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黃河《電(上)》2016/3/11

二○一六年三月十一日
《》黃河

  幾週前介紹一個聽起來很深奧,其實挺單純的物理定理《相對論》
  今天要反過來談另一個話題──電,一個聽起來很簡單,其實頗複雜的物理現象。
  不複雜嗎?
  自從十九世紀末期電進入工業和家庭,它和我們的生活越來越緊密,至今可說是除了陽光、空氣、水,人類生活不可或缺的第四個元素。
  可是,你不覺得和人類生活密不可分的電,我們似乎一知半解?
  好比說到底什麼是電?
  輸送水流的水管只有1條,為什麼輸送電流的電線必須2條?


相片一:水管與電線。

  另外,直流電和交流電有什麼差異?哪一個比較危險?
  對這些我們經常接觸、經常面對的問題,你是否徹底了解呢?
  今天我願意再度發揮研究精神,對前述問題進行深入淺出的說明。

原子(atom)

  原子的英文名(atom)是從希臘語?τομο?(atomos)「不可切分的」轉化而來,那是因為早期的科學家認為原子是物質不可切割的「最小粒子」。
  好比說不管使用何等高科技儀器,金塊透過不斷切割、化學分解,最終總會存在1個「無法切割」的「金原子」。


圖一:想像中的金原子。

  反之,金塊也由金原子一個一個累積而成。
  很直覺的想像,早期科學家也的確認為如此,然而這觀念是錯誤的。
  20世紀初期,物理學家發現原子的內部結構,那是由一個位於原子中心的「原子核」,以及數個圍繞原子核旋轉、帶負電的「電子」組成。
  例如圖二是擁有3個旋轉電子的原子。


圖二:擁有3個電子的原子。

  後來進一步發現原子核並非「1顆球體」,而是由帶正電的「質子」以及不帶電的「中子」組成。而且通常外圍有幾個電子,原子核便擁有數目相等的質子與中子。
  例如擁有3個電子的原子,其原子核的組成如圖三。



  也因此,圖二較正確的內容應為圖四。


圖四:原子結構示意圖。

  從圖四不難看出,由於電子數(負電)與質子數(正電)相同,因此原子為「電中性」。至於質量,中子與質子概略相等,而中子為電子的1,840倍,所以超過99.9%的原子質量都集中在原子核。
  講到這你應能回憶起學生時期學過的化學元素週期表(請參考表一),其中每一個方格都代表一個元素,左上角阿拉伯數字是「原子序號」,代表該元素所擁有的電子、質子,以及中子數。


表一:化學元素週期表。

  從表一可知,宇宙中最輕的原子為氫(H),原子序號1,代表氫原子擁有1個電子、1個質子、1個中子。
  同理可知金(Au)的原子序號79,代表金原子擁有79個電子、79個質子,以及79個中子。
  有趣的是,如能把氫原子與金原子徹底拆散,二者得到的電子、質子、中子沒有任何差異。
  腦筋動得快的朋友這時應想得到:若能將79個氫原子壓縮成1個原子,使新原子擁有79個電子、79個質子、79個中子,那不就是金原子嗎?
  沒錯,果能如此,我們是可以從平淡無奇的氫氣中淬鍊出金子。
  將79個氫原子壓縮在一起,原子數目太多,太困難了嗎?
  不妨換個方式──將1個銅原子(Cu,原子序號29)與1個錫原子(Sn,原子序號50)壓縮成1個原子,或使用強力從汞原子(Hg,原子序號80)中移除1個電子、1個質子、1個中子,不也能淬鍊出金子?
  這就是早年風靡一時的「鍊金術」。
  別說是財迷心竅的門外漢,即使大名鼎鼎的科學家如牛頓,後半生也醉心於鍊金術。
  可是,從牛頓到今天已經過了三百年,這中間經歷多少科學家,嘗試過多少種方法,可曾有誰成功過?
  由此可見增減原子的電子、質子,以及中子數,改變原子屬性是極其困難的工作。
  有多困難呢?
  看到元素週期表,某些讀友可能會產生一個錯誤的觀念──宇宙大致由這些元素均勻(所佔的比例都差不多)組成。
  其實不僅不均勻,而且極其偏頗。
  以太陽為例,氫占71%,氦占27%,其他所有元素僅占2%左右。
  氫與氦具備什麼特色?
  氫的元素序號為1,是宇宙最輕、最單純的原子。
  氦的元素序號為2,是宇宙第二輕、次單純的原子。
  而它們所占的比例分別為71%與27%──由此可知,宇宙最原始的組成應為最單純的氫原子;而後不斷地在高壓、高熱,以及高輻射撞擊下,氫原子漸次融合成新元素。
  明白嗎──即使上帝出手,也僅融合了近三成的氫原子,而其中產量最大、超過九成的融合工作,不過是將2個氫原子融合成1個氦原子!
  講到這,你應能明白增減原子的電子、質子,以及中子數,改變原子屬性是何等的困難。
  
  原子另外還有一個令人難以置信的現象是它所占的空間──假如原子核的大小如同一隻螞蟻,電子運動的範圍就約略等於一座棒球場(請參考圖五)!


