原子的介绍

对于大多数课题，你必须学到一定深度 才能涉及哲学上有意思的部分 不过对于化学，它却开始于 可以说是整个学科中最有哲理 的部分，那就是原子 关于原子的观点，远古的哲学家们，你 可以查一下是哪些哲学家 最开始进行这种哲思的，他们说，嘿，你知道，如果我 一开始用，我不知道，如果我一开始用一个苹果 如果我一开始用一个苹果 然后不断的切分这个苹果 — — 让我先画一个 好看的苹果，让它看上去不是 像一颗心脏 画好了 你有一个好看的苹果，并且不断的切分它 越切越小 最终，你会得到一个特别小的小块，非常小，以至于你 小的再也切不成更小的了 我想肯定会有一些哲学家真的会 拿一把刀试着这样做，他们只是觉得 哦，也许我的刀能再锋利一点，我就 可以把它不断的切分下去了 所以它（原子概念）完全是一个哲学概念， 坦白地说，在很多方面，这跟现在的原子概念 没有太多的不同 它实际上是一个思维的抽象化，使我们能够 描述很多我们对宇宙的观察 但不管怎么说，这些哲学家说，嗯，在某一点，我们 认为会有苹果的某一小部分 无法再被切分 他们把它称为原子 这不只是对于一个苹果而言 对于你在宇宙中遇到的任何物质或任何元素， 都是如此 原子这个词的本意是希腊语的“不可分的”。 不可分的或不分割的 不可分的 现在我们知道实际上它（原子）是可分的，虽说它 已经够小的了，可它也并不是我们所知的物质的 最小形式。 我们现在知道原子是由比原子更 基本的粒子组成 让我写下来 （这些基本粒子）有中子 很快我会画出来他们是如何组合在一起以及 原子的结构 我们有一个中子 我们有一个质子 我们还有电子 电子 你可能已经很熟悉这些内容了，如果你观看了 之前有关原子的视频，你会看到一个图 看起来是这样的 我看看我能否画一个 你会看到类似的东西 你会看到这些东西环绕着旋转 像这样 看起来像是有轨道 看起来像是有轨道什么的 这些原子核结构图背后的一般概念是 — — 我敢肯定一些政府国防实验室或者类似的地方 还会出现 — — 那就是， 原子的中心有一个原子核 原子的中心有一个原子核 并且我们知道原子核有中子和质子 中子和质子 我们会比较多地谈到各种元素包含 几个中子和几个质子 然后是轨道，我现在就要用到轨道这个词 尽管我们待会才会学习它 用轨道这个词实际上是不正确的，或者说 是用不正确的思维方式想像 电子如何运动 但是以前人们认为，这些电子 围绕原子核运行的方式，非常类似于 地球环绕太阳或者月亮 环绕地球运行的方式 但是，事实上这是 一种非常错误的想法 等我们学到量子力学的时候就会知道为什么这是 错的，就会知道当你试图把电子模拟成行星 围绕太阳转的时候 会出现什么样的矛盾 但这是有点原始的想法，坦白地讲我 认为这是（当时）最主流的对 原子的看法 现在，我说原子在哲学意义上很有趣。 为什么在哲学意义上很有趣呢？ 因为在今天看来被接受的 原子观念实际上开始使我们的物理现实与 世界中的一切和变得模糊 事实上并不是每种东西都像我们平时所定义的 真实物质或真实粒子 你知道，对于我而言，一个粒子，噢，它看起来 像一粒沙子 我可以把它捡起来，摸它。 但是波，比方像声波， 就只是能量随着时间推移而发生的变化。 但我们会了解，尤其是当我们学到量子力学时候， 在我们开始接近原子尺度时， 一切都变的 混乱起来 总之我觉得（之前那个原始的）思考原子的方法是不对的 正确的方法是什么呢？ 所以结论就是---这是一幅画，这又不是一幅画 这也是一种描述方法 我刚才所说，这是一个有趣的问题 你如何能获得一个原子的照片？ 