2005-04-13：什么是电
百无聊赖地在网上闲逛了一会儿，跑去查了下电子邮件，收件箱空空如也，硬挺着耗了半个小时左右，终于收到了一封电子邮件，还附了一个 PDF 文件的。
附件中的“PDF”文件让我有点犯难，PDF 是个什么东西？不过我这回留了个心眼儿，没有着急忙慌地就回信询问，而是跑去 www.google.com[1] 上搜了下：“怎样看 PDF”。哈，挺简单的嘛。
我们这样理解“电”
通过中学的物理与化学课程，我们已经知道物质都是由“分子”、“原子”这样一些小微粒组成的。这其中的“原子”则是体现物质的物理化学性质的最重要的粒子。它可以细分为一个原子核与围绕原子核不断运动的一些更小粒子组成，图（1）是表达原子结构的一些示意图。
原子核仍然可以细分为两种更小的粒子——质子和中子，而绕核旋转的的小粒子则被称为“electron”。这些 “electron” 之所以要围绕原子核转动，是因为质子对它们有吸引力，有一个质子就可以吸住一个 “electron” ，因而在“正常”的原子之中，质子的数量与“electron”的数量相等的。稍后我们会了解到，物质的物理化学性质与“electron”关系密切，其中质子对“electron”的吸引力与“电”的关系尤为重要。
NOTE
以上给出的，是表达原子结构的一个“模型”，这是一种“观点”，说得再明确一些，那就是“我们认为” 原子的结构是这样的。那么现实世界中的原子究竟是什么样子的呢？这我只能说：“呵呵” 。
这个模型基于经典力学理论建立的，现在物理学已经进入的“量子”时代，以量子力学的视角重新审视原 子时，我们会得出完全不同的原子结构模型。但就我们将要学习的内容而言，采用这种经典力学模型已经可以正确解释很多现像了。
有关这些小粒子的种种性质我们没有足够多的基础知识将它们全部研究透彻，然而有一个要点我们必须牢牢把握：不同物质的原子各不相同，然而各种原子所具有的“electron”都是一个模样的。把铁原子和铜原子的“electron”各取一个交换一下，铁仍是铁，铜仍是铜。而铁之所以不是铜，那是因为铁原子有 26 个质子，而铜原子有 29 个质子，或者说原子核中的质子数决定了它们是不同的物质。
由于各种元素的原子核中质子数都不相同，所以我们可以按质子数的多少把各种原子排成队列，比如按质子数从少至多的顺序可以得到图（2）所示的队列（每小格左上角的数字为质子数）：
然而这个队列无法解释很多特殊的现像，比如“氦、氖、氩”这三种气体具有十分相似的化学性质——特别的稳定，很难发生化学反应，而它们在这个队列中却看不出有什么关联。
进一步的研究表明，原子核外的“electron”排布是有规律的，这些“electron”只能沿一些固定的“轨道”绕核运动，离核最近的一条轨道上最多只能容纳两个“electron”，且一旦这条轨道上真的存在两个“electron”，那么在这条轨道运动的“electron”就会进入一个特别稳定的状态。
这可以解释为何“氦”的化学性质十分稳定，氦原子只有两个“electron”，刚好稳定地运行在第一条轨道上。相对而言“锂”的化学性质就很活泼，因为它有三个“electron”，其中两个处在稳定的第一条轨道上，第三个被挤到第二条轨道上，非常不稳定，容易逃离原子核的束缚。
当第二条轨道上的“electron”达到八个时，这条轨道上的“electron”们就会进入稳定状态，因此第 10 号元素“氖”的化学性质也是特别的稳定，它的十个“electron”刚好占满两条轨道。同样的第 11 号元素“纳”因为多了一个“electron”在第三条轨道上转动，所以其化学性质也是异常的活泼，遇到水就能燃烧爆炸。
对于第 18 号元素“氩”，它有 8 个“electron”排列在第三条轨道上，由于第三条轨道是最外层轨道，这条轨道上就只能有 8 个“electron”，此时该条轨道也是稳定状态。而“氪”元素的原子核外有四条电子轨道，由于第三轨不是最外层，所以该轨道上有 18 个“electron”，第四轨上有 8 个“electron”，也是稳定的。
由此我们可以把图（2）那个“一条龙”式的队列重新整理一下，得到图（3）所示的一个大表格，这就是鼎鼎大名的 “化学元素同期表” 。可以看到最右侧的一个竖列（粉色）中都是化学性质相当稳定的 “惰性元素”，在它们的原子核外，“electron”们都稳定地排布在每一层轨道上。
