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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(10e-15米)
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(10e-10米),對嗎?
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