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介紹原子 (英) : 原子、質子、中子與電子
相關課程
- 對於大多數課題，你必須學到一定深度
- 才能涉及哲學上有意思的部分
- 不過對於化學，它卻開始於
- 可以說是整個學科中最有哲理
- 的部分，那就是原子
- 關於原子的觀點，遠古的哲學家們，你
- 可以查一下是哪些哲學家
- 最開始進行這種哲思的，他們說，嘿，你知道，如果我
- 一開始用，我不知道，如果我一開始用一個蘋果
- 如果我一開始用一個蘋果
- 然後不斷的切分這個蘋果 — — 讓我先畫一個
- 好看的蘋果，讓它看上去不是
- 像一顆心髒
- 畫好了
- 你有一個好看的蘋果，並且不斷的切分它
- 越切越小
- 最終，你會得到一個特別小的小塊，非常小，以至於你
- 小的再也切不成更小的了
- 我想肯定會有一些哲學家真的會
- 拿一把刀試著這樣做，他們只是覺得
- 哦，也許我的刀能再鋒利一點，我就
- 可以把它不斷的切分下去了
- 所以它（原子概念）完全是一個哲學概念，
- 坦白地說，在很多方面，這跟現在的原子概念
- 沒有太多的不同
- 它實際上是一個思維的抽象化，使我們能夠
- 描述很多我們對宇宙的觀察
- 但不管怎麽說，這些哲學家說，嗯，在某一點，我們
- 認爲會有蘋果的某一小部分
- 無法再被切分
- 他們把它稱爲原子
- 這不只是對於一個蘋果而言
- 對於你在宇宙中遇到的任何物質或任何元素，
- 都是如此
- 原子這個詞的本意是希臘語的“不可分的”。
- 不可分的或不分割的
- 不可分的
- 現在我們知道實際上它（原子）是可分的，雖說它
- 已經夠小的了，可它也並不是我們所知的物質的
- 最小形式。
- 我們現在知道原子是由比原子更
- 基本的粒子組成
- 讓我寫下來
- （這些基本粒子）有中子
- 很快我會畫出來他們是如何組合在一起以及
- 原子的結構
- 我們有一個中子
- 我們有一個質子
- 我們還有電子
- 電子
- 你可能已經很熟悉這些內容了，如果你觀看了
- 之前有關原子的影片，你會看到一個圖
- 看起來是這樣的
- 我看看我能否畫一個
- 你會看到類似的東西
- 你會看到這些東西環繞著旋轉
- 像這樣
- 看起來像是有軌道
- 看起來像是有軌道什麽的
- 這些原子核結構圖背後的一般概念是
- — — 我敢肯定一些政府國防實驗室或者類似的地方
- 還會出現 — — 那就是，
- 原子的中心有一個原子核
- 原子的中心有一個原子核
- 並且我們知道原子核有中子和質子
- 中子和質子
- 我們會比較多地談到各種元素包含
- 幾個中子和幾個質子
- 然後是軌道，我現在就要用到軌道這個詞
- 盡管我們待會才會學習它
- 用軌道這個詞實際上是不正確的，或者說
- 是用不正確的思維方式想像
- 電子如何運動
- 但是以前人們認爲，這些電子
- 圍繞原子核運行的方式，非常類似於
- 地球環繞太陽或者月亮
- 環繞地球運行的方式
- 但是，事實上這是
- 一種非常錯誤的想法
- 等我們學到量子力學的時候就會知道爲什麽這是
- 錯的，就會知道當你試圖把電子模擬成行星
- 圍繞太陽轉的時候
- 會出現什麽樣的矛盾
- 但這是有點原始的想法，坦白地講我
- 認爲這是（當時）最主流的對
- 原子的看法
- 現在，我說原子在哲學意義上很有趣。
- 爲什麽在哲學意義上很有趣呢？
- 因爲在今天看來被接受的
- 原子觀念實際上開始使我們的物理現實與
- 世界中的一切和變得模糊
- 事實上並不是每種東西都像我們平時所定義的
- 真實物質或真實粒子
- 你知道，對於我而言，一個粒子，噢，它看起來
- 像一粒沙子
- 我可以把它撿起來，摸它。
- 但是波，比方像聲波，
- 就只是能量隨著時間推移而發生的變化。
- 但我們會了解，尤其是當我們學到量子力學時候，
- 在我們開始接近原子尺度時， 一切都變的
- 混亂起來
- 總之我覺得（之前那個原始的）思考原子的方法是不對的
- 正確的方法是什麽呢？
- 所以結論就是---這是一幅畫，這又不是一幅畫
- 這也是一種描述方法
- 我剛才所說，這是一個有趣的問題
