0:00:03.002,0:00:05.867
幾千年來, 我們人類早已知曉, 只須觀看我們周遭的環境,

0:00:07.207,0:00:10.333
就知有不同的物質存在。這些不同的物質, 傾向於有不同的性質.

0:00:11.954,0:00:14.745
它們不僅有不同的性質;可能一種物質會以某種方式反射光,或不反射光;

0:00:17.601,0:00:20.457
或呈某種顔色, 或具有某種溫度; 是液體、或氣體, 或固體.

0:00:22.108,0:00:24.867
但我們也開始觀察它們在特定情況下是如何相互反應.

0:00:27.663,0:00:31.477
這裏有幾張這些物質的照片. 就在這兒的這張是碳, 它是以石墨形態呈現.

0:00:31.477,0:00:36.069
這兒的這張是鉛;這兒的這張是金.

0:00:38.719,0:00:41.369
所有我畫過的那些 ---- 我在這兒展示過照片的那些, 都是我在那邊的這個網址裏找到的.

0:00:41.369,0:00:45.453
這些都是在固態中, 不過, 我們也知道

0:00:47.395,0:00:49.338
---- 看起來似乎存在著某些種氣體, 你知道, 某些種氣體的微粒,

0:00:49.338,0:00:52.210
而根據你正在觀看的是何種氣體的微粒,

0:00:55.079,0:00:57.948
是不是碳、或氧、或氮 , 它就會有不同的性質.

0:00:57.948,0:00:59.425
或者, 有其他可以是液態的東西,

0:00:59.425,0:01:02.082
或甚至你只須將這些東西的溫度提到夠高.

0:01:02.082,0:01:05.018
如果你將金或鉛的溫度提到夠高,

0:01:05.018,0:01:06.503
你會得到一種液體.

0:01:06.503,0:01:09.841
或者, 如果你多少---- 如果你燒這碳

0:01:09.841,0:01:12.076
你可以將它轉化爲氣態,

0:01:12.076,0:01:13.351
你可以將其釋放到大氣中,

0:01:13.351,0:01:14.702
你可以破壞它的結構.

0:01:14.702,0:01:17.271
這些是我們全都或多或少 ----

0:01:17.271,0:01:20.585
人類上千年來所觀察的東西.

0:01:20.585,0:01:22.452
但是, 那指向了一個自然問題

0:01:22.452,0:01:24.226
在過去它是一個哲學問題.

0:01:24.226,0:01:26.405
但現在我們可以稍微比較好一點地做答了,

0:01:26.405,0:01:30.898
那個問題就是, 如果你不斷將這碳

0:01:30.898,0:01:33.518
拆成越來越小塊,

0:01:33.518,0:01:35.554
會不會有某種最小塊,

0:01:35.554,0:01:39.867
某種這個東西, 這個物質的最小單位

0:01:39.867,0:01:43.166
仍具有碳的性質;

0:01:43.166,0:01:45.256
而如果你有辦法將它拆得更小,

0:01:45.256,0:01:48.390
你就會失去碳的性質？

0:01:48.390,0:01:50.354
答案是: 有.

0:01:50.354,0:01:52.200
因此, 我們先來介紹一些術語,

0:01:52.200,0:01:56.156
我們稱這些不同的物質, 這些

0:01:56.156,0:01:59.025
在某些溫度下擁有這些特定性質,

0:01:59.025,0:02:01.185
並以某些方式反應的純物質,

0:02:01.185,0:02:05.291
我們稱它們爲元素.

0:02:05.291,0:02:08.729
碳是一種元素. 鉛是一種元素. 金是一種元素.

0:02:08.729,0:02:10.400
你也許會說水是一種元素.

0:02:10.400,0:02:14.221
而在歷史上, 人們曾稱水為元素.

0:02:14.221,0:02:17.892
但現在我們知道水是由更基本的元素組成的.

0:02:17.892,0:02:20.405
它是由氧和氫所組成.

0:02:20.405,0:02:25.014
我們所有的元素

0:02:25.014,0:02:27.758
都列在這裡的元素周期表上.