这个表不仅反映物质的化学性质，也反应物质在电学应用中的不同行为表现。比如对于最外一层 “electron” 数量偏少的元素，像“铝、铁、铜”等，它们通常容易导电，因为最外层的少数“electron”们很容易离开原子核跑掉。而最外层“electron”数量达到稳定状态的元素，像我们刚才提到的“氦、氖、氩”等，都不易导电。像“硅、镓、锗”之类的元素，其最外层“electron”数量居中，它们具有一些独特的电学性质。
有了以上一些基础知识，我们就可以了解电是怎么回事了。正如前文所述，质子对 “electron” 具有吸引力，当质子总数与“electron”的总数量相等时，这种吸引力我们是觉察不到的，而当质子数与“electron”数不相等了，比如一个“electron”离开了原子核落在地上，这个原子就会“发飙”，或者说它“来电”了。它会努力从周围其它物质的原子中抢一个“electron”过来，以便重新达到“质子和 electrons”的平衡。
如果你的手指不幸触碰到这个原子，手指上的一个“electron”就会被抢走，这个手指会抢胳膊上的 “electron”，胳膊会抢身体上的“electron”，身体会抢腿上的“electron”，腿会抢脚的“electron”。如果你的脚恰好踩到了落在地上的那个“electron”，那么一切都恢复平衡。而你，很幸运，你被“电”到了。
你被“电”到的全过程相当于什么呢？是不是相当于那个落在地上的“electron”经过你的身体重新回到了失去它的那个原子里？那么“电”又是什么？“电”其实就是质子与“electron”之间的吸引力，就是一群在质子的吸引下沿着一条道路快速且整齐地奔跑着的“electron”们。
这并非是对“电”所做的严谨的定义，但于你而言说到这个程度已经足够了。
这篇短文写得挺有意思，但我不明白他为何要夹杂一个英文词“electron”，这不就是“电子”吗？如果这个词必须使用英文的话，那为何质子和中子却用了中文？真的是搞怪啊。而且这短文中漏了一个要点，电子带负电，质子带正电，异种电荷相吸引，但同种电荷要相排斥才对吧？另外，这个原子为何要失掉电子而产生电呢？他要失掉质子的话也应该产生电吧？
还好不到 11 点的时候 C#（++++排成两行两列就是#）登录上 MSN，聊聊吧，看他有何说法。
我：“你的文章中为何夹杂英文？”
师：“我不是海龟，没那些习惯。”
我：“海龟也未必都这习惯吧？您这是什么用意？”
师：“我是想暗示你注意一点：名称只不过是个代号，不要过于注意名字。”
我：“注意名字也没什么大不了吧？”
师：“我怕你抠字面的意思搞名词解释，比如问这个为什么叫‘电’子而不叫其它什么子？”
我：“呵呵，你这倒提醒我了，我还真想钻一回牛角尖，这个绕原子核转动的小微粒为什么叫‘电’子，不能在‘子’前面冠上其它字吗？”
师：“能啊，可以冠其它的字，甚而可以冠上多个字，比如叫‘伊莱克纯’子。”
我：“这像是个日本 A V 女优？”
师：“呵呵，其实‘electron’这个词源自古希腊语，它的原本意思是‘琥珀’，所以这个词译成中文 应该是‘琥子’。 ”
我：“虎子是条狗，住我们家楼上。经常半夜乱叫，可招人恨了。”
师：“西方人先观察到由琥珀引起的电现像，后来发现这个小微粒是电的缘由，于是就把‘琥珀’这个词变化了下给这个小微粒命名了。”
我：“我们是先观察到雷公电母，后来知道西方人用了个‘琥珀’来解释这个，我们感觉不太合中国 的理念，于是就把它译为‘电子’了？”
师：“应该是这样吧。所以如果是由你给这小微粒起名字，你大概会把个阿猫阿狗的名字安在它身 上，也就不会问‘为什么叫这个？’了。”
我：“别人恐怕会问我为什么它叫阿猫阿狗，呵呵。”
我：“你没有写电荷之间‘同性相斥，异性相吸’这个现像。”
师：“对，这点忽略了。多谢提醒。”
我：“那你说，质子都带正电，它们之间如果相排斥的话，它们又是如何组成原子核的呢？”
五分钟过去了， MSN 上一直静悄悄的。 他难道走了吗？好像没有，他还在“联机”状态。再等等吧，也许在接电话。又过了一会儿，我有点等不及了。
我：“在吗？忙什么呢？”
师：“我在 GOOGLE 上搜‘质子 排斥 组成原子核’这几个关键字。”
