带你进入有趣的原子世界 老叶科普堂（三）

原子是什么？

原子（atom）这个名称传到你的耳朵，你心里会浮现出什么图像？可怕的原子弹？物质不可分割的最小单位？还是那个又爱又恨利用原子能的核能发电厂？

当人类探索越来越小的物质结构之后，所使用的设备越来越精密，探索微观世界得到的认知与图像就越来越与我们理解的世界差距越来越大，所以除了少部分精英科学家了解原子的微观世界，大部分的人都对这个微观原子世界一知半解，而微观世界探索的成果让人类得到越来越大的力与能量，尤其是不可控制可以毁灭世界的能量。

所以科学家在探索微观的极限时，忽略了一般普罗大众对未知事物的无知与恐惧，于是一般人听到原子的时候，不是可爱的“阿童木”原子小金刚，而是可怕的原子弹与辐射，所以今天我要以轻松的文笔，带大家进入原子的世界，利用原子里面的质子，中子与电子的奇异与有趣的特性，给大家当做人生指南与教育子女的参考，进而无形中了解原子里面的科学简单道理。

（▲图：原子结构模型的演进，象征着人类对微观世界巨大潜能的掌握与发掘，人类于是开始进入原子能时代）

原子是什么？在煎熬的高考结束后，你抛开了可怕的物理课本，你对原子的图像是什么？如上图所示，是汤姆生的葡萄土司面包模型？还是卢瑟福的太阳系模型？还是最真实的量子力学派的原子核与电子云雾模型？两千五百多年前，希腊哲学家与科学家德谟克利特认为,万物的本源或根本元素是“原子”和“虚空”。

“原子”在希腊文中是“不可分”的意思，所以物质不是连续的，最小的不可分割单位是原子的理论开始根深蒂固的深植于西方世界，同一个时间，中国的太极图就让人联想到宇宙的组成是阴与阳，所谓太极即是阐明宇宙从无极而太极，以至万物化生的过程，易经系辞：“是故易有太极，是生两仪”， 两仪即为太极的阴、阳二仪。

（▲图：太极与原子或量子是不是有异曲同工之妙呢？中国太极图与原子内的微细构造发生了不可思议的相连）

这两个东西方古老的学说给了我们最小物质是不可分割的原子以及阴与阳（正负）的概念，近代科学的蓬勃发展更让我们对原子的内部构造有更清晰的了解，我们现在就用简单的概念来了解原子结构里面最重要的质子（proton）、中子（neutron）与电子（electron）吧！

怎么理解质子、中子与电子？

如果你是有儿女的父母，如果你是压力沉重的男人，如果你是被君子好逑的窈窕淑女，原子里面的质子,中子与电子在微观世界的行为，值得当做你教育他们的行为准则或是你可以奉行的人生道理，要怎么说呢？我给大家分析分析，也许就在这样的分析中，你不但了解了基本粒子的特性，还可以从中得到一些人生启示。

电子：像雾像雨又像风的捉摸不定

电子绕原子核的方式并不像小小的卫星或行星，我们确实不知道电子怎么跑？像云雾一样，电子就在里面，如果我们真的要去找电子的话，这些云雾就是电子可能出现的位置。我们先看看电子的行为，电子是捉摸不定的粒子，德国科学家海森堡的测不准原理就是描述电子的不可预测，你永远无法同时确认电子的位置与动量。原来电子从不轻易说出自己的秘密，她根本就是低调到让人抓狂！

如果你有女儿或是你是一个有众人追求的女孩，电子的特性或许可以当做你的行为模范，如果你想吸引某人的注意，试试就像电子一样，让他们觉得你的行为难以捉摸与深不可测，只让他们知道你在哪里，可是不知道你在干啥，或是反过来也行，只知其一不知其二，我常常跟我女儿说，如果有男生电话来了，不要显露出上气不接下气，急急忙忙的样子，而是要练习平心静气的等铃声响过好几下再接，就算他是你喜欢的人；追求你的人发了短信给你，开始的时候可以不着边际的回复，永远不要在刚开始的时候暴露你对他的爱恶，像电子一样有时候既像粒子又像波，确定了在哪里，但永远不知到你在做什么，这不就是测不准原理的精髓吗？

电子就像童话故事里面国王的舞会派对里最神秘的女孩灰姑娘，讲话有种腔调，你不太确定她从哪里来的，也从来不知道她已经来了，就算她真的来了，你根本搞不清楚她在讲什么，然后她就走了，身穿美丽的晚礼服与水晶鞋消失在夜色里，只留下一股茉莉花香气、一个美丽的背影与她故意留下的一只水晶鞋。这就是电子，用一句优美的文句来形容电子就是“过度暴露会扼杀浪漫，保持神秘则会滋养兴趣”。

