第一章 早晨

1.1 起床

●　鬧鐘

“嗶嗶，嗶嗶，嗶嗶……”鬧鐘無情地履行著它每天的職責。現在是早上六點半，該起床了。你下意識地伸出手去關掉這煩人的鬧鈴聲。輕輕一按，又重回安靜的早晨。如果能在床上多躺一會兒就好了，可惜你得起床啦。

床頭柜上那個像惡魔一樣可怕的鬧鐘是姨媽送給你的，多年來它一直默默地履行著自己的使命。它總是沉默，直到那設定的時刻到來，那時，它會竭盡全力叫你起床。執行這討厭的任務，它不需要其他什么，只要每隔一段時間更換電池就行。這其實是一個石英鬧鐘，坦白地說，你應該從來沒想過石英和鬧鐘計時有什么關系，更不用說在大早上的這個點兒去想這個問題。你也幾乎不知道石英是什么，但也許多了解一下這個討厭的裝置的工作原理，會讓你不那么討厭它。

●　石英晶體

從化學角度來看，石英被稱為硅石，因為它的主要成分是二氧化硅（SiO₂）。它是整個地殼中儲量非常豐富的一種物質（約占地殼體積的12%）。“石英（quarz）”這個名稱似乎源于一個翻譯錯誤。有一篇拉丁文寫道，有些巖石在德國用術語“querz erz”（字面意思是“穿過巖石的礦物”）來表示。1550年，威尼斯印刷商米歇爾·特拉梅佐諾（Michele Tramezzino）在翻譯該文本時，將“querz erz”謄寫成了“quarz”。這個詞隨后也傳到了其他語言中。

二氧化硅是許多沉積巖的主要成分，其中最為大家熟知的肯定就是由微小的二氧化硅晶體組成的沙子了。二氧化硅也可以形成一種尺寸比較大的晶體，也就是石英。石英有多種類型，根據所含雜質的不同，會呈現出不同的顏色。其中珠寶店里比較有名，受人喜歡的一類石英是紫水晶，又名“阿梅蒂斯塔（Ametista）”。紫水晶這個名字源于希臘神話，而這個故事也非常值得我們去了解。

阿梅蒂斯塔是一個仙女，也就是希臘神話中的一個小神靈。這些小神靈主要是一些年輕的少女，她們是宙斯（Zeus）或烏拉諾斯（Urano）的女兒。阿梅蒂斯塔的美麗使完全處于醉酒狀態下的酒神巴克斯（Bacco）失去了理智。為了得到她，他開始追求阿梅蒂斯塔。為了躲避酒神的追求，阿梅蒂斯塔向狩獵女神、處女的守護神狄安娜（Diana）求助。女神見阿梅蒂斯塔陷入危險，就將她變成了一塊水晶石。之后酒神將一杯葡萄酒倒在上面，水晶石便呈現出具有代表性的紫羅蘭色。根據這個傳說，從此之后紫水晶就有了讓人飲酒不醉的功效。在一些富裕的古羅馬人中，流行在喝葡萄酒之前，將一顆紫水晶浸入酒杯中，而后再飲用。但很少有人能維持這種奢侈的習慣，紫水晶因此也就成了權力的象征。天主教的主教使用紫水晶戒指也是順應了這一傳統。

●　壓電效應

能讓石英晶體帶動指針運動，使你討厭的鬧鐘工作起來的是它的壓電特性（piezoelectricity）。很多材料都具有壓電性，可以產生壓電效應（piezoelectric effect）。其原理就是：如果晶體受到的外力引起晶體機械變形，它便會產生電位差，稱為正壓電效應（direct piezoelectric effect）；反之向晶體外部施加電壓，便會引起晶體機械變形，稱為逆壓電效應（inverse piezoelectric effect）或李普曼效應（Lippmann effect）。

正壓電效應是1880年左右由法國物理學家居里兄弟，也就是皮埃爾·居里（Pierre Curie， 1859—1906）和哥哥雅克·居里（Paul-Jacques Curie， 1856—1941）兩人發現的。皮埃爾·居里是著名的瑪麗·斯可羅多夫斯卡（Maria Sk?odowska，居里夫人，1867—1934）的丈夫，而雅克·居里也是一位杰出的化學家和礦物學家。逆壓電效應則由法國物理學家加布里埃爾·李普曼（Gabriel Lippmann， 1845—1921）首次從理論上進行了預測，并在幾年后由居里兄弟通過實驗證實。