- 你如何能獲得一個原子的照片？
- 因爲實際上大多數光的波長
- 特別是光的可見光波長
- 都比原子的尺寸大得多
- 所有我們所謂的在生活中”觀察到“的物體
- 都是由於光的反射
- 但是這時候你要觀察原子
- 反射光看起來就太大了
- 或者說是用做觀察原子的工具就弱爆了
- 不管怎樣，這是對氦原子的描述
- 氦原子有2個質子和2個中子
- 或者至少是這個氦原子有2個
- 質子和2個中子
- 他們描繪原子核內部結構的方式
- 那兒，也許是兩個 — 假定
- 他們用紅色表示質子，紫色表示中子
- 紫色似乎是比較中性的顏色
- 他們位於原子的中心
- 然後周圍環繞的雲，是
- 氦原子的兩個電子，或至少
- 是這個氦原子的電子
- 也許你可以獲得或失去一個電子
- 但（此時）這是兩個電子
- 你說，嘿，Sal，爲什麽兩個電子會這麽模糊
- 好像原子周圍髒兮兮的
- 而這才是哲學上有意思的地方
- 所以你不能用傳統軌道理論來描述
- 一個電子圍繞原子和的軌迹
- 傳統軌道理論是我們在觀察行星
- 或想像大尺度事物的時候會遇到的概念
- 現在的結論是，一個電子，在任何給定的時間點上
- 無法得知電子的動量和位置
- 你能知道的就是一個它可能出現的
- 位置的機率分布
- 他們是這樣描繪的，顏色越深的地方幾率越高
- 所以你在這兒比你在那兒更有可能找到
- 電子
- 但是電子事實上可以在任何地方
- 它甚至能夠在這裡，即使它完全是白色
- 那兒只有非常、 非常、 非常、 非常、 非常低
- 的機率。
- 這個表示電子位置的函數被稱爲
- 軌道
- 軌道
- 不要跟（宏觀的）軌道混淆
- 軌道
- 記住，（宏觀）軌道是這樣的
- 就像金星環繞太陽轉
- 很容易具體的想像
- （微觀的）軌道實際上是一個數學的機率
- 函數，它告訴我們在哪裏
- 更有可能找到電子
- 我們介紹量子論時會接觸更多內容
- 但不會包括在這種入門類的
- 係列化學講座中
- 不過很有趣，是不是？
- 電子的行爲是如此怪異以至於你
- 無法 — 我的意思是，把它稱爲粒子幾乎是一種誤導
- 它被稱爲粒子，但它卻不是我們日常生活
- 中所熟悉的粒子 。
- 這個電子你甚至不能說它到底在哪兒
- 它可能在這片雲中的任何位置
- 稍後我們將學到，當我們給原子添加更多電子時
- 雲會有不同的形狀
- 但對我來說，它開始說明一個哲學問題：
- 關於物質到底是什麽，它如何構成我們所觀察的一切，
- 它們到底有多真實？
- 或者至少在我們已經定義的真實上面，它們的真實性有多少？
- 不管怎麽說，我並不想讓你太過哲學
- 但是，電子、 質子的整個概念
- 都是基於電荷概念的一種推測
- 我們之前講過這個，就在我們學習
- 庫倫定律的時候
- 你可以物理播放列表中複習一下庫倫定律的影片
- 就是說一個電子
- 帶一個負電荷
- 一個質子，有時寫成這樣
- 帶一個正電荷
- 中子不帶電
- 那就是電子的最原始模型吸引人
- 的地方
- 如果他們說，好了，如果這些東西帶正電，對嗎？
- 假設這是2個中子和2個質子
- 假設這是氦原子
- 那麽，我們這裡就會有一些正電荷
- 我們在這裡還有一些負電荷
- 相反電荷互相吸引
- 如果這些粒子具有一定的速度，足夠的
- 速度，他們會繞著這一點，就像
- 行星環繞太陽運行一樣
- 但現在我們知道，即使這樣說也並不完全正確
- 電子離核愈遠，它會
- 具有更多的勢能。真的
- 所以它會想向核移動
- 但是因爲有量子力，它不會
- 簡單地沿這樣的軌迹移動，像
- 一顆彗星繞著太陽轉那樣。它實際上采取這種
- 波式的行爲，這時只有機率
- 函數可以描述它的行爲
- 但離軌道越遠，它的確
- 會有更大的勢能
- 在以後的影片中我們將學到更多
- 總之，你怎麽分辨元素是哪一種元素？
- 我已經談了很多有關的哲學問題
- 但是我怎麽知道這是氦元素？
- 是根據它的中子數嗎？
- 是根據它的質子數嗎？
- 還是根據電子數呢？
- 答案是，它是由質子數決定的。
- 所以，如果你知道一個元素的質子數，你
- 就知道該元素是什麽。
- 因此質子數，就被定義
- 成原子序
- 現在，比如說，某個原子有四個質子
