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Elements and Atoms

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    幾千年來, 我們人類早已知曉, 只須觀看我們周遭的環境,
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    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.
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    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;
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    或呈某種顔色, 或具有某種溫度; 是液體、或氣體, 或固體.
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    但我們也開始觀察它們在特定情況下是如何相互反應.
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    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.
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    這兒的這張是鉛;這兒的這張是金.
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    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.
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    這些都是在固態中, 不過, 我們也知道
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    ---- 看起來似乎存在著某些種氣體, 你知道, 某些種氣體的微粒,
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    而根據你正在觀看的是何種氣體的微粒,
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    是不是碳、或氧、或氮 , 它就會有不同的性質.
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    或者, 有其他可以是液態的東西,
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    或甚至你只須將這些東西的溫度提到夠高.
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    如果你將金或鉛的溫度提到夠高,
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    你會得到一種液體.
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    或者, 如果你多少---- 如果你燒這碳
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    你可以將它轉化爲氣態,
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    你可以將其釋放到大氣中,
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    你可以破壞它的結構.
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    這些是我們全都或多或少 ----
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    人類上千年來所觀察的東西.
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    但是, 那指向了一個自然問題
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    在過去它是一個哲學問題.
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    但現在我們可以稍微比較好一點地做答了,
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    那個問題就是, 如果你不斷將這碳
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    拆成越來越小塊,
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    會不會有某種最小塊,
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    某種這個東西, 這個物質的最小單位
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    仍具有碳的性質;
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    而如果你有辦法將它拆得更小,
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    你就會失去碳的性質？
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    答案是: 有.
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    因此, 我們先來介紹一些術語,
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    我們稱這些不同的物質, 這些
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    在某些溫度下擁有這些特定性質,
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    並以某些方式反應的純物質,
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    我們稱它們爲元素.
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    碳是一種元素. 鉛是一種元素. 金是一種元素.
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    你也許會說水是一種元素.
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    而在歷史上, 人們曾稱水為元素.
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    但現在我們知道水是由更基本的元素組成的.
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    它是由氧和氫所組成.
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    我們所有的元素
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    都列在這裡的元素周期表上.
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    C 代表碳
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    ---- 我將只帶過
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    和人類非常有關聯的那幾個,
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    但隨著時間的推移, 你或許會對所有這些元素都熟悉起來.
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    這是氧. 這是氮. 這是矽.
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    這是 --- Au 是金. 這是鉛.
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    而任何這些元素的那個最基本的單位是原子.
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    所以, 如果你不斷地拆分它
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    把它拆成越來越小塊.
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    最終你會得到一個碳原子.
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    在這兒做同樣的事,
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    最終你會得到一個金原子.
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    在這兒如法炮製,
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    最終你會得到一些很小的
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    ---- 由於找不到更好的詞 ---- 微粒.
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    你可以稱之爲鉛原子.
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    然後, 你就不能將其再拆分,
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    因它仍擁有鉛的性質
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    而仍能稱之為鉛了.
  • 3:17 - 3:18
    就給你一個概念吧.
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    ---- 這真是我難以想像的事 ----
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    那就是, 原子真是難以置信的小.
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    真的, 難以想像的小.
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    舉個例子, 碳.
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    我的頭髮也是由碳構成的.
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    事實上, 我這個人的大部分是由碳構成的.
  • 3:32 - 3:36
    事實上, 大部分的生物都是由碳構成的.
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    所以, 如果你拿我的頭髮 ---- 當然我的頭髮是碳.
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    我的頭髮絕大部分是碳.
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    所以, 如果你在這兒拿著我的頭髮,
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    ---- 我的頭髮不是黃色的
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    但它和黑色形成了很好的對比.
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    我的頭髮是黑色的. 但如果我用黑的筆畫,
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    你在螢光幕上會看不出來. ----
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    但是, 如果你在這兒拿著我的頭髮, 我會問你
  • 3:52 - 3:55
    我的頭髮有多少個碳原子寬？
  • 3:55 - 3:58
    所以, 如果你拿我頭髮的橫截面, 不是縱切,
  • 3:58 - 4:00
    是橫切, 並問:
  • 4:00 - 4:03
    那有多少個碳原子寬呢？
  • 4:03 - 4:07
    你或許會猜, Sal已經告訴過我了, 它很小.
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    所以, 那兒可能有一千個原子,
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    或一萬個, 或十萬個.
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    而我會說, 不是！
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    有一百萬個碳原子.
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    或者, 你可以把一百萬個碳原子串起來
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    串成一般人髮的寬度.
