原子合并：化学元素幽会的奇迹

原子很小。打个比喻：要合并成本句结尾处的句号那么大的一种物质，大约需要合并100万个碳原子。还有，可不要以为原子是个实心球，真实的原子内部基本上是毫无一物的空间。每个原子在核心部位有质子（带正电荷）和中子（不带电荷），质子和中子受强核力的绑缚而成型。其余的部分都是空灵的空间。围绕原子核——但距离很远——旋转的是电子团，差不多每个质子配一个电子。20世纪初，现代核物理先驱欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）曾戏称，原子内部的核就像是“大教堂里的苍蝇”。

卢瑟福比拟的尺度大致不错。但在他做上述比喻时，现代量子物理学还没有问世，而后者证明他的这个比喻还是有些误导。电子极其细小，差不多是质子质量的1/1836。根据量子物理学，我们绝无可能确定电子绕质子飞行的准确速度和位置，我们所能知的只是电子可能的位置，而不是其确切的位置，因为要确认电子的位置就必然要动用能量（比如打开手电筒），只不过这样一来，辅助测量电子位置的能会惊扰电子的飞行速度和轨迹。正因如此，量子物理学家描述电子绕飞的状况时常使用“概率雾”（probability mist）的概念，也就是说，电子在原子核外面的某个距离会更浓重一些，而在其他距离会清淡一些。如果把原子比作大教堂，那么电子的概率雾在大教堂内的多处都有发现，甚至会渗透到大教堂的墙外。1

化学所关注的正是粒子如何幽会，以及粒子在概率雾中间的争斗，而且争斗得非常厉害呢！质子与电子离合聚讼，原有的键价被打破，新型的关联又兴起，结果是崭新形式的物质不断涌现。而驱动这一切的正是下述这个简单的事实：电子带负电荷，彼此相斥，却与带正电荷的质子彼此相吸，可以是本家原子的质子，也可以是邻家原子的质子。化学家研究的正是电子与质子、电子与电子之间的挑逗、对抗、媾和及争端，电子会跑去和邻家原子聚合成分子，有时是几个原子媾和，有时竟多达数百万甚至数十亿个原子，由此而来的复杂结构甚至比星际结构还要复杂。每个分子结构都有一些新涌现的特性，因此，其化学的可能性简直无穷无尽。但无论如何，粒子间的求偶还是有着自身的规则的（虽然这些规则有时比人类之间的求偶还要乖戾），而规则决定着电磁力如何架构化学复杂性。

电子自然是其中的主角。就像人间的恋人一样，电子也同样地不可预测、变化无常，而且总是谁开的价钱好就跟谁走。电子沿着独特的轨道绕质子飞行，轨道不同，能量级也不同。只要有可能，电子就会朝距离原子核最近的轨道跃迁，因为这里需要的能量最少。但每个轨道能够容纳的电子数是有限的，如果靠近原子核的轨道被占满了，那么电子只能将就着在远离原子核的轨道绕行。如果轨道的容量和电子的数目恰好匹配，那自然就皆大欢喜了。这种情况造成的结果就是所谓惰性气体（noble gases），比如氦气（helium）或氩气（argon），这种物质存在总处于元素周期表的右侧。它们不与其他原子聚合，因为它们相对更安于现状。(www.zuozong.com)

但假如原子的外层轨道没有被电子占满，问题就来了：这里的紧张气氛会造成电子无休止地抢占轨道位置的状况，也是大量化学工作的重心所在。有些电子在此时会跳到邻家原子的轨道上，而这就造成原有电子缺少一个负电荷，所以该原子会与另一个有多余电子的原子聚合而成离子键（ionic bond）。我们食用的盐就是这样形成的：钠原子最外层的电子时常出轨，这样恰好和外层空位且正在寻找多余电子的氯原子一拍即合。有时候，电子会感觉环绕两个原子核飞行更惬意，所以这两个原子核自然就分享该电子的负电荷，形成共价键（covalent bond）。氢原子和氧原子合成水分子的情形正是这样。但这样形成的分子却有些不平衡，是两个较小的氢原子拱卫着一个较大的氧原子。这种怪异的形状造成正负电荷在分子表面分布不均，令氢原子颇不舒服，所以后者常会受邻家分子中的氧原子吸引。这种吸引力正是水分子能够凝结成水珠的原因，其利用的恰是这种弱氢键（weak hydrogen bonds）。氢键在生物化学中的作用至为根本，因为诸如脱氧核糖核酸（DNA）之类携带基因的分子都是靠氢键实现其功能的。相比之下在金属中，电子的表现颇为不同：大量电子会环绕金属的原子核巡行，所以金属特别适合导电，其实电流不过是大量电子的流动。

碳原子有6个质子，可谓是原子浪漫故事中的主角——唐璜（Don Juan）。碳原子的外层轨道通常有4个电子，但这里的容量却是8个，所以可以想见碳原子肯定很乐于把外层轨道上的这4个电子去除，或在此添加4个电子，或让这4个电子与其他原子共享。这就有了多种选择，所以碳原子可以和其他原子形成各种复杂的分子，有环形的，有链形的，还有其他你想不到的形状的。由此也不难得知，碳在生物化学中为何如此重要。

化学的基本规则似乎是普世皆然的。我们之所以这样说，是因为从分光仪显示的结果看，地球上存在的许多简单分子在星际尘埃云中同样存在。但相比之下，星际化学相当简单，迄今被人类所发现的星际分子至多不超过100个原子。这一点并不令人惊讶。毕竟在太空中，原子彼此之间的距离要大得多，所以彼此搭便车甚至碰面的机会都要难得多。况且，太空的温度也颇低，所以启动原子聚合而成长期稳定的分子所需的能量也不多见。星际化学令人振奋的一面反倒是：星际居然不只能够制造出简单的分子，如构成行星的水和硅酸盐，还有许多生命赖以成型的基本分子，如作为蛋白质主要成分的氨基酸。事实上，我们现在已经确知：简单的有机分子在宇宙中是很常见的，而这又使得地球之外存在生命的命题多了一重可能性。