创造物的建筑材料

请看看地球上的四周。你看到些什么呢？没有人不对雄伟的峰峦，颜色鲜艳、种类繁多的花草树木和各种习性的鸟兽惊叹不已。创造物的复杂之处的确出乎我们想象之外。

你曾纳罕这一切奇美和令人肃然起敬的东西是从那里来的吗？创造物的建筑材料是什么呢？这些建筑材料怎么结集起来构成我们四周的一切物质呢？当我们观察四周无数令人惊叹的创造物时，我们看到一个似乎是固体的世界。这一切其实都是由一种基本建筑材料所构成，而这种建筑材料本身有百分之99.9是虚空的。这令你感觉惊奇吗？

几千年来人类都在企图解开一项奥秘，即物质究竟是从什么构成的。字典为物质一词所下的定义是:“构成任何东西的原料。”可是物质是由什么构成的呢？直至本世纪，其实仅是最近的二三十年间，科学家们才真的开始明白物质的基本性质。现在研究家告诉我们，一切物质，不论是岩石、植物、动物、河流或任何可以用身体感官察觉到的东西，都是从三种基本微粒形成的建筑材料所构成的。

这三种基本微粒根据每一种在建筑材料中出现的数目来决定它们所构成的材料或“原子”具有什么性质和特性。a

首先，让我们将定义弄清楚。“原子”的意思是“一种元素最微小的粒子”，而元素的定义则是“一种不能用化学方法分解至更简单地步的物质。”例如，我们若将一种元素，如金元素，分解成小而又小，直至无可再小的时候，它基本的化学成分仍然不会失去。最微小的成分便是原子。若将原子进一步分开，便会使原子分裂为上述三部分，称为质子、中子和电子。

质子和中子的重量大约相等，不同之处是，质子带着阳电荷，中子则没有电荷，所以属于中性。相对地说来，质子和中子都比电子大得多，达2,000倍之巨。微小的电子带着阴电荷;由于电子的数目总是与质子相等，原子遂成为中性的物体。

这三种基本微粒的数目递增而构成各种元素的原子或创造物的建筑材料。元素有多少种呢？有一段很长的时间人们认为仅有四种元素，即地、水、风、火;可是随着知识的增加，其他各种元素逐渐被鉴别出来。现在元素的数目己达到百种以上，其中有些是由人工制成而不安定的元素。

可是，那百分之99.9的虚无又如何呢？我们若能看见四周任何奇妙东西的一个单原子，它看来是怎么样的呢？它的结构如何呢？

原子的结构

一切原子都有一个由质子和中子结合而成的中央核子，四周被绕着轨道而行的电子环绕着。唯一的例外是最简单的元素，氢原子，氢原子的核仅是个单一的质子，由单一的电子循着轨道环绕。

因此我们可以想象到一个小型的太阳系，电子循着轨道环绕细小而紧密的核子运行，与行星循着轨道环绕太阳颇相似。这种微乎其微的太阳系由于结构不同而产生了各种元素的原子。这一切由什么力量及以怎样精确的程度产生呢？且以碳元素的原子为例，从以下构图可见一斑:

当然，我们不能看见一个单一的原子，因为原子小到无可再小。每个微小的‘太阳系’的直径仅及一寸的一亿分之一！而中央核子或‘太阳’的直径大小只及整个原子的十万分之一！

既然原子里的电子数目随着元素种类的不同而具有从一至一百的差异，在每个原子的细小空间中竟含有这种奇妙复杂的安排岂不是令人惊叹不已吗？

所有东西，看来像是固体的东西，从青草、牛尾至山岭，都是由亿兆细小原子所构成，而每个原子本身的中央核子和四周电子之间大部分均是空间;意识到这件事无疑十分引人入胜。例如《生活科学丛书》在‘物质’一书中说:“倘若每个原子塌陷成本身的核或核子般大小的球体，则巨大的华盛顿纪念碑［555尺（169.3公尺）高］可以在空间中挤成比铅笔端的橡皮胶更小。”

在每个原子里，电子在称为“电子壳”的原子轨道上运行。每个“壳”都与核子保持一定距离。在“壳”上运行的电子愈多，原子就愈加复杂。

举例说，上图所述的碳原子有两个电子在内壳，四个电子在外壳。但铝原子却有两个电子在内壳，八个电子在较外的壳，三个电子在最外的壳。换句话说，这些电子不是杂乱无章的一团而是排列得整整有条的。

既然我们想知道这些建筑材料怎样集合起来以产生宇宙中一切可喜的奇妙物质，我们就应该特别留意这些极小的微粒，电子。何以故呢？因为电子在轨道上的排列决定每个原子的结合能力。这种结合能力称为“原子价”。