  • 4:21 - 4:23
    而那顯然是一個近似值,
  • 4:23 - 4:24
    它不是剛剛好一百萬,
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    不過, 那給你一個原子是多麽小的感覺.
  • 4:27 - 4:28
    你知道, 你從頭上拔下一根頭髮來,
  • 4:28 - 4:31
    然後就想像
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    在髮絲中並排放置一百萬個東西,
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    不是頭髮的縱深, 而是頭髮的寬.
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    要看頭髮的橫切甚至是難的.
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    而會有一百萬個碳原子
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    就這麼沿著它穿過.
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    這本身就很酷
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    我們確知
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    碳有個這最基本的構造單位,
  • 4:51 - 4:54
    這個任何元素的最基本的構造單位.
  • 4:54 - 4:56
    但更酷的是,
  • 4:56 - 4:59
    那些基本的構造單位是相互有關聯的.
  • 4:59 - 5:03
    一個碳原子是由甚至更基本的粒子所組成的.
  • 5:03 - 5:07
    一個金原子是由甚至更基本的粒子所組成的.
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    它們實際上是
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    由這些基本粒子的排列來定義的.
  • 5:13 - 5:14
    如果你要去改變
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    你有的基本粒子的數目,
  • 5:16 - 5:18
    你會改變這元素的性質,
  • 5:18 - 5:19
    它會如何反應,
  • 5:19 - 5:23
    或者, 你甚至會改變元素本身.
  • 5:23 - 5:25
    為求更進一步地瞭解它,
  • 5:25 - 5:28
    讓我們聊聊那些基本粒子.
  • 5:28 - 5:32
    首先是質子, 是質子.
  • 5:32 - 5:36
    質子實際上是決定性的 ----
  • 5:36 - 5:38
    原子核裏的質子數,
  • 5:38 - 5:40
    等會我會聊聊原子核 ----
  • 5:40 - 5:43
    那就是定義元素的東西.
  • 5:43 - 5:45
    所以, 這就是定義元素的東西.
  • 5:45 - 5:47
    當你看這裏的周期表時,
  • 5:47 - 5:50
    它們實際上是按照原子序的次序來寫的,
  • 5:50 - 5:52
    而原子序
  • 5:52 - 5:55
    字面上就是元素的質子數.
  • 5:55 - 5:59
    所以, 根據定義, 氫有1個質子.
  • 5:59 - 6:03
    氦有2個質子. 碳有6個質子
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    你找不到有7個質子的碳.
  • 6:05 - 6:07
    如果你找的到, 它會是氮,
  • 6:07 - 6:09
    它不再是碳.
  • 6:09 - 6:11
    氧有8個質子.
  • 6:11 - 6:13
    假如你用某種方式硬給它加1個質子,
  • 6:13 - 6:14
    它就不再是氧了.
  • 6:14 - 6:18
    它會變成氟. 所以, 它定義了元素.
  • 6:18 - 6:20
    它定義了元素.
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    而原子序, 就是質子數,
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    質子數 ---- 記住,
  • 6:25 - 6:28
    它是寫在最上方這裏的數字.
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    對於周期表上的每個元素
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    質子數
  • 6:32 - 6:34
    等於原子序.
  • 6:34 - 6:37
    等於原子序.
  • 6:37 - 6:39
    而原子序之所以被寫在這上面是因爲
  • 6:39 - 6:42
    它是用來定義元素的一種特性.
  • 6:42 - 6:46
    原子的另外兩個組成份子
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    ---- 我想我們可以這樣稱呼 ----
  • 6:48 - 6:55
    是電子和中子.
  • 6:55 - 6:58
    你可以開始在自己腦袋裏建立的一個模型
  • 6:58 - 7:00
    ---- 這個模型, 在我們學習化學的過程中會發現,
  • 7:00 - 7:03
    它會變得有點更加抽象
  • 7:03 - 7:05
    而且真的很難把它概念化 ----
  • 7:05 - 7:07
    但是, 有一個思考的方法是
  • 7:07 - 7:08
    質子和中子
  • 7:08 - 7:10
    是原子的中心.
  • 7:10 - 7:12
    它們是原子核.
  • 7:12 - 7:15
    比方說, 碳, 我們知道, 有6個質子.
  • 7:15 - 7:19
    所以, 一、二、三、四、五、六.
  • 7:19 - 7:22
    碳12, 是碳的一款,
  • 7:22 - 7:24
    也有6個中子.
  • 7:24 - 7:26
    你可以有多款
  • 7:26 - 7:28
    具有不同中子數的碳.