因为实际上大多数光的波长 特别是光的可见光波长 都比原子的尺寸大得多 所有我们所谓的在生活中”观察到“的物体 都是由于光的反射 但是这时候你要观察原子 反射光看起来就太大了 或者说是用做观察原子的工具就弱爆了 不管怎样，这是对氦原子的描述 氦原子有2个质子和2个中子 或者至少是这个氦原子有2个 质子和2个中子 他们描绘原子核内部结构的方式 那儿，也许是两个 — 假定 他们用红色表示质子，紫色表示中子 紫色似乎是比较中性的颜色 他们位于原子的中心 然后周围环绕的云，是 氦原子的两个电子，或至少 是这个氦原子的电子 也许你可以获得或失去一个电子 但（此时）这是两个电子 你说，嘿，Sal，为什么两个电子会这么模糊 好像原子周围脏兮兮的 而这才是哲学上有意思的地方 所以你不能用传统轨道理论来描述 一个电子围绕原子和的轨迹 传统轨道理论是我们在观察行星 或想像大尺度事物的时候会遇到的概念 现在的结论是，一个电子，在任何给定的时间点上 无法得知电子的动量和位置 你能知道的就是一个它可能出现的 位置的概率分布 他们是这样描绘的，颜色越深的地方几率越高 所以你在这儿比你在那儿更有可能找到 电子 但是电子事实上可以在任何地方 它甚至能够在这里，即使它完全是白色 那儿只有非常、 非常、 非常、 非常、 非常低 的概率。 这个表示电子位置的函数被称为 轨道 轨道 不要跟（宏观的）轨道混淆 轨道 记住，（宏观）轨道是这样的 就像金星环绕太阳转 很容易具体的想像 （微观的）轨道实际上是一个数学的概率 函数，它告诉我们在哪里 更有可能找到电子 我们介绍量子论时会接触更多内容 但不会包括在这种入门类的 系列化学讲座中 不过很有趣，是不是？ 电子的行为是如此怪异以至于你 无法 — 我的意思是，把它称为粒子几乎是一种误导 它被称为粒子，但它却不是我们日常生活 中所熟悉的粒子 。 这个电子你甚至不能说它到底在哪儿 它可能在这片云中的任何位置 稍后我们将学到，当我们给原子添加更多电子时 云会有不同的形状 但对我来说，它开始说明一个哲学问题： 关于物质到底是什么，它如何构成我们所观察的一切， 它们到底有多真实？ 或者至少在我们已经定义的真实上面，它们的真实性有多少？ 不管怎么说，我并不想让你太过哲学 但是，电子、 质子的整个概念 都是基于电荷概念的一种推测 我们之前讲过这个，就在我们学习 库仑定律的时候 你可以物理播放列表中复习一下库仑定律的视频 就是说一个电子 带一个负电荷 一个质子，有时写成这样 带一个正电荷 中子不带电 那就是电子的最原始模型吸引人 的地方 如果他们说，好了，如果这些东西带正电，对吗？ 假设这是2个中子和2个质子 假设这是氦原子 那么，我们这里就会有一些正电荷 我们在这里还有一些负电荷 相反电荷互相吸引 如果这些粒子具有一定的速度，足够的 速度，他们会绕着这一点，就像 行星环绕太阳运行一样 但现在我们知道，即使这样说也并不完全正确 电子离核愈远，它会 具有更多的势能。真的 所以它会想向核移动 但是因为有量子力，它不会 简单地沿这样的轨迹移动，像 一颗彗星绕着太阳转那样。它实际上采取这种 波式的行为，这时只有概率 函数可以描述它的行为 但离轨道越远，它的确 会有更大的势能 在以后的视频中我们将学到更多 总之，你怎么分辨元素是哪一种元素？ 我已经谈了很多有关的哲学问题 但是我怎么知道这是氦元素？ 是根据它的中子数吗？ 是根据它的质子数吗？ 还是根据电子数呢？ 答案是，它是由质子数决定的。 所以，如果你知道一个元素的质子数，你 就知道该元素是什么。 因此质子数，就被定义 成原子序数 现在，比如说，某个原子有四个质子 我们如何知道它是什么元素？ 