圖五:原子占據空間示意圖。

  請仔細看圖五,明白「占據空間」所代表的意義嗎?
  那是不輕易容許其他原子「侵入」的範圍。
  例如圖五的原子聚集在一起,可能的結構便如圖六──原子與原子之間只有部分重合。


圖六:原子組成示意圖。

  請仔細看圖六,並試著發揮微觀想像力,你會明白物質的結構,不管是氣體、液體、固體,或硬邦邦的金屬,其實它們的內部組成絕大部分都是「什麼都沒有的」空間!
  了解原子組成是如此空洞,我們便能體會「萬有引力」是何等偉大──小如螞蟻的原子核,竟可拉住如塵埃般的電子在棒球場一般巨大的空間內規律旋轉!

分子(molecule)

  原子是透過化學手段,分解之後所能得到的「最小粒子」。
  如果不透過人為的化學手段,原本就存在於自然界的「最小粒子」為分子。
  分子由1種或數種原子組成。例如氫分子為H2 (2個氫原子),水分子為H2O (2個氫原子+1個氧原子)。


圖七:氫分子與水分子。

  現在問題來了,為什麼有的分子是單原子,有的是多原子?它們又為何要結合成某一種特定形狀?
  說明這些問題的答案以前,請先了解電子環繞原子核旋轉的軌域。
  從元素週期表可知,每個原子都包含數個到近百個電子──那麼多的電子並非環繞著同一個旋轉半徑(軌域),而是類似圖八,電子由內(靠近原子核)往外依序填補,且每層軌域最大電子數皆有上限,其公式為:2 x n2


圖八:電子旋轉軌域示意圖。

  例如圖八,第n層軌域最大電子數為:
  n=1,最大電子數 = 2x12=2。
  n=2,最大電子數 = 2x22=8。
  n=3,最大電子數 = 2x32=18。
  n=4,最大電子數 = 2x42=32。
  …………
  電子靠原子核越近,受到的吸力越強,本身動能越小,越不容易逃脫原子的範圍,也就越穩定。反之,電子離原子核越遠,受到的吸力越弱,本身動能越高,逃脫原子範圍的可能性越高,所以越不穩定。
  所有軌域中「最不穩定」,或「最活潑」的電子必然是處於最外層的電子,此又稱「價電子」;不過,價電子的個數如果為2(原子序號小於2)或8(原子序號大於或等於3),分子反而會出現穩定的現象。
  例如氦原子(He,原子序號2)最外層的電子數就是2個,滿足上述穩定的條件,因而單1個原子就可以形成分子,所以「氦分子」的結構就是「氦原子」。
  可是氫(H)原子只有1個電子,它會試圖捕捉1個電子使能達成「價電子 = 2」的穩定狀態,所以很容易結合另一個氫原子形成圖九的氫分子。


圖九:2個氫原子結合成1個氫分子。

  請注意圖九是2個氫原子結合成1個氫分子,和2個氫原子「融合」成1個氦原子是截然不同的工作。
  圖九的兩個氫原子都擁有2個電子,都滿足價電子數等於2的條件,如此便結合成1個穩定的氫分子,同時還能保持電中性。
  宇宙間萬事萬物都在追求「穩定」──切記這個大原則。
  即使價電子數目滿足2或8,在「原子」結合成「分子」的過程中,某些條件下「價電子」仍得以脫離原子的束縛,從而自由自在地在「分子晶體中」運動,這種電子就稱為「自由電子」。
  自由電子愈多,導電與導熱的能力就愈強。
  由於金屬原子結合成金屬晶體時,外層電子便脫離母原子成為自由電子,所以大部分金屬都擁有相當數量的自由電子,是極佳的導體。反之木、布、橡膠等非金屬物質,由於所含的自由電子數量極低,以致導電效果甚差。
  
  看到這,你應該感覺很沉重了。
  今天暫且說到這兒,下週繼續往下講。


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