如果你是一个女孩，我会建议你多了解电子。

质子：男人的魅力就在坚强与专注

如果你有儿子，你要让他像质子一样的男子汉，你要让他成为坚定的中心，不管电子的她如何捉摸不定，你就像质子一样始终坚定的在这个中心位置，沉着稳定的吸引着她们，虽然内部排斥力非常强大，这种排斥力就像男人面对社会、家庭与事业的所有压力一样，你还是要用男子汉的坚强克服了这个排斥力，这个坚强的力就叫做强作用力或核力，没有这个专一，沉着与稳定的坚强之力，你将失去所有魅力，那被你所吸引的那个捉摸不定的电子也将灰飞烟灭的不知所踪。

中子：亲切的几乎让人毫无防备

中子像是一个好闺蜜，不管是男闺蜜还是女闺蜜，你总是淡化你的属性，让人不知道你是阴还是阳？你始终维持中性，你很容易亲近属性很强的人，不管他是多么坚强像质子一样的男子汉，你都可以让他无防备的在你身边，软化他那颗勇敢的心。捉摸不定的电子有时候会促发她对你的吸引力，让你有了厌倦当好闺蜜有时候，就在某个瞬间就像电子行为一样让人捉摸不定的贝塔衰变（βbeta decay）发生的时候，在这个时候，你变成像质子一样的男子汉！这就验证了一件事，异性好闺蜜也许也有可能变成男女朋友，贝塔衰变就像闺蜜间的友情变成爱情一样，有时候真的来得不可思议。

（▲图：质子，中子与电子的特性里面蕴含着很多人生大道理，所以学物理也可以发掘很多意想不到的哲理）

现在你对原子应该有一个概念了吧！所以现在我们开始介绍为什么原子可以发出不同的光谱线，原子的发光原理如何理解，后面为了让大家可以直观的理解，我的原子模型会接近太阳系行星轨道模型，但是实际上原子不是这样的模型，因为带电粒子不可能持续绕行轨道而不放出电磁波，这样的模型只会存在一瞬间，但是我还是用这个模型来让大家对原子发光原理更易于理解。

(▲图：比较好理解的原子内部构造与能级图，实际上的原子内构造可能超乎你的想象，但是这样的构造也可以说明原子的大部分行为)

原子中电子是怎么分布的？

「原子(atom)」的大小约为0.1nm(纳米)，原子的中心是原子核，原子核外则围绕着许多带负电的「电子(electron)」，电子(带负电)受到原子核(带正电)的吸引而绕着原子核运行，就好像太阳系的九大行星绕着太阳运行一样的情形，如图一所示，我们必须先了解原子里面电子的分布，才能说明原子发光的原理。

以铒(Er)原子为例，铒的原子序为68，代表原子核外有68个电子，这68个电子在没有外加能量时会在固定的轨道上绕原子核运行，这种轨道称为「内层能级」，如下图一所示；另外在距离原子核更远的地方，也就是在内层能级外围，还有一种空的轨道称为「外层能级」，在没有外加能量时并没有电子存在，如图一所示。换句话说，在「没有外加能量」时，电子只会在「内层能级」绕原子核运行；而在「有外加能量(光能或电能)」时，少数电子会跳到「外层能级」以后再绕原子核运行。

△图一铒原子的构造。

·能级(Energy level)：科学家们将电子可以存在于原子中，并且绕原子核运行的区域称为「能级(Energy level)」，原子的能级分为「内层能级」与「外层能级」，如图二(a)与(c)所示。我们可以将电子在原子的内层能级与外层能级的行为，想象成某甲在大楼的一楼与顶楼，如图二(b)与(d)所示。

·内层能级(能量较低)：在没有外加能量时，原子核外所有的电子都在「内层能级」绕着原子核运行，内层能级的电子能量较低，比较稳定，如图二(a)所示。就好像大楼的「一楼」，大楼内的某甲在大楼的一楼，一楼的能量较低，比较稳定，也比较安全，如图二(b)所示。

·外层能级(能量较高)：在有外加能量(光能或电能)时，则其中一个电子会由内层能级跳跃到「外层能级」，外层能级的电子能量较高，比较不稳定，如图二(c)所示。就好像大楼的「顶楼」，对大楼内的某甲外加能量(爬楼梯或坐电梯)，则某甲会由一楼升高到顶楼，顶楼的能量较高，比较不稳定，也比较危险，如图二(d)所示。

·能隙(Energy gap)：科学家发现，在内层能级与外层能级之间的区域是没有电子存在的，换句话说，电子原本在内层能级，当我们对原子外加能量，电子并不是慢慢地爬到外层能级，而是电子吸收了这个能量以后「直接跳跃」到外层能级。内层能级与外层能级之间没有电子存在的区域称为「能隙(Energy gap)」，而「能隙的大小」就是内层能级与外层能级之间的能量差(位能差)。「能隙(Energy gap)」是光电科技最重要的观念，也是光电工程师会一直挂在嘴边的专业术语，所有的固体会发出什么颜色的光就是由固体材料的能隙来决定，大家务必完全了解。