如果我们还没记住它，可以查一下 元素周期表，在这个播放列表中涌出很多 你会说： 哦，4个质子 这就是铍 就在那 原子序数就是你在这上边看到的数字 而那实际就是质子数。 它可以用来区分 不同的原子 如果有15个质子，那就是 磷元素 突然，如果有7个质子，那就是 氮元素 如果有8个，那就是氧元素 元素就是这样定义的 现在我们要说说关于电荷 以及有关的一些东西 当获得或失去电子时会发生什么 这并不会改变现有的元素种类 同样，当改变中子数的时候 也不会更变现有的元素种类 但这就引出的一个明显的问题，嗯，你能有多少个 中子和电子？ 这个嘛，如果原子是电中性，这意味着它 的电子数（与质子数）相同。 比如说我有一个碳原子 它的原子序数是6 如果说质量数是12的话 这是什么意思呢？ 我进一步说明一下，这是一个中性粒子 这是一个中性原子 碳的原子序数是6 这告诉了我们它有几个质子 所以如果我在这里画一个小小的模型，肯定不会 是非常精确的模型 我就画6个——1 2 3 4 5 6 6个质子在中间 这些质子的重量，每个质子是一个 原子质量单位，我们之后再讨论它与 千克的关系。原子质量单位是1千克的很小 的一部分 我想大约是 1.6 * 10的 负 27次方千克 这些（质子）每个都是一个原子质量单位 约等于，我想， 1.67 * 10的 负 27次方千克。这是一个非常小的数字。 它实际上几乎不可能想象得到 至少对我来说是这样 这会告诉我整个碳原子的质量，这个 特定的碳原子 而不同的碳原子（的质量）其实是 可以改变的 本质上这（原子质量）是所有的质子质量 和所有的中子质量的总和 每个质子有一个原子质量单位 每个中子有一个 原子质量单位 所以这（质量数）实际是质子数加 中子的和 在这个情况下我们有6个质子，所以我们也必须有 6个中子 6个中子加上6个质子 现在，电子在哪里？ 嗯，我说原子是中性的，因此质子具有的 正电荷等于电子具有的负电荷 这是一个中性原子，它有6个质子，所以它还 有6个电子 让我来画一下 所以我们说它有6个中子在这里 1 2 3 4 5 6 这样就是原子核 然后我们再画电子— — 嗯，我本来可以画成 脏兮兮的那种（云），但是如果我们想更直观一点儿 我们可以说，好了，那就是6个 电子在环绕 1 2 3 4 5 6 他们会以不可预测的方式来环绕运动 我们只能用概率函数来 来描述 有意思的是，原子的绝大部分的质量 都呆在这里 我的意思是，你可能注意到了，当人们关心 质量，当他们关心一个原子的原子质量数 他们会忽略电子（的质量）。 那是因为一个质子的质量 等于 1,836个电子（的质量） 所以当考虑一个原子的质量时，基本上 可以忽略一个电子的质量 事实上，原子核的质量就算是 原子的质量 现在，您会看到这个周期表，然后 说，好了，他们给了我们原子序数 氧的原子序数是 8 这意味着它有8个质子 硅的原子序数是 14 它有 14 质子 现在这是什么？ 让我们看看，在碳元素（这个位置） 有一个 12.0107。 这就是碳的原子量 让我写下来 碳原子量 碳原子量是 12.0107 现在，这意味着什么呢？ 这是否意味着碳有6个质子，然后 剩余的，剩余 6.0107 个中子，它似乎 成了中子的那部分？ 