- 我們如何知道它是什麽元素？
- 如果我們還沒記住它，可以查一下
- 元素周期表，在這個播放列表中湧出很多
- 你會說： 哦，4個質子
- 這就是铍
- 就在那
- 原子序就是你在這上邊看到的數字
- 而那實際就是質子數。
- 它可以用來區分
- 不同的原子
- 如果有15個質子，那就是
- 磷元素
- 突然，如果有7個質子，那就是
- 氮元素
- 如果有8個，那就是氧元素
- 元素就是這樣定義的
- 現在我們要說說關於電荷
- 以及有關的一些東西
- 當獲得或失去電子時會發生什麽
- 這並不會改變現有的元素種類
- 同樣，當改變中子數的時候
- 也不會更變現有的元素種類
- 但這就引出的一個明顯的問題，嗯，你能有多少個
- 中子和電子？
- 這個嘛，如果原子是電中性，這意味著它
- 的電子數（與質子數）相同。
- 比如說我有一個碳原子
- 它的原子序是6
- 如果說質量數是12的話
- 這是什麽意思呢？
- 我進一步說明一下，這是一個中性粒子
- 這是一個中性原子
- 碳的原子序是6
- 這告訴了我們它有幾個質子
- 所以如果我在這裡畫一個小小的模型，肯定不會
- 是非常精確的模型
- 我就畫6個——1 2 3 4 5 6
- 6個質子在中間
- 這些質子的重量，每個質子是一個
- 原子質量單位，我們之後再討論它與
- 千克的關係。原子質量單位是1千克的很小
- 的一部分
- 我想大約是 1.6 10的
- 負 27次方千克
- 這些（質子）每個都是一個原子質量單位
- 約等於，我想， 1.67 10的
- 負 27次方千克。這是一個非常小的數字。
- 它實際上幾乎不可能想象得到
- 至少對我來說是這樣
- 這會告訴我整個碳原子的質量，這個
- 特定的碳原子
- 而不同的碳原子（的質量）其實是
- 可以改變的
- 本質上這（原子質量）是所有的質子質量
- 和所有的中子質量的總和
- 每個質子有一個原子質量單位
- 每個中子有一個
- 原子質量單位
- 所以這（質量數）實際是質子數加
- 中子的和
- 在這個情況下我們有6個質子，所以我們也必須有
- 6個中子
- 6個中子加上6個質子
- 現在，電子在哪裏？
- 嗯，我說原子是中性的，因此質子具有的
- 正電荷等於電子具有的負電荷
- 這是一個中性原子，它有6個質子，所以它還
- 有6個電子
- 讓我來畫一下
- 所以我們說它有6個中子在這裡
- 1 2 3 4 5 6
- 這樣就是原子核
- 然後我們再畫電子— — 嗯，我本來可以畫成
- 髒兮兮的那種（雲），但是如果我們想更直觀一點兒
- 我們可以說，好了，那就是6個
- 電子在環繞
- 1 2 3 4 5 6
- 他們會以不可預測的方式來環繞運動
- 我們只能用機率函數來
- 來描述
- 有意思的是，原子的絕大部分的質量
- 都呆在這裡
- 我的意思是，你可能注意到了，當人們關心
- 質量，當他們關心一個原子的原子質量數
- 他們會忽略電子（的質量）。
- 那是因爲一個質子的質量
- 等於 1,836個電子（的質量）
- 所以當考慮一個原子的質量時，基本上
- 可以忽略一個電子的質量
- 事實上，原子核的質量就算是
- 原子的質量
- 現在，您會看到這個周期表，然後
- 說，好了，他們給了我們原子序
- 氧的原子序是 8
- 這意味著它有8個質子
- 矽的原子序是 14
- 它有 14 質子
- 現在這是什麽？
- 讓我們看看，在碳元素（這個位置）
- 有一個 12.0107。
- 這就是碳的原子量
- 讓我寫下來
- 碳原子量
- 碳原子量是 12.0107
- 現在，這意味著什麽呢？
- 這是否意味著碳有6個質子，然後
- 剩余的，剩余 6.0107 個中子，它似乎
- 成了中子的那部分？
- 不是的
- 這說明，如果要平均一下
- 地球上存在的不同種類的碳， 你需要
- 根據不同碳原子中的（中子個數）含量來
- 平均中子的數目，這是
- 你所得到的平均值
- 事實證明，碳的兩個主要存在形式
- 大多數是碳 12
- 所以，像這樣
- 所以，它有6個質子和 6 個中子
- 然後另一個（是）碳的同位素
- 同位素是具有不同中子數目
- 的一組相同元素