△图二原子的内层能级与外层能级。

原子发光原理是什么？

图三(a)为铒原子的能级示意图，如果仔细观察图三(a)会发现，其实图中真正有意义的部分只有铒原子的上方，因此科学家将铒原子上方虚线的部分画成如图三(b)的简图。
铒原子的68个电子在没有外加能量时都在「内层能级」，外层能级则是空的，如图三(b)所示。对铒原子外加能量(光能或电能)，则其中一个电子会由内层能级跳跃到「外层能级」，如图三(c)所示。由于外层能级的电子能量较高，比较不稳定，因此电子一不小心便会由外层能级落回内层能级，并且将刚才吸收的能量以「光能或热能」的形式释放出来，最后电子回到原先的状态，如图三(d)所示，这是所有光电科技产品必定遵守的定律，我们称为「能量守恒定律(Energy conservation)」。


【重要观念】

内层能级又称「基态(Ground state)」，外层能级又称「激发态(Excited state)」。

对原子外加能量(光能或电能)，使电子由内层能阶跳跃到外层能阶的动作称为「激发(Pumping)」。


△图三铒原子的发光原理。

原子的发光颜色与什么有关？

原子的发光颜色与能隙的大小有密切的关系，「不同的原子」由于「能隙的大小不同」，所以「发光的颜色不同」，可以应用在不同的科技产品上。原子的发光有下列三个特性：


能隙愈大，发光的能量愈大(波长愈短，例如：蓝光)
如图四(a)所示，X原子的内层能级与外层能级之间的距离较大，代表「能隙较大」，电子由内层能级跳跃到外层能级所需要外加的能量较大，而电子由外层能级落回内层能级所释放出来的光能量也较大(波长较短，例如：蓝光)。

《动动小脑筋》 

如图四(a)所示，X大楼的顶楼较高(100楼)，某甲升高到顶楼(100楼)所需要的能量较大(电梯较耗电)，而某甲由顶楼(100楼)落回一楼时所释放出来的能量也较大(受伤较严重)。


△图四 原子的能隙大小与发光颜色的关系。

能隙愈小，发光的能量愈小(波长愈长，例如：红光)
如图四(b)所示，Y原子的内层能级与外层能级之间的距离较小，代表「能隙较小」，电子由内层能级跳跃到外层能级所需要外加的能量较小，而电子由外层能级落回内层能级所释放出来的光能量也较小(波长较长，例如：红光)。

《动动小脑筋》

如图四(b)所示，Y大楼的顶楼较低(50楼)，某甲升高到顶楼(50楼)所需要的能量较小(电梯较省电)，而某甲由顶楼(50楼)落回一楼时所释放出来的能量也较小(受伤较轻微)。
 要以能量大的光(波长较短)，去激发能量小的光(波长较长)
由于原子的内层能级与外层能级之间的区域电子无法存在，故外加的能量(光能或电能)必须足够大，使电子由内层能级「直接跳跃」到外层能级以上，也就是说，外加的能量(光能或电能)必须「大于或等于」释放出来的能量(光能或热能)，才能使电子「直接跳跃」到外层能级以上。

如果外加的能量是光能，释放出来的能量也是光能，则外加的光能必须「大于或等于」释放出来的光能，大家别忘记，光的能量愈大则波长愈短(例如：蓝光)，而光的能量愈小则波长愈长(例如：红光)，因此，要以能量较大的光(波长较短，例如：蓝光)照射到原子，才能使原子释放发出能量较小的光(波长较长，例如：红光)。

粒子还有继续再细分的空间吗？

乘着近代科学蓬勃发展的东风，掌握高能粒子加速技术与微观分析技术的迅猛发展，人类开始对物质最小单位是什么进行无边无际的探索，慢慢的知道原子里面有电子，然后知道原子里面的核心是原子核，电子像行星绕太阳一样绕着原子核运动，慢慢的发现这样的模型无法解释原子发光光谱，于是导入了电子云雾状几率分布的轨道模型，然后我们发现原子核里面有质子与中子，然后又发现更小更小无数粒子如夸克，介子，胶子，中微子………，最后为了完成统一的万物理论，甚至发展了更微细构造的超炫理论。

无论如何，人类目前除了探索浩瀚的宇宙之外，对物质的本质还在利用最精密的设备与超高能的粒子加速器无止境的穷究与探索之中，2013年发现了希格斯玻色子，也许再过几年，你又会在新闻里面看到瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织又发现了什么子了，但是若最近杨振宁与多位科学家吵得沸沸扬扬的中科院高能物理研究所宣布建造世界最大粒子加速器如果成功，2020年以后，发现物质最小单位的工作也许就要交给我们财大气粗的中国了。

（▲图：人类对探究物质的最小单位始终没有休止，科技越发达，对最小粒子的探究越强烈，超炫理论会是最后的终结吗？）

本章是我下一个主题第四章要介绍的半导体发光原理的基础，只要大家了解原子构造与原子的发光原理，后面的学习就可以渐入佳境了。但是原子的详细结构与发光机制没有我前面章节内容讲得那么简单，但是要入门半导体发光原理这个领域，学习到这个程度应该就足够了。

*注：本文由行家说APP与作家专栏作者葉国光先生联合出品。谢绝任何未经许可的转载。授权联系微信号：hangjia199