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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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