0:02:27.758,0:02:29.374
C 代表碳

0:02:29.374,0:02:30.400
---- 我將只帶過

0:02:30.400,0:02:32.379
和人類非常有關聯的那幾個,

0:02:32.379,0:02:35.502
但隨著時間的推移, 你或許會對所有這些元素都熟悉起來.

0:02:35.502,0:02:39.148
這是氧. 這是氮. 這是矽.

0:02:39.148,0:02:42.867
這是 --- Au 是金. 這是鉛.

0:02:42.867,0:02:51.995
而任何這些元素的那個最基本的單位是原子.

0:02:51.995,0:02:54.559
所以, 如果你不斷地拆分它

0:02:54.559,0:02:57.079
把它拆成越來越小塊.

0:02:57.079,0:02:59.415
最終你會得到一個碳原子.

0:02:59.415,0:03:00.755
在這兒做同樣的事,

0:03:00.755,0:03:02.536
最終你會得到一個金原子.

0:03:02.536,0:03:03.991
在這兒如法炮製,

0:03:03.991,0:03:05.856
最終你會得到一些很小的

0:03:05.856,0:03:07.758
---- 由於找不到更好的詞 ---- 微粒.

0:03:07.758,0:03:09.185
你可以稱之爲鉛原子.

0:03:09.185,0:03:11.239
然後, 你就不能將其再拆分,

0:03:11.239,0:03:13.597
因它仍擁有鉛的性質

0:03:13.597,0:03:17.043
而仍能稱之為鉛了.

0:03:17.043,0:03:18.330
就給你一個概念吧.

0:03:18.330,0:03:21.193
---- 這真是我難以想像的事 ----

0:03:21.193,0:03:24.040
那就是, 原子真是難以置信的小.

0:03:24.040,0:03:25.901
真的, 難以想像的小.

0:03:25.901,0:03:27.555
舉個例子, 碳.

0:03:27.555,0:03:29.379
我的頭髮也是由碳構成的.

0:03:29.379,0:03:31.882
事實上, 我這個人的大部分是由碳構成的.

0:03:31.882,0:03:35.912
事實上, 大部分的生物都是由碳構成的.

0:03:35.912,0:03:40.533
所以, 如果你拿我的頭髮 ---- 當然我的頭髮是碳.

0:03:40.533,0:03:42.231
我的頭髮絕大部分是碳.

0:03:42.231,0:03:43.989
所以, 如果你在這兒拿著我的頭髮,

0:03:43.989,0:03:45.565
---- 我的頭髮不是黃色的

0:03:45.565,0:03:46.766
但它和黑色形成了很好的對比.

0:03:46.766,0:03:47.950
我的頭髮是黑色的. 但如果我用黑的筆畫,

0:03:47.950,0:03:49.713
你在螢光幕上會看不出來. ----

0:03:49.713,0:03:51.970
但是, 如果你在這兒拿著我的頭髮, 我會問你

0:03:51.970,0:03:55.200
我的頭髮有多少個碳原子寬？

0:03:55.200,0:03:58.467
所以, 如果你拿我頭髮的橫截面, 不是縱切,

0:03:58.467,0:04:00.361
是橫切, 並問:

0:04:00.361,0:04:03.255
那有多少個碳原子寬呢？

0:04:03.255,0:04:07.049
你或許會猜, Sal已經告訴過我了, 它很小.

0:04:07.049,0:04:09.150
所以, 那兒可能有一千個原子,

0:04:09.150,0:04:10.484
或一萬個, 或十萬個.

0:04:10.484,0:04:11.788
而我會說, 不是！

0:04:11.788,0:04:14.249
有一百萬個碳原子.

0:04:14.249,0:04:17.439
或者, 你可以把一百萬個碳原子串起來

0:04:17.439,0:04:20.933
串成一般人髮的寬度.

