分子長什麼樣子？

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當第二個原子靠近時，負電荷的運動

當第二個原子靠近時，負電荷的運動

單個原子

單個原子

（圖解：非接觸原子力顯微鏡下的奈米石墨烯分子圖像。圖源：Patrik Tschudin/gross3HR/Wikimedia Commons， CC BY）

分子長什麼樣子？

一個分子是由一群原子聚集而成的。分子構成了你身邊幾乎所有事物——你的皮膚、你的椅子、甚至你的食物。

他們有著不同的大小，但是他們極其的小。你用肉眼甚至是顯微鏡都不能看到一個獨立的分子。它們比一根頭髮還要窄100，000倍。

最小的分子由兩個粘合在一起的原子構成，但是一個大分子可以由100，000或者更多的原子構成。一個分子可以由相同的原子累計而成，例如我們所呼吸的氧分子，或者有不同種原子構成，例如由碳氫氧原子構成的糖分子。

但是分子們究竟長什麼樣子呢？這一切都是從它們的組成部分「原子」開始的。

異性相吸

構成原子的物質微粒並不都是相同的。它們有的帶正電、負電，或者不帶電。科學家們叫它們質子、電子和中子。

（圖解：一個金原子有著一個由79個質子和118個中子組成的密集中心，並且在周圍有著一個由79個電子組成的更分散的電子雲。圖源：由Galarza Creador插圖）

不帶電的種子和帶正電的質子形成了原子的重中心。

帶負電的電子圍繞著這個小中心運動。

當原子彼此靠近，潛在地結合並形成分子時，一個原子中帶負電的電子被另一個原子中帶正電的質子吸引，反之亦然。並且兩個原子都會相應地調整自己。

（圖解：當一個原子孤立時，圍繞在它中心周圍的帶負電的電子是對稱分佈的。當兩個原子相互靠近時，一個原子的電子會向另一個原子的正中心移動。圖源：Christine Helms，CC BY-SA）

你可以把它與在教室中選座位一樣。有很多的規律。比如，你必須要坐在座位上，而不能坐在其他人的頭上。遵循著這些規則，你可以試著坐在你朋友旁邊，遠離你的敵人。找到一個完美的位置，讓班上的每個人都很開心，就像在一個分子中一個原子的完美位置一樣。有時，原子沒有形成一個愉快的排列，沒有形成分子。

看到看不見的

如果一個分子過於小以至於不能用肉眼甚至是高倍顯微鏡看到，那麼科學家們怎麼看到它們？答案是他們已經開發出特殊的工具來實現這一做法。

一種使用X射線的工具，你可能知道，因為醫生用他們來查看身體中的骨頭。X射線是一種人類眼睛看不到的光線，像紫外線或者紅外線。

當科學家們向分子發射X射線，有些分子會反彈。科學家可以記錄這些反彈的X射線，並利用他們的模式來找出單個分子的樣子。

（從蛋白質分子中的原子反射的X射線形成了上面圖片中黑點。這些黑點的位置告訴了科學家原子在分子中是如何排列的。圖源：Del45/Wikimedia Commons，CC BY）

在1912年，人們通過這種方式最早看見的分子式鹽（NaCl）——一種我們都知道並喜歡在炸薯條上使用的成分。

科學家們也已經發明瞭許多其他的方法來看見分子。類似於當兩個原子接近時電子運動方式改變時，原子核也會改變它的運動方式。一個叫做「核磁共振」的技術，檢測到原子中心的這些變化，並將其作為確定什麼原子在附近的線索。

原子力顯微鏡就像一個脆弱的跳水板，當你在上面行走和跳躍的時候，它就會搖晃。但是這個跳水板非常小以至於在它末端的一個負電荷會想一個原子的正中心彎曲。移動著這個跳水板，觀察它如何彎曲，可以顯示分子中原子的位置。

（原子力顯微鏡）

科學家們開發出的另一種觀察分子的技術叫做cyro-electro顯微鏡。首先科學家們把分子冷凍到比雪或冰低得多的溫度。然後他們向分子發射電子並收集那些通過分子的電子來形成圖像。這項技術在2017年獲得了諾貝爾化學獎。

所有形狀和大小

多以分子長什麼樣子？他們是一組原子，中心含有了大部分物質，而其餘的大部分是空殼。每個原子都有一個它願意呆的特殊位置，就像教室裡的學生一樣。

每個分子都是不同的——有些分子真的不一樣。比如，苯像煎餅一樣是扁平的，而富勒烯像球一樣是圓的。企鵝酮可以被畫成企鵝的樣子，而其他分子看起來完全是隨機的。但是原子在分子中的位置從來不是隨機的。

雖然科學家們知道很多分子的是什麼樣子，但是仍有一些我們正在弄清楚的分子。等到我們了解到答案的那一天，我們就可以發明新材料和新藥物。

既然好奇心沒有限制——人們，也讓我們知道你在想什麼。我們不能回答每一個問題，但我們會盡最大努力。

BY:Christine Helms

FY:亨亨

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選文：天文志願文章組-

翻譯：天文志願文章組-亨亨

審核：天文志願文章組-

終審：天文志願文章組-零度星系

排版：天文志願文章組-零度星系

美觀：天文志願文章組-

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自：https://theconversation.com/what-do-molecules-look-like-184892

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