- 碳的另一種同位素C-14，它是
- 地球上比較稀有的元素
- 我們不知道宇宙中有多少，只是在地球上
- 現在，如果你要平均這些，不能只是直接的
- 平均，那樣會得到C-13，然後原子
- 量會是 13，但你把它算得過重了
- 因爲這種（碳-12）以多的多的數量存在於地球上
- 我的意思是，這（碳-12）是你看到的幾乎
- 所有的碳
- 不過有一點點這種 （碳-14）
- 所以，如果你想正確的計算他們的原子量，平均
- 值是這樣的
- 大多數我們能找到的碳— — 如果你正好在某些地方
- 找到碳，碳原子的平均重量以
- 原子質量單位計會是12.0107
- 不過同位素的概念是很有意思的
- 請記住，當你改變中子數，你不會改變
- 實際的基本元素
- 你只得到了不同的同位素，不同
- 這種元素的不同形式
- 所以這兩種形式的碳元素都是碳的同位素
- 現在，我要把我認爲原子背後最牛的理論
- 留到這個影片的最後
- 這是它們最具有哲學趣味的地方
- 那就是他們的相對大小 -- 這些電子
- 只占很小的一部分原子的質量
- 電子是一個原子質量的 1/2000
- 即使如此，要以粒子來描述它們仍比較困難
- 因爲你甚至不能告訴我一個粒子到底在哪裏和
- 它移動的有多快
- 他們只有機率函數
- 所以原子的大部分（質量）都在原子核裏
- 這就是有意思的地方
- 如果你觀察一個普通的原子
- 如果你說這是我的原子
- 比如說我有兩個成鍵原子
- 我會說，這其中有多少是實際的東西？
- 當我說東西的時候，這是一個很抽象的概念，因爲
- 我們在談論原子核，對嗎？
- 因爲原子核（的質量幾乎）是整個（原子）的質量
- 是所有的東西所在
- 事實證明它實際上是原子體積的無窮
- 小的一部分 — —而原子的體積
- 是很難界定的，因爲電子可以
- 在任何地方，但如果把這部分體積看作
- 最有可能找到電子地方， 或有有90%
- 的幾率你可能會找到電子，那麽
- 原子核是，在很多情況下我是這麽想的
- 原子核大約 是（原子）體積的1/10000
- 所以，如果你想想，當你看著什麽東西，如果你
- 看看你的手或者看看牆上，再或者
- 看看你的計算機，99.99%都是空無一物的空間
- 什麽都沒有
- 是真空的
- 如果你有個超小型--我猜我們可以叫他們
- 粒子或什麽的 — 他們大多會直接穿過
- 那些你看的東西， 無論你看的是什麽
- 所以這已經開始
- 質疑我們所認爲的現實了
- 有一個事實，而不是
- 理論是— 如果你把任何東西分解到
- 最小的結構單元，小到原子水平，那麽大部分的
- 所謂“物體”的這種空間，是
- 真空空間
- 你可以直接通過它，如果你能（把自己）減小到
- 那個尺度的話
- 這個氦原子的圖像，他們說， 這兒
- 這是一個毫微微米（10<i>e-15米）</i>
- 對吧？
- 一個毫微微米
- 這是氦原子的原子核
- 的尺度，對嗎？
- 一個毫微微米
- 這是一個埃（10<i>e-10米），對嗎？</i>
- 等於十萬毫微微米
- 爲了對這個尺度有點感覺，1埃爲 1 乘以
- 10 的負10次方米，對嗎？
- 所以原子是大約 1 埃這麽大
- 對於氦原子，它的原子核
- 甚至是更小的一小部分
- 它是（原子的）十萬分之一
- 所以如果你有 — 比如說你有液氦，你必須
- 失溫到非常低才能獲得液氮
- 如果你正在觀察它，它的絕大部分空間都是空的
- 如果你在看一塊鐵塊、 它的絕大 絕大 絕大
- 絕大 絕大 絕大部分空間是空的
- 我們甚至不討論，或許在原子核中也有一些
- 空的空間，我們可能會在
- 以後談到
- 但對我來說，這實在令我興奮：我們看的大多數東西
- 並非真的實心固體
- 它們真的只是空的空間，但是它們看起來很結實堅固
- 這是由於光的反射方式或者那些
- 作用於我們的力
- 但是在那真的不存在可以摸到的東西
- 就在這裡，大部分是完全無物的空間
- 我想我已經說完了自由空間這個詞，我想
- 我會把更加
- 令人興奮的（話題）留給下一個影片
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