0:04:20.933,0:04:22.585
而那顯然是一個近似值,

0:04:22.585,0:04:24.026
它不是剛剛好一百萬,

0:04:24.026,0:04:26.605
不過, 那給你一個原子是多麽小的感覺.

0:04:26.605,0:04:28.441
你知道, 你從頭上拔下一根頭髮來,

0:04:28.441,0:04:30.991
然後就想像

0:04:30.991,0:04:33.991
在髮絲中並排放置一百萬個東西,

0:04:33.991,0:04:37.037
不是頭髮的縱深, 而是頭髮的寬.

0:04:37.037,0:04:39.175
要看頭髮的橫切甚至是難的.

0:04:39.175,0:04:40.718
而會有一百萬個碳原子

0:04:40.718,0:04:42.979
就這麼沿著它穿過.

0:04:42.979,0:04:48.092
這本身就很酷

0:04:48.092,0:04:49.026
我們確知

0:04:49.026,0:04:51.375
碳有個這最基本的構造單位,

0:04:51.375,0:04:53.933
這個任何元素的最基本的構造單位.

0:04:53.933,0:04:55.952
但更酷的是,

0:04:55.952,0:04:59.066
那些基本的構造單位是相互有關聯的.

0:04:59.066,0:05:02.556
一個碳原子是由甚至更基本的粒子所組成的.

0:05:02.556,0:05:07.469
一個金原子是由甚至更基本的粒子所組成的.

0:05:07.469,0:05:10.445
它們實際上是

0:05:10.445,0:05:12.759
由這些基本粒子的排列來定義的.

0:05:12.759,0:05:14.087
如果你要去改變

0:05:14.087,0:05:15.901
你有的基本粒子的數目,

0:05:15.901,0:05:17.844
你會改變這元素的性質,

0:05:17.844,0:05:18.891
它會如何反應,

0:05:18.891,0:05:22.769
或者, 你甚至會改變元素本身.

0:05:22.769,0:05:25.144
為求更進一步地瞭解它,

0:05:25.144,0:05:28.010
讓我們聊聊那些基本粒子.

0:05:28.010,0:05:31.825
首先是質子, 是質子.

0:05:31.825,0:05:35.524
質子實際上是決定性的 ----

0:05:35.524,0:05:38.003
原子核裏的質子數,

0:05:38.003,0:05:40.096
等會我會聊聊原子核 ----

0:05:40.096,0:05:42.969
那就是定義元素的東西.

0:05:42.969,0:05:45.492
所以, 這就是定義元素的東西.

0:05:45.492,0:05:47.333
當你看這裏的周期表時,

0:05:47.333,0:05:50.154
它們實際上是按照原子序的次序來寫的,

0:05:50.154,0:05:51.575
而原子序

0:05:51.575,0:05:54.667
字面上就是元素的質子數.

0:05:54.667,0:05:58.667
所以, 根據定義, 氫有1個質子.

0:05:58.667,0:06:02.800
氦有2個質子. 碳有6個質子

0:06:02.800,0:06:05.333
你找不到有7個質子的碳.

0:06:05.333,0:06:07.172
如果你找的到, 它會是氮,

0:06:07.172,0:06:09.234
它不再是碳.

0:06:09.234,0:06:10.589
氧有8個質子.

0:06:10.589,0:06:12.673
假如你用某種方式硬給它加1個質子,

0:06:12.673,0:06:14.050
它就不再是氧了.

0:06:14.050,0:06:18.333
它會變成氟. 所以, 它定義了元素.

0:06:18.333,0:06:20.067
它定義了元素.

0:06:20.067,0:06:22.967
而原子序, 就是質子數,

0:06:22.967,0:06:25.447
質子數 ---- 記住,

0:06:25.447,0:06:27.674
它是寫在最上方這裏的數字.

0:06:27.674,0:06:30.116
對於周期表上的每個元素

0:06:30.116,0:06:31.529
質子數

0:06:31.529,0:06:34.133
等於原子序.

0:06:34.133,0:06:36.852
等於原子序.