我：“你不知道啊？我还以为你什么都知道呢。”
师：“你特失望是吧？心都碎了？”
我：“没那么严重，早知道你答不了这个问题我就不问了，我自己也会搜啊。”
师：“好啊，你自己知道上网搜资料，我能省不少心。”
我：“你都搜到了什么？”
师：“强相互作用力，是质子和中子结合成原子核的作用力。这已经不是电学问题了，我不懂。”
我：“那就算了吧，你说原子为何要失去电子而显示电现像呢？”
师：“它不失去电子还能失去什么呢？”
我：“它可以失去质子吧？”
师：“这你还是仔细想想吧，我这短文中有些提示的。”
这回还看走眼了，我心里有点郁闷，在哪里有提示呢？难道是这两句：“把铁原子和铜原子的 ‘electron’ 各取一个交换一下，铁仍是铁，铜仍是铜。而铁之所以不是铜，那是因为铁原子有 26 个质子，而铜原子有 29 个质子。”
我：“是我读的不仔细。如果铜原子失去的是一个质子而不是一个电子，那它就变成镍了，就不再是铜了。”
师：“你可以在搜一下‘裂变 核反应 原子弹’这样的关键字，可以了解更多一些。”
我：“怎么还有原子弹的事啊？”
师：“质子在原子核里，原子失去质子的话，应该算‘核’反应了。”
我：“好吧，我感觉还是有些收获，你这小文章挺好玩的，以后还有吗？”
师：“有啊。这些小文章不一定叙述的准确，仅做科普用。”
我：“对我来说也够了。 我们下次聊些什么内容？还是欧姆定律？”
师：“我们下回聊有关发电、放电的话题。”
师：“你这就要走了？”
我：“我还没写作业呢。明天还有考试。”
师：“真够累的！忙去吧。”
下了 MSN，我抻了个懒腰：“作业、考试，是够累的。查一下原子弹再受累去。”
打开浏览器上了 GOOGLE，打上“裂变 核反应 原子弹”几个字，居然搜出来一篇《业余条件下如何自制原子弹》的文章来，敢情还有比我更累的呢？
本节补充说明
了解一些原子结构的基本知识，有助于我们了解电子技术中经常用到的材料，比如最常见的导体 “铜”、“银”和“金”，它们扎堆在一起，属于“过渡元素”。其原子的最外层电子很容易脱离原子核的束缚成为 “自由电子”，因此它们很容易导电，所以称其为“导”体。最常见的“半导”体材料“稼”、“锗”、“硅”、“砷”，它们的最外层电子数通常为 3 个、4 个或 5 个，常称为“Ⅲ-Ⅴ族元素”，它们有一些独特的电学特性。
我们现在说导体中的“自由电子”定向运动形成了“电流”，这很不确切，稍好一点的说法是“电荷”的定向运动形成“电流”。不过既然我们更多的提到“电子”，那就直接用“电子”来说事。我们可以观察导体内部的一个“截面”，如果 1 秒钟内有
想理解“电压”稍微麻烦一些，我们弄几杯水来类比一下，说地面上有 3 杯一样的水，我左手把 1 杯水托到 1 米高，这我肯定付出了“能量”，如果我就这么托着杯子不动，那么这些能量就成为这杯水的“势能”。我现在用右手把另外两杯水托到 0.5 米高，水多一倍但高度减了一半，我右手付出的“能量”和左手是一样的，问题是我左手一歪的话，左手杯中的水会流到右手杯中，而我右手一歪，右手杯中的水却只能流到地上，不能流进左手杯中，这是为什么呢？
“废话，水往低处流嘛。” 你心里是这么想的吧？
我们这样解释这个事：我们现在把“势能”平摊到一杯水上，左手只有一杯水，所有势能都是它的。右手有两杯水，虽然其总的势能和左手杯一样，但一平摊的话一杯水就只有一半势能了。我们把“一杯水”具有的势能称为这杯水的“水势”，所以左右手的“水势”不同，而水只能从“水势高”的地方流到“水势低”的地方，水势之差可称为“水压” （这不同于我们通常了解的那个用“大气压”来衡量的水压）。而三杯水的起点，也就是那个“地面”，我们可规定其水势为 0，称之为“水势零点”或“水势参考点”，这三杯水的水势都是相对这个“地”来算的，这样就可以定量研究水势了。
现在把水换成“电荷”，把一个电荷从“电势零点”移走一段距离，再把两个电荷从电势零点移走一半距离，它们的“电势能”相同，把电势能按电荷数量平摊一下，就有了“电势”的概念，它们的“电势”可是不同的。电荷可以从电势高的地方向电势低的地方运动，电势之差就是“电压”了，其单位是“伏特” 。
“安培”可用字母“
“兆千毫微纳皮(
关于字母的大小写问题还是再补充一点，大写的“
以此纪念离我们远去的谷歌。无法使用谷歌的读者请自传行换用其它搜索引擎。 ↩︎