我們的身體和周圍千千萬萬種物質大多是由分子組成的,而分子又是由一百來種元素的原子組成的。可是,原子又是怎麼來的呢?它又是如何形成分子的呢?
大約138億年前,一場大爆炸產生了今天的宇宙。大爆炸後最初形成的元素主要是氫和氦(約3:1)。大約3億年後,物質凝聚,開始形成恆星。恆星內部的高溫高壓觸發熱核反應,合成了更重的元素,如碳、氧、鎂、矽、鐵。而比鐵重的元素,則是在超新星爆發時的劇烈條件下產生的。
這樣經過幾億到幾十億年的演化,宇宙中形成了從氫到鈽的94種元素。如果故事就到此為止,每個原子裡面的電子只圍繞著自己的原子核旋轉,原子之間彼此不相干,那就太「可惜」了。因為這樣一來,這個世界上就只有原子而沒有分子,更不會有萬物和生命。這樣的世界會是多麼單調乏味啊!幸運的是,原子之間的電子轉移和共享,使得分子的形成成為可能,使得五彩繽紛的世界成為現實。
要知道原子之間為什麼會發生電子轉移和共享,就要從原子中電子的運動情況說起。在原子中,電子圍繞著帶正電的原子核旋轉。這和衛星因重力作用而圍繞地球運轉的情形差不多。但衛星軌道的高度是連續可變的,衛星之間幾乎沒有相互作用,各自獨立運作。而在原子中,許多電子擠在那麼小的空間裡,電子帶負電,彼此之間必然會有相互作用。要維持原子裡面的“秩序”,電子的運動必須遵守嚴格的規則。那就是電子必須沿著一定的軌道運行,每個軌道只能容納2個電子。而且這些軌道是分層排布的,電子總是從能量最低的內層軌道開始排起。這種排布方式的後果就是,最外層最多可以有4個軌道,也就是最多可以容納8個電子。
如果最外層的所有軌道都被電子填滿,原子就像蓋了一床完整的被子,最為「舒服」。它們對別的原子“不屑一顧”,只以單原子狀態穩定地存在。如果原子都是這樣,那就不會有分子,也不會有你我了。還好這樣的元素不多,只有6種,就是氦、氖、氬、氪、氙、氡,我們把它們叫作惰性元素。
在大多數元素的原子中,最外層的軌道都沒有被填滿。這就像原子蓋了一床破爛的被子,感到“不舒服”,想辦法也要有一床完整的被子。
一種辦法是電子轉移。當最外層電子的數量只差一兩個就滿8個時(例如氯原子最外層有7個電子),最簡單的辦法就是從別的原子中「抓」來電子。這相當於拿「別人」被子上的材料來補自己被子上的洞。而當最外層電子的數量很少時(例如鈉只有1個),那就等於只有一些布塊,根本不是被子。更好的辦法是乾脆把這少數幾個電子“扔掉”,反正裡面還有完整的衣服(內層電子)。這樣一個“想要”,一個“願給”,電子就從一個原子轉移到另一個原子。給出電子的原子帶正電,得到電子的原子帶負電,彼此靠電荷的吸引力「拴」在一起。像氯化鈉(食鹽)就是這樣形成的。
最外層電子要湊夠8個還有辦法,那就是電子共享。你出一個電子,我出一個電子,大家共用,相當於兩個原子各自增加了一個電子。這兩個電子同時圍繞著兩個原子核旋轉,就把兩個原子「拴」在一起了。這就像兩個原子把它們不完整的被子拼成一條完整的被子,共同使用。這種共享可發生於同類原子之間,例如兩個氧原子透過共享兩對電子形成氧分子(O2 );也可發生於不同的原子之間,例如一個氧原子和兩個氫原子共享電子,就形成了水分子(H2 O)。許多分子,包括我們身體裡的生物大分子,如蛋白質和核酸,都是靠電子共享形成的。
因此,分子的形成,是原子之間外層電子轉移和共享的結果。這雖然只動了原子的“皮毛”,但卻是世界上各種物質形成的基礎,也使得生命的出現成為可能。