0:06:36.867,0:06:38.861
而原子序之所以被寫在這上面是因爲

0:06:38.861,0:06:42.221
它是用來定義元素的一種特性.

0:06:42.221,0:06:46.133
原子的另外兩個組成份子

0:06:46.133,0:06:47.702
---- 我想我們可以這樣稱呼 ----

0:06:47.702,0:06:55.123
是電子和中子.

0:06:55.123,0:06:57.541
你可以開始在自己腦袋裏建立的一個模型

0:06:57.541,0:07:00.420
---- 這個模型, 在我們學習化學的過程中會發現,

0:07:00.420,0:07:02.833
它會變得有點更加抽象

0:07:02.833,0:07:04.821
而且真的很難把它概念化 ----

0:07:04.821,0:07:06.548
但是, 有一個思考的方法是

0:07:06.548,0:07:08.348
質子和中子

0:07:08.348,0:07:09.825
是原子的中心.

0:07:09.825,0:07:11.600
它們是原子核.

0:07:11.600,0:07:14.867
比方說, 碳, 我們知道, 有6個質子.

0:07:14.867,0:07:19.067
所以, 一、二、三、四、五、六.

0:07:19.067,0:07:22.385
碳12, 是碳的一款,

0:07:22.385,0:07:24.200
也有6個中子.

0:07:24.200,0:07:25.748
你可以有多款

0:07:25.748,0:07:28.021
具有不同中子數的碳.

0:07:28.021,0:07:30.113
所以, 中子能變, 電子能變,

0:07:30.113,0:07:31.733
你仍得到相同的元素.

0:07:31.733,0:07:33.267
質子不能變.

0:07:33.267,0:07:35.905
質子一變, 你就會得到不同的元素.

0:07:35.905,0:07:39.200
所以, 讓我來畫個碳12的原子核.

0:07:39.200,0:07:43.200
一、二、三、四、五、六.

0:07:43.200,0:07:46.487
這兒的這個就是碳12的原子核.

0:07:46.487,0:07:48.333
有時候會寫成這樣.

0:07:48.333,0:07:51.132
有時候他們確實

0:07:51.132,0:07:53.831
也會寫上質子數.

0:07:53.831,0:07:56.133
我們把它寫成碳12的原因是

0:07:56.133,0:07:58.677
---- 你知道, 我數了6個中子 ----

0:07:58.677,0:08:00.379
這是一個總數.

0:08:00.379,0:08:03.675
你可以把它看作是總數 ----

0:08:03.675,0:08:04.741
---- 一種看法是,

0:08:04.741,0:08:06.405
我們將來會談到一些微妙的差異,

0:08:06.405,0:08:07.770
---- 這是原子核中

0:08:07.770,0:08:11.844
質子和中子的總數.

0:08:11.844,0:08:15.240
根據定義, 這碳的原子序是6,

0:08:15.240,0:08:16.628
但我們可以在這裏重寫

0:08:16.628,0:08:18.596
以便提醒我們自己.

0:08:18.596,0:08:21.342
所以, 在碳原子的中心, 我們有這個原子核.

0:08:21.342,0:08:24.863
碳12會有6個質子和6個中子.

0:08:24.863,0:08:27.495
另一款碳, 碳14, 仍會有

0:08:27.495,0:08:30.909
6個質子, 但它會有8個中子.

0:08:30.909,0:08:32.467
所以, 中子數是可以變的,

0:08:32.467,0:08:34.610
但在這裏, 這個是碳12.

0:08:34.610,0:08:36.842
如果碳 12 是中性的 ----

0:08:36.842,0:08:40.665
我等會兒也會提一下這個字的細微之處 ----

0:08:40.665,0:08:43.200
如果它是中性的, 它也會有6個電子.

0:08:43.200,0:08:45.400
所以, 讓我來畫那6個電子.

0:08:45.400,0:08:49.467
一、二、三、四、五、六.

