2.微观世界

亲爱的读者们，现在我将要带你们走进一个微观的世界中去。

这是一个能大能小的实验室，里边已经有人在等着我们的到来了。看，他就站在那里，一身工作服，长相也很平常，虽然他看上去很年轻，却是一位出色的发明家。

他开口说话了：“来吧朋友们，让我们先进屋。这间小屋的材料很特殊，能够允许任何波长的射线通过，当然也包括那些波长最短的宇宙射线。在我们进去后，我将把手往右转，我们的身体就会缩小，这个过程可能会有些难受，不过还好，仅仅需要几分钟就可以了。4分钟后我们就会缩小到千分之一大小了！到那时我们可以出去看看，世界将变得如同显微镜下的那样清晰。之后我们将再经历难熬的4分钟，再次缩小到千分之一的千分之一。”

说完这番话，我们转动了把手。

于是我们成了蚂蚁般大小。此时我们听到的声音已经和之前不太一样了，我们的听觉器官已经失去了调节声波的作用，所以我们只能听到一些嘈杂的声音。虽然听觉受到了影响，但是视觉却仍然完好，自然界中有一种波长为正常光千分之一的X射线，在这种射线下看物体的话，会发现大多数物体变得透明了，就连金属都变成了有色的，与有色玻璃差不多了……然而，真正的玻璃以及树脂琥珀等却失去了它们本来的色彩，变成了黑色，看上去像是金属了。

植物的细胞清晰可见，里边充满了不停跳动的汁液和淀粉颗粒，我们甚至可以将手放入植物细胞的呼吸孔中去了；动物细胞同样看得非常清楚，很容易看到一些铜元大小的血球漂浮在血液里；不仅如此，结核菌和霍乱菌的样子也很容易分辨：结核菌像弯曲的无帽钉子，霍乱菌像长有尾巴的豆子……

虽然如此，但是我们仍然看不到分子，只能看到不停颤动的墙壁，随便一阵气流就能把我们的脸吹得很疼，就像是那种夹杂着沙子的风。不过，由此我们也能得知我们已经接近物质分割的极限了。

按照那个人所说，我们再次回到屋子，再次向右转了一次把手。这一次，所有的一切都变得昏暗了，屋子也开始如同出现地震一般剧烈的震动。预计的时间过去后，屋子仍然没有停止震动，并且四周大风怒号，一些不知道是什么的东西如同冰雹和机枪炮弹一般打在我们的头上。

向导说话了：“现在这种情况不能出去。我们的身体已经缩小到平常的百万分之一了，总共只有不到两个微米长……目前我们的头发只有亿分之一厘米，也就是‘埃’，分子和原子一般用这个单位来描述。各种气体分子的直径大约就是一埃。可以看出，它们的移动速度非常快，我们的小屋就是被这些原子和分子击打着。”

“4分钟前我们出屋子时有一种沙粒打在脸上的感觉，那些沙粒就是一部分气体分子。现在我们变得更小了，那些气体分子对我们来说已经非常大了，非常危险。”

“现在从窗户向外看一眼，我们会发现那些原本只有一微米大小的尘埃。现在它们却和我们差不多大。看啊，它们跳动得多剧烈！当然我们仍然看不到分子，因为它们的运动速度太快，我们的眼睛来不及反应……现在我想我们该回去了。要知道我们的眼睛现在正在超短波的射线中看分子，而这种波对我们的眼睛是有伤害的。”

说完，向导开始反向转动把手。

虽然这只是虚构出来的旅行，不过其中说的都是接近现实的情景。

只需要看一下实验的结果我们就会发现，对复合物质进行分析后会得到很多单质，这些单质在最完善的化学分析方法前也无法被分解成更简单的部分了。这些单质正是构成我们熟知的大自然的最基本物质，也就是元素。

我们生活在这个世界里，每天都要和不同的物体接触，死的、活的；固体、液体、气体，各种各样。根据这些“属性”，我们就能够得出物质的概念。研究自然的人要面对的首要问题就是：某种物质的性质和构造是怎样的。

如果仅凭感官，我们可能会说物质是连续的，然而这并不正确，这样的答案只是我们的感官造成的片面印象而已，它欺骗了我们。事实上，如果通过显微镜观察，我们就能发现物质的内部有很多孔洞，它们是多孔的，并非连续不断的，而这些是肉眼看不到的，所以我们才会被我们的感官欺骗。

水、酒精还有其他的液体或是气体看起来似乎根本就没有什么孔洞，然而我们不得不承认它们的分子间的确是存在空隙的，不然的话我们要怎么解释物体受热膨胀以及增压压缩呢？

事实上，从本源上来说任何物体都是颗粒状的，因为构成物质的最小单位原子或者分子都是颗粒状的。人们已经测定过，水总体积的四分之一到三分之一是分子，其他的部分则全部都是空隙。

原子和原子靠近时会相互排斥，而这常常导致它们并不能真正密集的排列，而是百分之百会有空隙产生。每一个原子周围都有无法靠近的“领地”，一般情况下其他物质是无法进入这个“领地”的。于是我们可以将原子包括这个“领地”看作是一个弹性球体，球体和球体之间相互独立。不同的原子形成的球体大小也是不同的，它们的半径同样是用“埃”来描述的，比较小的一些有碳（C）——0.19埃，硅（Si）——0.39埃；适中的有铁（Fe）——0.83埃，钙（Ca）——1.06埃；比较大的有氧（O）——1.40埃。下图中是两种常见物质的模型，其中元素们都按照对应的大小画成了圆球状。

