You probably know that all stuff is made up of atoms and that an atom is a really, really, really, really tiny particle. Every atom has a core, which is made up of at least one positively charged particle called a proton, and in most cases, some number of neutral particles called neutrons. That core is surrounded by negatively charged particles called electrons. The identity of an atom is determined only by the number of protons in its nucleus. Hydrogen is hydrogen because it has just one proton, carbon is carbon because it has six, gold is gold because it has 79, and so on. Indulge me in a momentary tangent. How do we know about atomic structure? We can't see protons, neutrons, or electrons. So, we do a bunch of experiments and develop a model for what we think is there. Then we do some more experiments and see if they agree with the model. If they do, great. If they don't, it might be time for a new model. We've had lots of very different models for atoms since Democritus in 400 BC, and there will almost certainly be many more to come. Okay, tangent over. The cores of atoms tend to stick together, but electrons are free to move, and this is why chemists love electrons. If we could marry them, we probably would. But electrons are weird. They appear to behave either as particles, like little baseballs, or as waves, like water waves, depending on the experiment that we perform. One of the weirdest things about electrons is that we can't exactly say where they are. It's not that we don't have the equipment, it's that this uncertainty is part of our model of the electron. So, we can't pinpoint them, fine. But we can say there's a certain probability of finding an electron in a given space around the nucleus. And that means that we can ask the following question: If we drew a shape around the nucleus such that we would be 95% sure of finding a given electron within that shape, what would it look like? Here are a few of these shapes. Chemists call them orbitals, and what each one looks like depends on, among other things, how much energy it has. The more energy an orbital has, the farther most of its density is from the nucleus. By they way, why did we pick 95% and not 100%? Well, that's another quirk of our model of the electron. Past a certain distance from the nucleus, the probability of finding an electron starts to decrease more or less exponentially, which means that while it will approach zero, it'll never actually hit zero. So, in every atom, there is some small, but non-zero, probability that for a very, very short period of time, one of its electrons is at the other end of the known universe. But mostly electrons stay close to their nucleus as clouds of negative charged density that shift and move with time. How electrons from one atom interact with electrons from another determines almost everything. Atoms can give up their electrons, surrendering them to other atoms, or they can share electrons. And the dynamics of this social network are what make chemistry interesting. From plain old rocks to the beautiful complexity of life, the nature of everything we see, hear, smell, taste, touch, and even feel is determined at the atomic level.
