《世界存在的本質 05》

在自然界人類活動的範圍裏，很少見到獨立存在的原子。物質大多數是由原子集合而成的化合物。即使從近代以來，拉瓦錫提出元素論，道爾頓提出了原子論，物質元素之間的結合和化學反應一直是個問題，直到二十世紀初人們了解到原子的內部結構。分子和其它化合物的形成，或者說原子的結合，是通過轉移或者分享原子的通常稱為價電子的外層電子。當一個鈉原子遇到一個氯原子，鈉原子的最外層電子轉移到氯原子。鈉原子就成為帶正電的鈉離子，氯原子變成帶負電的氯離子。兩者通過靜電作用相互吸引而結合成氯化鈉分子。這就是物質組合的離子鍵形式。靜電的庫倫力沒有方問性。納離子和氯離子可以累積組合，形成氯化鈉晶體，也就是我們廚用的食鹽。又因為鈉離子和氯離子有完整的外層電子層和電子亞層，它們的空間各間異性很低，結合成的氯化鈉晶體也就具有高對稱的立方結構。

金屬原子的外層電子很容易從原子裏剝離出來。當金屬組成物質時，外層電子不再局限在單個原子，能在原子間自由遊離。所以金屬材料有很好的導電性和導熱性。自由電子對可見光的反射能力很強，所以人類很早就用金屬平麵作鏡子。金屬離子通過和自由遊離電子的靜電作用結合起來。金屬離子基本上是空間各向同性，所以金屬組合大多近乎密集堆壘。晶體結構多是六角和麵心立方。基於同樣的道理，金屬原子移位並不困難，所以金屬材料的可塑性和延展性很高。可以塑造各種形狀。金屬可以由摻雜而改變物理特性。因此，金屬被用來製作成各種工具。青銅和鐵器的發明是人類文明的兩大重要的飛躍。美洲的瑪雅，阿茲特克，和印加帝國直到滅亡也沒有發展出金屬器文明。而離子晶體大多是不同元素原子的固定的層陣或交錯排列，所以它們堅硬，不容易形變。但是可能沿著一定的晶格層麵離解，裂開。離子晶體裏的電子也被離子束縛，所以它們一般是很好的電絕緣體。

電子轉移無法解釋氫分子和氯化氫分子的形成。設想一下一個氫原子的電子轉移到另一個氫原子。兩個電子相距太近。它們庫倫勢能超過這兩個氫離子的庫倫勢能。所以這個狀態不穩定。但是有這麽一種情況：兩個氫原子的電子都偏移到氫原子核的中間，通過庫倫力將氫原子核束縛起來。雖然兩個電子之前存在庫倫斥力，但是整個係統能夠達到低能量的穩態。

無論是經典牛頓力學還是量子力學都可以精確完備地描述二體係統。但是，當一個係統包括三體或者三個以上的物體時，力學的數學結構非常複雜，無法得到精確的解。我們對多體係統的了解也不可能完備。前麵提到的多電子原子結構會有這種問題。氫分子即使是最簡單的分子，在處理氫分子的結構和狀態時也存在同樣的困難。1927年，海特勒和倫敦第一次利用量子力等和波函數概念求得氫分子的近似解。如果兩個氫原子電子波函數重疊程度越高，電子在氫原子之間出現的幾率越高時，氫原子之間的結合力超強。當兩個氫原子相距0.74埃時，結合能達到最低。在氫分子處於穩定態，兩個電子在同一位置出現的幾率增高。根據泡利不相容原理，兩個電子的自旋必須相反。所以氫分子沒有淨電子磁矩。這種通過分享電子的分子結合被稱為共價鍵。在氫分子裏，正電荷中心和負電荷中心完全重合，所以氫分子沒有電極性。相比較，氯化氫分子具有電極性，更容易參與分子之間的活動。

不同於離子鍵和金屬鍵，共價鍵具有方向性。1931年，鮑林提出了軌道雜化理論。在一特定的共價分子裏，電子為了爭取極大限度的波函數重疊，它會處在一個由原子電子本征量子態組成的混合態上。在二氧化碳分子中，碳原子的一對電子的波函數是s軌道和p軌道的混合，稱為sp 雜化。鍵角180度。所以二氧化碳是線性非極性分子。碳的三電子sp2雜化形成三角形共價鍵電子。這是石墨六邊形層麵結構的來源。石墨層之間的作用力很弱，因為層間p電子軌道重疊度很低。碳原子也可以通過sp3雜化結合形成正四麵體結構的鑽石。這種結構超級穩定，所以鑽石的硬度極高。水分子裏氧原子是sp3電子雜化，但是隻有兩個電子參與和氫原子的結合，另外兩個電子空懸。氫氧鍵的夾角大約105度，近乎正六邊形內角的120度。水分子是極性分子。由二氧化碳凝結成的幹冰是密集堆壘形成的麵心立方體。而冰在氫氧原子的極性作用下排列成六角結構。繽紛多姿的雪花的基本形狀便是六角。這這裏，我們不妨從微觀世界的思緒中出來，體會一下大自然的美。

--寫於2022年7月17日（圖片來自網絡）