創造物的建築材料

請看看地球上的四周。你看到些什麼呢？沒有人不對雄偉的峰巒，顏色鮮豔、種類繁多的花草樹木和各種習性的鳥獸驚嘆不已。創造物的複雜之處的確出乎我們想像之外。

你曾納罕這一切奇美和令人肅然起敬的東西是從那裡來的嗎？創造物的建築材料是什麼呢？這些建築材料怎麼結集起來構成我們四周的一切物質呢？當我們觀察四週無數令人驚嘆的創造物時，我們看到一個似乎是固體的世界。這一切其實都是由一種基本建築材料所構成，而這種建築材料本身有百分之99.9是虛空的。這令你感覺驚奇嗎？

幾千年來人類都在企圖解開一項奧祕，即物質究竟是從什麼構成的。字典為物質一詞所下的定義是:「構成任何東西的原料。」可是物質是由什麼構成的呢？直至本世紀，其實僅是最近的二三十年間，科學家們才真的開始明白物質的基本性質。現在研究家告訴我們，一切物質，不論是岩石、植物、動物、河流或任何可以用身體感官察覺到的東西，都是從三種基本微粒形成的建築材料所構成的。

這三種基本微粒根據每一種在建築材料中出現的數目來決定它們所構成的材料或「原子」具有什麼性質和特性。a

首先，讓我們將定義弄清楚。「原子」的意思是「一種元素最微小的粒子」，而元素的定義則是「一種不能用化學方法分解至更簡單地步的物質。」例如，我們若將一種元素，如金元素，分解成小而又小，直至無可再小的時候，它基本的化學成分仍然不會失去。最微小的成分便是原子。若將原子進一步分開，便會使原子分裂為上述三部分，稱為質子、中子和電子。

質子和中子的重量大約相等，不同之處是，質子帶著陽電荷，中子則沒有電荷，所以屬於中性。相對地說來，質子和中子都比電子大得多，達2,000倍之巨。微小的電子帶著陰電荷;由於電子的數目總是與質子相等，原子遂成為中性的物體。

這三種基本微粒的數目遞增而構成各種元素的原子或創造物的建築材料。元素有多少種呢？有一段很長的時間人們認為僅有四種元素，即地、水、風、火;可是隨著知識的增加，其他各種元素逐漸被鑑別出來。現在元素的數目己達到百種以上，其中有些是由人工製成而不安定的元素。

可是，那百分之99.9的虛無又如何呢？我們若能看見四周任何奇妙東西的一個單原子，它看來是怎麼樣的呢？它的結構如何呢？

原子的結構

一切原子都有一個由質子和中子結合而成的中央核子，四周被繞著軌道而行的電子環繞著。唯一的例外是最簡單的元素，氫原子，氫原子的核僅是個單一的質子，由單一的電子循著軌道環繞。

因此我們可以想像到一個小型的太陽系，電子循著軌道環繞細小而緊密的核子運行，與行星循著軌道環繞太陽頗相似。這種微乎其微的太陽系由於結構不同而產生了各種元素的原子。這一切由什麼力量及以怎樣精確的程度產生呢？且以碳元素的原子為例，從以下構圖可見一斑:

當然，我們不能看見一個單一的原子，因為原子小到無可再小。每個微小的『太陽系』的直徑僅及一吋的一億分之一！而中央核子或『太陽』的直徑大小只及整個原子的十萬分之一！

既然原子裡的電子數目隨著元素種類的不同而具有從一至一百的差異，在每個原子的細小空間中竟含有這種奇妙複雜的安排豈不是令人驚嘆不已嗎？

所有東西，看來像是固體的東西，從青草、牛尾至山嶺，都是由億兆細小原子所構成，而每個原子本身的中央核子和四周電子之間大部分均是空間;意識到這件事無疑十分引人入勝。例如《生活科學叢書》在『物質』一書中說:「倘若每個原子塌陷成本身的核或核子般大小的球體，則巨大的華盛頓紀念碑［555呎（169.3公尺）高］可以在空間中擠成比鉛筆端的橡皮膠更小。」

在每個原子裡，電子在稱為「電子殼」的原子軌道上運行。每個「殼」都與核子保持一定距離。在「殼」上運行的電子愈多，原子就愈加複雜。

舉例說，上圖所述的碳原子有兩個電子在內殼，四個電子在外殼。但鋁原子卻有兩個電子在內殼，八個電子在較外的殼，三個電子在最外的殼。換句話說，這些電子不是雜亂無章的一團而是排列得整整有條的。

既然我們想知道這些建築材料怎樣集合起來以產生宇宙中一切可喜的奇妙物質，我們就應該特別留意這些極小的微粒，電子。何以故呢？因為電子在軌道上的排列決定每個原子的結合能力。這種結合能力稱為「原子價」。