คุณคงรู้ว่าทุกอย่างนั้นประกอบขึ้นจากอะตอม และอะตอมนั้น มันก็เป็นอนุภาคที่เล็กแสนจะเล็ก ทุกอะตอมมีแกนกลาง ซึ่งประกอบขึ้นจาก อนุภาคประจุบวกหนึ่งอนุภาค เรียกว่า โปรตอน และส่วนใหญ่แล้ว จะมีอนุภาคที่มีค่าประจุเป็นกลางที่เรียกว่า นิวตรอน อยู่จำนวนหนึ่ง แกนกลางนั้นถูกห้อมล้อม ด้วยอนุภาคประจุลบที่เรียกว่าอิเล็กตรอน ตัวตนของอะตอมนั้นถูกกำหนด โดยจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียส ไฮโดนเจนเป็นไฮโดรเจนเพราะว่ามันมีเพียงหนึ่งโปรตอน คาร์บอนเป็นคาร์บอนเพราะว่ามันมีหกโปรตอน ทองเป็นทองเพราะว่ามันมี 79 โปรตอน และอะไรแบบนั้น ให้ผมดื่มด่ำกับเรื่องนอกประเด็นสักครู่นะครับ เราจะรู้ได้อย่างไรเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม พวกเราไม่เห็นโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ดังนั้น เราทำการทดลอง และพัฒนาแบบจำลองสำหรับสิ่งที่เราคิดว่าอยู่ตรงนั้น จากนั้นเราทำการทดลองอีก และดูว่าพวกมันเข้ากันกับแบบจำลองหรือไม่ ถ้ามันเข้ากันได้ ก็เยี่ยมเลย ถ้ามันไม่ มันก็อาจถึงเวลาสำหรับแบบจำลองใหม่ พวกเรามีแบบจำลองต่างๆมากมายสำหรับอะตอม ตั้งแต่สมัยดีโมครีตุส (Democritus) ในช่วง 400 ปีก่อนคริสตกาล และมันก็เกือบจะแน่นอนเลยว่า มันจะยังมีแบบจำลองใหม่มาเรื่อยๆ เอาล่ะ จบเรื่องนอกประเด็นแล้ว แก่นในของอะตอมมักจะเกาะอยู่ด้วยกัน แต่อิเล็กตรอนนั้นเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ และนั้นเป็นเหตุว่าทำไมนักเคมีถึงได้ชอบอิเล็กตรอน ถ้าพวกเราแต่งงานกับพวกมันได้นะ พวกเราคงแต่งไปแล้ว แต่อิเล็กตรอนนั้นแปลกประหลาด พวกมันมีพฤติกรรมเป็นได้ทั้งอนุภาค เหมือนกับลูกเบสบอล หรือเป็นคลื่น เหมือนกับคลื่นน้ำ ขึ้นอยู่กับการทดลองที่เราทำ หนึ่งในสิ่งที่ประหลาดที่สุดสำหรับอิเล็กตรอนก็คือ พวกเราไม่สามารถบอกได้อย่างชัดๆ ว่าพวกมันอยู่ตรงไหน มันไม่ใช่ว่าเราไม่มีอุปกรณ์ มันเป็นเพราะว่าความไม่แน่นอนนี้ เป็นส่วนหนึ่งของแบบจำลองของอิเล็กตรอน ดังนั้น พวกเราไม่สามารถที่จะบ่งชี้ได้ชัด เอาเหอะ แต่เราสามารถบอกได้ถึงความน่าจะเป็น ในการที่จะพบอิเล็กตรอนในพื้นที่หนึ่ง รอบๆนิวเคลียส และนั้นหมายความว่าเราสามารถถามคำถามดังนี้: ถ้าเราวาดรูปทรงรอบๆนิวเคลียส ซึ่งจะทำให้เรามั่นใจได้ 95% ว่าจะพบอิเล็กตรอนในรูปทรงนั้น รูปทรงที่ว่าควรมีหน้าตาอย่างไร นี่เป็นรูปร่างบางรูป นักเคมีเรียกพวกมันว่า ออร์บิทัล (orbital) และพวกมันหน้าตาต่างกันไป ขึ้นอยู่กับหลายๆปัจจัย หนึ่งในนั้นก็คือว่า มันมีพลังงานมากแค่ไหน ยิ่งมันมีพลังงานมาก ความหนาแน่นส่วนใหญ่ของมันยิ่งอยู่ห่างออกไปมาก จากนิวเคลียส แต่จะว่าไปนะ ทำไมเราต้องเลือก 95% ไม่ 100% อืม มันมีจุดพลิกแพลงอีกอย่าง ในแบบจำลองอิเล็กตรอนของเรานี้ เมื่อระยะห่างจากนิวเคลียสผ่านจุดหนึ่งไปแล้ว ความน่าจะเป็นในการพบอิเล็กตรอนนั้น จะเริ่มลดลง เกือบที่จะเป็นแบบเอกซ์โพเนนเชียล ซึ่งหมายถึงว่า ระหว่างที่มันเข้าใกล้ศูนย์ มันจะไม่มีวันอยู่ที่ศูนย์จริงๆ ดังนั้น ในทุกอะตอม มันมีความน่าจะเป็นที่น้อยมากๆ แต่ก็ไม่ถึงกับศูนย์ ในช่วงเวลาหนึ่งๆ ที่สั้นมากๆ หนึ่งในเหล่าอิเล็กตรอนของมัน อยู่ที่อีกมุมหนึ่งของเอกภพที่เรารู้จัก แต่โดยส่วนใหญ่แล้ว อิเล็กตรอนอยู่ใกล้ๆกับนิวเคลียสของพวกมัน ดั่งเมฆความหนาแน่นของประจุลบ ที่เคลื่อนและย้ายไปตามเวลา การที่อิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่ง มีปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนจากอีกอะตอมนั้น กำหนดเกือบจะทุกสิ่งทุกอย่าง อะตอมสามารถที่จะให้ (จ่าย) อิเล็กตรอน ให้กับอะตอมอื่น หรือพวกมันสามารถที่จะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน และพลวัตของเครือข่ายทางสังคมนี้ เป็นอะไรที่ทำให้เคมีเป็นวิชาที่น่าสนใจ จากหินเก่าๆแสนธรรมดา ไปจนถึงชีวิตอันซับซ้อนแสนวิจิตร ธรรมชาติของทุกอย่างที่เราเห็น ได้ยิน ได้รับรส ได้กลิ่น ได้สัมผัส และแม้กระทั่งได้รู้สึก ได้ถูกกำหนดในระดับอะตอม