借着借用电子而结合

随着原子研究的进步，科学家发现在原子价环（借与贷的壳）内具有完全数目（通常是八个）的电子的任何元素都是极其安定的;那便是说，它们不易与其他原子结合。这些安定或惰性元素包括若干种罕有的气体如氦、氖、氩、氪、氙和氡等。

科学家逐渐确立了所有元素的电子壳的状态。他们发现原子有一种使外电子壳安定的倾向。原子价理论解释这种倾向从原子的电子借贷或与别的原子分享电子一事可以见之。外壳有七个电子的元素，例如氯，会从外壳仅有一个电子的元素，例如钠，将电子借过去。下图显示借贷的过程:

钠是一种柔软、银白色的金属，在1807年被人发现;它是一种活性元素，在水里会发生激烈反应。它一共有十一个电子，分别以两个、八个和一个各自分据外壳。氯是一种黄绿色的气体，在1774年发现。它曾被人用作漂白剂、消毒剂和毒气。氯原子有十七个电子，外壳各有两个、八个和七个。上图仅是根据最外的电子壳来描绘这些建筑材料如何结合和结合后产生什么结果。

氯原子从钠原子借一个电子，在加入一个额外电子后即带有阴电荷;但相反地，钠原子却变成阳电荷。这些带着电荷的原子，现在称为离子，由于电荷相反而彼此吸引，于是结合组成称为氯化钠的化合品，亦即普通的盐。

从两种看来不同而各有独特性质的建筑材料我们获得生活上不可缺少的食盐。仅将一个单一的电子迁移便构成了一种完全新的物质！如此的结合称为离子结合。

借着共有电子而结合

另一种结合称为共有结合。这种结合是由各个不同的原子分享电子以组成所需的安定电子外壳。例证之一是，当两个碳原子，六个氢原子和一个氧原子结合起来，便组成一个乙基酒精分子，即许多饮品中所含有的醉人成分。每对分享电子的共有结合的构造方程式由下图以长划符号表明:

借着分享多对电子，碳原子和氧原子获得一个拥有八个电子的安定外壳，而氢原子则获得拥有两个电子的电子外壳。

更复杂的交互作用

当然，不同的原子之间的交互作用和吸引作用在构成含有碳素的有机化合物分子时更复杂得多。且举一种有机物质为例以说明。下图显示一种物质分子的结构方程式，这种令人惊异的物质称为叶绿素:

请想想:要有72个氢原子、55个碳原子、5个氧原子、4个氧原子和1个镁原子（其中有些是预先结合的单位）才能构成一个叶绿素分子！叶绿素是植物中最重要的色素之一。这种物质使田园青翠，并使植物有能力将太阳的辐射能转变成植物所需的化学能。

你可以想象许多电子在轨道上旋转将不同的原子连合起来以构成一个叶绿素分子时那种难以置信的交互作用吗？我们若想到需要有数以亿计的这种分子才能填满本句末了的句号，我们对设计这项安排的伟大主宰的钦佩无疑会大为增加。

科学家只是刚开始了解关于各种建造材料如何及为何结合的事实而己，但他们已确知有许多固定和精确的律则去支配这些结合。他们对各种元素复杂到不可思议的结合方式惊奇赞叹不已。借着这些方式，本身结构已十分复杂的物质共同构成各种生物极其复杂的活细胞，使地球上充斥着种种生物。

从肉眼不能看见的细小原子进至各种奇妙的创造物的过程可由下图加以说明:

环顾左右，你可以从我们所知的一切物质看出它们充分反映出设计者的智慧和大能，从最小的种籽至无垠的宇宙莫不皆然——这一切都是以百分之99.9空虚的建造材料构成的。

［脚注］

［第13页的附图］

（排版后的式样，见出版物）

碳原子有以6个质子和6个中子构成的核子，和6个电子，两个在内壳，四个在外壳

［第13页的附图］

（排版后的式样，见出版物）

钠与氯原子的结合

钠 氯 + −

原子（仅显示 离子——组成

最外的电子壳） 氯化钠

［第14页的附图］

（排版后的式样，见出版物）

乙基酒精分子

C:碳原子

H:氢原子

O:氧原子

［第14页的附图］

（排版后的式样，见出版物）

叶绿素分子“a”

H:氢原子（72）

C:碳原子（55）

O:氧原子（5）

N:氮原子（4）

MG:镁原子（1）

［第15页的附图］

（排版后的式样，见出版物）

三种基本微粒

质子

中子

电子

原子 化合物 一切物质

百种以上的元素 有机体和无机体 生物和无生物