  • 7:28 - 7:30
    所以, 中子能變, 電子能變,
  • 7:30 - 7:32
    你仍得到相同的元素.
  • 7:32 - 7:33
    質子不能變.
  • 7:33 - 7:36
    質子一變, 你就會得到不同的元素.
  • 7:36 - 7:39
    所以, 讓我來畫個碳12的原子核.
  • 7:39 - 7:43
    一、二、三、四、五、六.
  • 7:43 - 7:46
    這兒的這個就是碳12的原子核.
  • 7:46 - 7:48
    有時候會寫成這樣.
  • 7:48 - 7:51
    有時候他們確實
  • 7:51 - 7:54
    也會寫上質子數.
  • 7:54 - 7:56
    我們把它寫成碳12的原因是
  • 7:56 - 7:59
    ---- 你知道, 我數了6個中子 ----
  • 7:59 - 8:00
    這是一個總數.
  • 8:00 - 8:04
    你可以把它看作是總數 ----
  • 8:04 - 8:05
    ---- 一種看法是,
  • 8:05 - 8:06
    我們將來會談到一些微妙的差異,
  • 8:06 - 8:08
    ---- 這是原子核中
  • 8:08 - 8:12
    質子和中子的總數.
  • 8:12 - 8:15
    根據定義, 這碳的原子序是6,
  • 8:15 - 8:17
    但我們可以在這裏重寫
  • 8:17 - 8:19
    以便提醒我們自己.
  • 8:19 - 8:21
    所以, 在碳原子的中心, 我們有這個原子核.
  • 8:21 - 8:25
    碳12會有6個質子和6個中子.
  • 8:25 - 8:27
    另一款碳, 碳14, 仍會有
  • 8:27 - 8:31
    6個質子, 但它會有8個中子.
  • 8:31 - 8:32
    所以, 中子數是可以變的,
  • 8:32 - 8:35
    但在這裏, 這個是碳12.
  • 8:35 - 8:37
    如果碳 12 是中性的 ----
  • 8:37 - 8:41
    我等會兒也會提一下這個字的細微之處 ----
  • 8:41 - 8:43
    如果它是中性的, 它也會有6個電子.
  • 8:43 - 8:45
    所以, 讓我來畫那6個電子.
  • 8:45 - 8:49
    一、二、三、四、五、六.
  • 8:49 - 8:52
    一種, ---- 這可能是最要緊的一種 ---- 思索
  • 8:52 - 8:55
    電子和原子核之間關係
  • 8:55 - 8:57
    的方式
  • 8:57 - 8:59
    是你可以想像這些電子
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    似乎在到處動,
  • 9:01 - 9:03
    在原子核周圍亂竄.
  • 9:03 - 9:05
    有一種模型是你可以姑且
  • 9:05 - 9:07
    想像它們繞著原子核運轉,
  • 9:07 - 9:08
    但是, 那並不十分正確.
  • 9:08 - 9:10
    它們不像, 譬如說, 行星
  • 9:10 - 9:12
    繞著太陽運行一樣在運轉.
  • 9:12 - 9:14
    不過, 那是很好的出發點.
  • 9:14 - 9:16
    另一種方式是它們會在原子核周圍跳來跳去般,
  • 9:16 - 9:19
    或者說它們在原子核周圍亂竄.
  • 9:19 - 9:20
    而那只是因為
  • 9:20 - 9:22
    現實在這個層面上變得非常古怪,
  • 9:22 - 9:24
    實際上, 我們必須借重量子物理學
  • 9:24 - 9:26
    才能真正理解電子在做什麼.
  • 9:26 - 9:29
    不過, 你腦袋裏的第一個心理模型
  • 9:29 - 9:32
    就是在這原子, 這碳12原子的中心,
  • 9:32 - 9:34
    有這個原子核.
  • 9:34 - 9:37
    在這裏有這個原子核.
  • 9:37 - 9:41
    而這些電子在原子核周圍跳來跳去.
  • 9:41 - 9:43
    這些電子之所以
  • 9:43 - 9:45
    不會離開原子核,
  • 9:45 - 9:47
    為什麼它們像是被原子核綁住了,
  • 9:47 - 9:49
    並形成原子的一部分的理由,
  • 9:49 - 9:55
    是因質子帶正電荷, 帶正電荷,
  • 9:55 - 9:58
    而電子帶負電荷.
  • 9:58 - 10:02
    這是這些基本粒子的性質之一.
  • 10:02 - 10:04
    當你開始思考
  • 10:04 - 10:05
    除了它是一個標籤外, 電荷基本上是什麼？
  • 10:05 - 10:07
    這就開始變得有些深奧了.