不是的 这说明，如果要平均一下 地球上存在的不同种类的碳， 你需要 根据不同碳原子中的（中子个数）含量来 平均中子的数目，这是 你所得到的平均值 事实证明，碳的两个主要存在形式 大多数是碳 12 所以，像这样 所以，它有6个质子和 6 个中子 然后另一个（是）碳的同位素 同位素是具有不同中子数目 的一组相同元素 碳的另一种同位素C-14，它是 地球上比较稀有的元素 我们不知道宇宙中有多少，只是在地球上 现在，如果你要平均这些，不能只是直接的 平均，那样会得到C-13，然后原子 量会是 13，但你把它算得过重了 因为这种（碳-12）以多的多的数量存在于地球上 我的意思是，这（碳-12）是你看到的几乎 所有的碳 不过有一点点这种 （碳-14） 所以，如果你想正确的计算他们的原子量，平均 值是这样的 大多数我们能找到的碳— — 如果你正好在某些地方 找到碳，碳原子的平均重量以 原子质量单位计会是12.0107 不过同位素的概念是很有意思的 请记住，当你改变中子数，你不会改变 实际的基本元素 你只得到了不同的同位素，不同 这种元素的不同形式 所以这两种形式的碳元素都是碳的同位素 现在，我要把我认为原子背后最牛的理论 留到这个视频的最后 这是它们最具有哲学趣味的地方 那就是他们的相对大小 -- 这些电子 只占很小的一部分原子的质量 电子是一个原子质量的 1/2000 即使如此，要以粒子来描述它们仍比较困难 因为你甚至不能告诉我一个粒子到底在哪里和 它移动的有多快 他们只有概率函数 所以原子的大部分（质量）都在原子核里 这就是有意思的地方 如果你观察一个普通的原子 如果你说这是我的原子 比如说我有两个成键原子 我会说，这其中有多少是实际的东西？ 当我说东西的时候，这是一个很抽象的概念，因为 我们在谈论原子核，对吗？ 因为原子核（的质量几乎）是整个（原子）的质量 是所有的东西所在 事实证明它实际上是原子体积的无穷 小的一部分 — —而原子的体积 是很难界定的，因为电子可以 在任何地方，但如果把这部分体积看作 最有可能找到电子地方， 或有有90% 的几率你可能会找到电子，那么 原子核是，在很多情况下我是这么想的 原子核大约 是（原子）体积的1/10000 所以，如果你想想，当你看着什么东西，如果你 看看你的手或者看看墙上，再或者 看看你的计算机，99.99%都是空无一物的空间 什么都没有 是真空的 如果你有个超小型--我猜我们可以叫他们 粒子或什么的 — 他们大多会直接穿过 那些你看的东西， 无论你看的是什么 所以这已经开始 质疑我们所认为的现实了 有一个事实，而不是 理论是— 如果你把任何东西分解到 最小的结构单元，小到原子水平，那么大部分的 所谓“物体”的这种空间，是 真空空间 你可以直接通过它，如果你能（把自己）减小到 那个尺度的话 这个氦原子的图像，他们说， 这儿 这是一个毫微微米（10*e-15米） 对吧？ 一个毫微微米 这是氦原子的原子核 的尺度，对吗？ 一个毫微微米 这是一个埃（10*e-10米），对吗？ 等于十万毫微微米 为了对这个尺度有点感觉，1埃为 1 乘以 10 的负10次方米，对吗？ 所以原子是大约 1 埃这么大 对于氦原子，它的原子核 甚至是更小的一小部分 它是（原子的）十万分之一 所以如果你有 — 比如说你有液氦，你必须 降温到非常低才能获得液氮 如果你正在观察它，它的绝大部分空间都是空的 如果你在看一块铁块、 它的绝大 绝大 绝大 绝大 绝大 绝大部分空间是空的 我们甚至不讨论，或许在原子核中也有一些 空的空间，我们可能会在 以后谈到 但对我来说，这实在令我兴奋：我们看的大多数东西 并非真的实心固体 它们真的只是空的空间，但是它们看起来很结实坚固 这是由于光的反射方式或者那些 作用于我们的力 但是在那真的不存在可以摸到的东西 就在这里，大部分是完全无物的空间 我想我已经说完了自由空间这个词，我想 我会把更加 令人兴奋的（话题）留给下一个视频