藉著借用電子而結合

隨著原子研究的進步，科學家發現在原子價環（借與貸的殼）內具有完全數目（通常是八個）的電子的任何元素都是極其安定的;那便是說，它們不易與其他原子結合。這些安定或惰性元素包括若干種罕有的氣體如氦、氖、氬、氪、氙和氡等。

科學家逐漸確立了所有元素的電子殼的狀態。他們發現原子有一種使外電子殼安定的傾向。原子價理論解釋這種傾向從原子的電子借貸或與別的原子分享電子一事可以見之。外殼有七個電子的元素，例如氯，會從外殼僅有一個電子的元素，例如鈉，將電子借過去。下圖顯示借貸的過程:

鈉是一種柔軟、銀白色的金屬，在1807年被人發現;它是一種活性元素，在水裡會發生激烈反應。它一共有十一個電子，分別以兩個、八個和一個各自分據外殼。氯是一種黃綠色的氣體，在1774年發現。它曾被人用作漂白劑、消毒劑和毒氣。氯原子有十七個電子，外殼各有兩個、八個和七個。上圖僅是根據最外的電子殼來描繪這些建築材料如何結合和結合後產生什麼結果。

氯原子從鈉原子借一個電子，在加入一個額外電子後即帶有陰電荷;但相反地，鈉原子卻變成陽電荷。這些帶著電荷的原子，現在稱為離子，由於電荷相反而彼此吸引，於是結合組成稱為氯化鈉的化合品，亦即普通的鹽。

從兩種看來不同而各有獨特性質的建築材料我們獲得生活上不可缺少的食鹽。僅將一個單一的電子遷移便構成了一種完全新的物質！如此的結合稱為離子結合。

藉著共有電子而結合

另一種結合稱為共有結合。這種結合是由各個不同的原子分享電子以組成所需的安定電子外殼。例證之一是，當兩個碳原子，六個氫原子和一個氧原子結合起來，便組成一個乙基酒精分子，即許多飲品中所含有的醉人成分。每對分享電子的共有結合的構造方程式由下圖以長劃符號表明:

藉著分享多對電子，碳原子和氧原子獲得一個擁有八個電子的安定外殼，而氫原子則獲得擁有兩個電子的電子外殼。

更複雜的交互作用

當然，不同的原子之間的交互作用和吸引作用在構成含有碳素的有機化合物分子時更複雜得多。且舉一種有機物質為例以說明。下圖顯示一種物質分子的結構方程式，這種令人驚異的物質稱為葉綠素:

請想想:要有72個氫原子、55個碳原子、5個氧原子、4個氧原子和1個鎂原子（其中有些是預先結合的單位）才能構成一個葉綠素分子！葉綠素是植物中最重要的色素之一。這種物質使田園青翠，並使植物有能力將太陽的輻射能轉變成植物所需的化學能。

你可以想像許多電子在軌道上旋轉將不同的原子連合起來以構成一個葉綠素分子時那種難以置信的交互作用嗎？我們若想到需要有數以億計的這種分子才能填滿本句末了的句號，我們對設計這項安排的偉大主宰的欽佩無疑會大為增加。

科學家只是剛開始了解關於各種建造材料如何及為何結合的事實而己，但他們已確知有許多固定和精確的律則去支配這些結合。他們對各種元素複雜到不可思議的結合方式驚奇讚嘆不已。藉著這些方式，本身結構已十分複雜的物質共同構成各種生物極其複雜的活細胞，使地球上充斥著種種生物。

從肉眼不能看見的細小原子進至各種奇妙的創造物的過程可由下圖加以說明:

環顧左右，你可以從我們所知的一切物質看出它們充分反映出設計者的智慧和大能，從最小的種籽至無垠的宇宙莫不皆然——這一切都是以百分之99.9空虛的建造材料構成的。

［腳注］

［第13頁的附圖］

（排版後的式樣，見出版物）

碳原子有以6個質子和6個中子構成的核子，和6個電子，兩個在內殼，四個在外殼

［第13頁的附圖］

（排版後的式樣，見出版物）

鈉與氯原子的結合

鈉 氯 + −

原子（僅顯示 離子——組成

最外的電子殼） 氯化鈉

［第14頁的附圖］

（排版後的式樣，見出版物）

乙基酒精分子

C:碳原子

H:氫原子

O:氧原子

［第14頁的附圖］

（排版後的式樣，見出版物）

葉綠素分子「a」

H:氫原子（72）

C:碳原子（55）

O:氧原子（5）

N:氮原子（4）

MG:鎂原子（1）

［第15頁的附圖］

（排版後的式樣，見出版物）

三種基本微粒

質子

中子

電子

原子 化合物 一切物質

百種以上的元素 有機體和無機體 生物和無生物