  • 10:07 - 10:08
    不過, 當我們在討論電磁力時,
  • 10:08 - 10:11
    我們知道的一件事
  • 10:11 - 10:13
    就是不相同的電荷會彼此吸引.
  • 10:13 - 10:15
    所以, 最佳的思考法就是
  • 10:15 - 10:17
    質子和電子,
  • 10:17 - 10:18
    因為有不同的電荷,
  • 10:18 - 10:20
    它們會彼此吸引.
  • 10:20 - 10:21
    中子是中性的,
  • 10:21 - 10:25
    所以, 它們真的只是坐在原子核裏,
  • 10:25 - 10:29
    對於特定元素的某些原子來說, 它們確實會
  • 10:29 - 10:33
    在某種層面上影響到性質.
  • 10:33 - 10:35
    不過, 電子不會
  • 10:35 - 10:37
    自行飛離原子核的理由
  • 10:37 - 10:39
    是因為它們被吸引.
  • 10:39 - 10:42
    它們被吸向原子核.
  • 10:42 - 10:45
    而且, 它們還擁有快得難以置信的速度
  • 10:45 - 10:47
    這其實很難 ----
  • 10:47 - 10:48
    一旦我們開始談論
  • 10:48 - 10:52
    電子真正在做什麼,
  • 10:52 - 10:53
    我們又開始再度觸及
  • 10:53 - 10:54
    物理學一個非常奇怪的部分 ----
  • 10:54 - 10:56
    不過, 它已經夠了.
  • 10:56 - 10:57
    我想, 你可以說
  • 10:57 - 10:58
    它跳夠啦
  • 10:58 - 11:01
    它不想掉進原子核內,
  • 11:01 - 11:03
    我想, 是一種思考它的方式.
  • 11:03 - 11:08
    所以, 我提到了在這裡的碳12
  • 11:08 - 11:10
    由質子數來定義.
  • 11:10 - 11:12
    氧被定義成有8個質子.
  • 11:12 - 11:16
    不過, 再說一次, 電子會和其他電子作用.
  • 11:16 - 11:19
    它們可以被其他原子拿走.
  • 11:19 - 11:21
    而這實際上構成了
  • 11:21 - 11:23
    我們對化學的大部份的理解.
  • 11:23 - 11:26
    它是奠基於一個原子有多少個電子,
  • 11:26 - 11:28
    或是某種元素有多少個電子.
  • 11:28 - 11:29
    這些電子如何排列,
  • 11:29 - 11:34
    以及其他元素, 或也許是同一元素的其他原子,
  • 11:34 - 11:36
    的電子如何排列,
  • 11:36 - 11:41
    我們可以開始推測一種元素的一個原子
  • 11:41 - 11:43
    可以怎麽和同種元素的另一個原子反應,
  • 11:43 - 11:47
    或者一種元素的一個原子 ---- 它怎麽反應的,
  • 11:47 - 11:50
    或者它怎麽鍵結, 或不鍵結, 或被吸引到,
  • 11:50 - 11:52
    或排斥另一種元素的另一個原子.
  • 11:52 - 11:53
    舉例來說,
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    ---- 我們以後也會學到更多關於這方面的, ----
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    就是, 在某個地方的另一個原子
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    只因爲某種原因,
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    有可能就把碳的電子給搶走.
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    我們將會談論到, 某些元素的特定的中性原子,
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    相較於其他, 對電子有更大的親和力.
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    所以, 一個, 也許就是它們其中一個,
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    從碳奪走了一個電子,
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    那麽, 這個碳的
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    電子就會少於它的質子,
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    所以, 我們會有5個電子和6個質子.
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    然後, 就會帶1個正的淨電荷.
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    所以, 在我畫的這第一款碳12裏,
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    我有6個質子, 6個電子, 電荷正好抵消了.
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    如果我失去1個電子, 那麽我只有5個電子,
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    我就會有1個正的淨電荷.
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    在整個化學的播放清單中,
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    我們會對所有這些做更多的談論,
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    不過, 希望你認識到
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    一旦我們已經講到了
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    被稱為原子的基本構造單位,
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    這已經開始變得相當酷.
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    而更酷的是,
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    這個基本構造單位竟然是由
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    更基本的構造單位組成的.
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    這些東西都可以換來換去,
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    以致改變一個原子的特性,
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    或甚至從一種元素的原子
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    變成另一種元素的原子.
Title:
Elements and Atoms
Description:

How elements relate to atoms. The basics of how protons, electrons and neutrons make up an atom.
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Video Language:
English
Duration:
13:09

Chinese, Traditional subtitles

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