有更大的親和力.
所以, 一個, 也許就是它們其中一個,
從碳奪走了一個電子,
那麽, 這個碳的
電子就會少於它的質子,
所以, 我們會有5個電子和6個質子.
然後, 就會帶1個正的淨電荷.
所以, 在我畫的這第一款碳12裏,
我有6個質子, 6個電子, 電荷正好抵消了.
如果我失去1個電子, 那麽我只有5個電子,
我就會有1個正的淨電荷.
在整個化學的播放清單中,
我們會對所有這些做更多的談論,
不過, 希望你認識到
一旦我們已經講到了
被稱為原子的基本構造單位,
這已經開始變得相當酷.
而更酷的是,
這個基本構造單位竟然是由
更基本的構造單位組成的.
這些東西都可以換來換去,
以致改變一個原子的特性,
或甚至從一種元素的原子
變成另一種元素的原子.