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元素和原子 (英) : 元素跟原子的關係。簡單解釋質子、中子與電子如何構成原子。
相關課程
- 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.
- 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.
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