0:08:49.467,0:08:51.836
一種, ---- 這可能是最要緊的一種 ---- 思索

0:08:51.836,0:08:54.634
電子和原子核之間關係

0:08:54.634,0:08:56.892
的方式

0:08:56.892,0:08:58.846
是你可以想像這些電子

0:08:58.846,0:09:00.835
似乎在到處動,

0:09:00.835,0:09:02.956
在原子核周圍亂竄.

0:09:02.956,0:09:04.692
有一種模型是你可以姑且

0:09:04.692,0:09:06.700
想像它們繞著原子核運轉,

0:09:06.700,0:09:08.000
但是, 那並不十分正確.

0:09:08.000,0:09:10.499
它們不像, 譬如說, 行星

0:09:10.499,0:09:11.660
繞著太陽運行一樣在運轉.

0:09:11.660,0:09:13.749
不過, 那是很好的出發點.

0:09:13.749,0:09:16.267
另一種方式是它們會在原子核周圍跳來跳去般,

0:09:16.267,0:09:18.691
或者說它們在原子核周圍亂竄.

0:09:18.691,0:09:19.956
而那只是因為

0:09:19.956,0:09:22.073
現實在這個層面上變得非常古怪,

0:09:22.073,0:09:23.544
實際上, 我們必須借重量子物理學

0:09:23.544,0:09:26.408
才能真正理解電子在做什麼.

0:09:26.408,0:09:29.190
不過, 你腦袋裏的第一個心理模型

0:09:29.190,0:09:32.400
就是在這原子, 這碳12原子的中心,

0:09:32.400,0:09:34.067
有這個原子核.

0:09:34.067,0:09:36.644
在這裏有這個原子核.

0:09:36.644,0:09:40.733
而這些電子在原子核周圍跳來跳去.

0:09:40.733,0:09:43.009
這些電子之所以

0:09:43.009,0:09:45.135
不會離開原子核,

0:09:45.135,0:09:47.200
為什麼它們像是被原子核綁住了,

0:09:47.200,0:09:49.308
並形成原子的一部分的理由,

0:09:49.308,0:09:54.579
是因質子帶正電荷, 帶正電荷,

0:09:54.579,0:09:57.918
而電子帶負電荷.

0:09:57.918,0:10:02.477
這是這些基本粒子的性質之一.

0:10:02.477,0:10:03.620
當你開始思考

0:10:03.620,0:10:05.467
除了它是一個標籤外, 電荷基本上是什麼？

0:10:05.467,0:10:06.867
這就開始變得有些深奧了.

0:10:06.867,0:10:08.400
不過, 當我們在討論電磁力時,

0:10:08.400,0:10:10.697
我們知道的一件事

0:10:10.697,0:10:13.146
就是不相同的電荷會彼此吸引.

0:10:13.146,0:10:14.959
所以, 最佳的思考法就是

0:10:14.959,0:10:16.546
質子和電子,

0:10:16.546,0:10:18.133
因為有不同的電荷,

0:10:18.133,0:10:20.129
它們會彼此吸引.

0:10:20.129,0:10:21.457
中子是中性的,

0:10:21.457,0:10:25.088
所以, 它們真的只是坐在原子核裏,

0:10:25.088,0:10:28.579
對於特定元素的某些原子來說, 它們確實會

0:10:28.579,0:10:33.154
在某種層面上影響到性質.

0:10:33.154,0:10:35.005
不過, 電子不會

0:10:35.005,0:10:36.818
自行飛離原子核的理由

0:10:36.818,0:10:38.600
是因為它們被吸引.

0:10:38.600,0:10:42.333
它們被吸向原子核.

0:10:42.333,0:10:45.067
而且, 它們還擁有快得難以置信的速度

0:10:45.067,0:10:47.140
這其實很難 ----

0:10:47.140,0:10:48.446
一旦我們開始談論

0:10:48.446,0:10:51.546
電子真正在做什麼,

0:10:51.546,0:10:52.570
我們又開始再度觸及

0:10:52.570,0:10:54.164
物理學一個非常奇怪的部分 ----

0:10:54.164,0:10:55.946
不過, 它已經夠了.