不过，假如我们将诸多的球体同时置于同类容器里，比如说，放在一个盒子内，于是球一旦随意滚开的话，显然这样一来它们的容积就较之聚集在一块要大得多。将物体聚集起来的方法五花八门，一般人们把物体堆积后占据面积最小的那种方法称作最紧堆聚法。其实要做到也不难，不妨做一做下面的实验：取一些小钢珠最好是轴承的珠子摆到一小盘子内，然后轻轻敲那个盘子。缘于任何钢珠都会滚到盘子中央，这样的话众多的钢珠便都将紧密地聚集到一块儿，而且会快速地排成数行，而球心的诸条连线也会相互交叉出60°的角。站在外围你会发现，它们排成了正六角形。这就是大小相同的球体在一个平面上的最紧堆聚法，而铜和金等这些金属之原子，就是这么聚集到一块儿的。

倘若球体的大小不一，比如两种球体的大小相近，这样的话大点儿的球体（比方说我们日常吃的盐内含有的氯）就堆集得很紧实，于是小一些的原子便只好充斥在大球的间距内。

如此说来食盐或者是岩盐（NaCl）之中，六个氯原子紧紧围绕着每个钠原子，不仅如此，六个钠原子也紧紧环绕在每个氯原子的周边。此时钠离子与氯离子相互间的引力是最大的。

同理，我们身边的所有物质，无论复杂的或者是简单的，均有无数个不借助显微镜无法看见的最微小的粒子——构造出的，就如同人们用诸多的方砖建造出的宏伟房子似的。

原子（希腊文原来的意思为“不可分的”）思想的启蒙发端于遥远的古代，人们通过有记录的文献了解到早在公元前600—前400年生活于这个时代的希腊的留基伯与同时期的德谟克利特这两位唯物哲学家。起源于19世纪的原子理论认为，构造出单质的呈游离态的化学元素，为同类原子的总体，这种原子不可再分，我们这里所言的不可分就保有这种物质的特性而言的。

要知道同类化学元素的原子在构造上毫无二异，而且它们的质量也特定，即原子量。

进入20世纪初叶，科学家经研究发现我们的地球上存在着92种互不相同的元素，也即92种各不相同的原子。目前，这92种元素里由自然界的物质内分离到了90种，也就是说人们认识了的原子有90种，即使没发现其余的元素，我们也不应怀疑它们的存在性。我们看到的宇宙中的所有物质，都是由这92种原子形成的。

随着时间的推移，人们发现铀元素最重，其原子的序号排在第92位。

人们在研究铀家族元素衰变过程时，又出现了更重的被称为超铀元素的物质：比如93号镎（Np）、94号钚（Pu）、95号镅（Am）、96号锔（Cm）、97号锫（Bk）、98号锎（Cf）、99号䥺（An）、100号钲（Cn）。也许还有更加重的元素存在，不过这也没什么好惊讶的。不过这些元素一是不稳定；二是稀少难得一见，因此人们在探索地球里面的物质成分时，通常以为所有的物质都由这92种元素形成，不过这个认识不会和实际情形有太大的出入。

同一种元素的原子，或者是种类互不相同元素的原子，一对一对的或者是越来越多的相结合，就能形成各个物质的分子。原子和分子相结合，就有了宇宙中的样子各异的物体。很明显原子和分子的数量众多。譬如取18克的水，也就是说在约1摩尔的水中，包含的水分子数量为6.06×1023个。

这个数量大得惊人，从地球上长出植物起产出的黑麦和小麦的数量，也仅为其数量的几千或者几万分之一。

为了清楚认识分子的大小，我们就拿它同最微小的细菌来比一比，唯有将显微镜调大将近一千倍方可瞧见细菌，目前世界上最为微小的细菌仅有万分之二毫米，不过它还是要大出水分子一千倍，换句话说，世界上最微小的细菌也是由20亿以上的原子构成的，也就是说它的数量超出了地球上的人口数量了。

若是将三滴水中的所有水分子连接起来的话，大概相当于太阳至地球间距的三个来回，因为水分子连接起来的长度为940000000千米！

最初的时候人们认为原子是不可再分的粒子，但是随着科技的发展和研究工具及方法的改进，人们通过反复研究意识到，原子的结构相当的复杂。在人类发现了元素的放射现象并着手研究该现象之后，方了解到原子的构造。

无论哪个原子的中间都会存在一个核，而且核的直线长度约为原子直线长度的十万分之一。核内聚集着原子的大部分质量。核携带着正电荷，而由元素氢和氦及铍构造出原子的结构（下图）。原子核处于居中位置，而核外部的圈则代表着电子的轨道重量，携带的正电荷量也越多。环绕携带着正电荷的核运动的则是电子，电子的数量与核携带的正电荷数量一致，就原子总体而言便为电中性了。

任何化学元素的原子核均包括两种最为简单的粒子：其一，为质子，即为氢的原子核；其二，就是中子，中子的质量同质子不相上下，但是它哪种电都不带。在核内质子和中子很紧密地聚拢于一起，因此不管发生何种化学反应或者是发生任何简单的物理现象，原子核均不会出现连锁反应，自始至终维持着原有的样态。

最为明显的为由两个质子和中子形成的氢原子核。氢原子核很不活跃，即使在重元素的原子中似乎也存在着该类氢原子核，一旦遇到重元素放射衰变就会发射出α粒子。

一般来说，原子外边的电子层的构造和性质制约着元素的化学性质，即由丧失或者是获得的电子的能量来确定，而原子核的结构不会对原子的化学性质产生任何影响。因此，如果原子周边的电子数量相同，在这种情况下就算核的结构同质量，即原子量不相同，但它们的化学性质依然近似，也就是说同属一个族类，就像氯和溴及碘都属于一个族一样，不过还有相似的状况存在。

下面的图为我们展示了几种原子结构模型。通过观察下图我们不难得出，电子轨道的复杂程度是随着原子数量的变化而改变的。