0:10:55.946,0:10:56.842
我想, 你可以說

0:10:56.842,0:10:57.924
它跳夠啦

0:10:57.924,0:11:00.733
它不想掉進原子核內,

0:11:00.733,0:11:02.867
我想, 是一種思考它的方式.

0:11:02.867,0:11:08.123
所以, 我提到了在這裡的碳12

0:11:08.123,0:11:09.769
由質子數來定義.

0:11:09.769,0:11:12.403
氧被定義成有8個質子.

0:11:12.403,0:11:16.467
不過, 再說一次, 電子會和其他電子作用.

0:11:16.467,0:11:18.650
它們可以被其他原子拿走.

0:11:18.650,0:11:21.025
而這實際上構成了

0:11:21.025,0:11:23.271
我們對化學的大部份的理解.

0:11:23.271,0:11:25.995
它是奠基於一個原子有多少個電子,

0:11:25.995,0:11:27.600
或是某種元素有多少個電子.

0:11:27.600,0:11:29.467
這些電子如何排列,

0:11:29.467,0:11:33.867
以及其他元素, 或也許是同一元素的其他原子,

0:11:33.867,0:11:36.018
的電子如何排列,

0:11:36.018,0:11:41.267
我們可以開始推測一種元素的一個原子

0:11:41.267,0:11:43.333
可以怎麽和同種元素的另一個原子反應,

0:11:43.333,0:11:46.733
或者一種元素的一個原子 ---- 它怎麽反應的,

0:11:46.733,0:11:49.695
或者它怎麽鍵結, 或不鍵結, 或被吸引到,

0:11:49.695,0:11:52.200
或排斥另一種元素的另一個原子.

0:11:52.200,0:11:53.420
舉例來說,

0:11:53.420,0:11:56.300
---- 我們以後也會學到更多關於這方面的, ----

0:11:56.300,0:12:00.144
就是, 在某個地方的另一個原子

0:12:00.144,0:12:02.723
只因爲某種原因,

0:12:02.733,0:12:05.552
有可能就把碳的電子給搶走.

0:12:05.552,0:12:10.338
我們將會談論到, 某些元素的特定的中性原子,

0:12:10.338,0:12:13.723
相較於其他, 對電子有更大的親和力.

0:12:13.723,0:12:15.218
所以, 一個, 也許就是它們其中一個,

0:12:15.218,0:12:17.160
從碳奪走了一個電子,

0:12:17.160,0:12:19.230
那麽, 這個碳的

0:12:19.230,0:12:21.831
電子就會少於它的質子,

0:12:21.831,0:12:25.138
所以, 我們會有5個電子和6個質子.

0:12:25.138,0:12:27.800
然後, 就會帶1個正的淨電荷.

0:12:27.800,0:12:30.039
所以, 在我畫的這第一款碳12裏,

0:12:30.039,0:12:34.267
我有6個質子, 6個電子, 電荷正好抵消了.

0:12:34.267,0:12:36.553
如果我失去1個電子, 那麽我只有5個電子,

0:12:36.553,0:12:38.933
我就會有1個正的淨電荷.

0:12:38.933,0:12:40.785
在整個化學的播放清單中,

0:12:40.785,0:12:42.867
我們會對所有這些做更多的談論,

0:12:42.867,0:12:44.302
不過, 希望你認識到

0:12:44.302,0:12:46.133
一旦我們已經講到了

0:12:46.133,0:12:51.800
被稱為原子的基本構造單位,

0:12:51.800,0:12:53.118
這已經開始變得相當酷.

0:12:53.118,0:12:54.920
而更酷的是,

0:12:54.920,0:12:56.759
這個基本構造單位竟然是由

0:12:56.759,0:12:58.667
更基本的構造單位組成的.

0:12:58.667,0:13:00.867
這些東西都可以換來換去,

0:13:00.867,0:13:03.129
以致改變一個原子的特性,

0:13:03.129,0:13:06.044
或甚至從一種元素的原子

0:13:06.044,0:13:09.036
變成另一種元素的原子.