晶體要表現出壓電的特性，就必須不具有對稱中心。這意味著它的組成粒子（原子、分子或離子）必須在所謂的晶胞（unit cell），也就是晶體的最小單位內不對稱排列，從其重復排列中形成完整的晶體。這種不對稱性意味著晶體的變形會引起電荷的不同分布，從而產生電極化。研究表明，從變形的發生到產生電位差的瞬間，平均只需要1×10-8秒，也就是一億分之一秒的時間。

石英鐘表，包括你的鬧鐘，就是利用了逆壓電效應這一原理。由電池供電的電路會產生交流電壓，對石英晶體施加該電壓，晶體就會產生相同頻率的機械振動，這是一種強制振蕩機制。當電壓的頻率足以在晶體中產生駐波時，振幅就會達到最大。在這些條件下，我們說晶體處于共振狀態，其相對的頻率取決于晶體的幾何性質。而這個頻率值是非常穩定的，因此可以非常精確地測量時間的推移。通常，在常見的石英鐘表中，我們運用的并不是基本共振頻率，而是一種諧波，其頻率值一般設定為32 768赫茲。這就意味著石英在一秒鐘內振動了32 768次，或者換句話說，在晶體振蕩這么多次數之后，正好就經過了一秒鐘。在32 768次振蕩后，設計電路會向一個微小的機芯發出電脈沖信號，推動相應的指針前進一秒（鬧鐘也是此原理）。如果鐘表上有日歷的話，則由一個齒輪系統來調節分輪、時輪和撥日輪的轉動。

如果是數字鬧鐘的話，電脈沖會被發送至顯示器，從而使顯示器上的時間前進一秒。復雜的電路不僅推動著分、時、日的前進，還調節著現在數字手表所具備的所有其他功能（秒表、計時器、時區、鬧鐘等）。

鬧鐘和數字手表現在已經非常普遍，我們已經習慣了看它們有數字的顯示屏。但你有沒有想過顯示屏是什么原理呢？顯示屏有下面的兩種類型。

●　LED顯示器

在老式的數字手表中，數字通常顯示為明亮的紅色或綠色。這就是所謂的LED（Light Emitting Diode），即發光二極管。二極管是一種特殊的電路元件，由兩個半導體構成的PN結組成。半導體是指導電性能介于金屬（優良的導電體）與絕緣體之間的材料。對于金屬來說，其電導率會隨著溫度的升高而減小，而半導體則相反。典型的半導體材料有硅（Si）和鍺（Ge）。

半導體的特性歸因于其特殊的電子結構。由瑞士物理學家費利克斯·布洛赫（Felix Bloch， 1905—1983）提出的一個固體物理學理論——能帶理論表明，區分金屬、半導體和絕緣體的是一個特殊的參數，即能隙（energy gap）[14]。能隙表示所謂的價帶（valence band）和導帶（conduction band）之間的能量差。價帶和導帶代表了由固體結構內電子占據的能級（energy level）組成的能帶（energy band）。金屬的能隙為零（當價帶和導帶相鄰時）甚至為負（當價帶和導帶交疊時）。這使得電子可以自由地從價帶進入導帶，這也是其導電性好的原因。相反，絕緣體的能隙很大，電子不能從價帶躍遷至導帶。半導體的能隙介于金屬和絕緣體之間，這就說明半導體的電導率雖然不為零，但絕對是低于金屬的（圖1）。

圖1　絕緣體、半導體和金屬的電子能帶示意圖

A電子伏特（eV）為能量單位，1eV = 1.60×10-19J（焦耳）。——編者注

對于半導體，如果溫度升高，電子就會獲得更多的能量，這就增加了部分電子躍遷至導帶的可能性，從而增加物體的電導率。另外，半導體還有一個重要的特點：如果在它們的晶體結構中摻入少量其他元素作為雜質，半導體的導電性能就會大大增加。這個過程在技術上稱為摻雜（doping）。如果作為雜質引入的外來元素相比于原來的半導體有一個多余的電子（如硅類半導體中摻入磷元素），則稱為N型摻雜（N-type doping），因為半導體中引入了帶負電荷的電子。反之，如果引入的外來元素缺少一個電子（比如摻入硼元素），則稱為P型摻雜（P-type doping）。這是因為缺少帶負電荷的電子，就相當于引入了正電荷。

這個由于缺少電子而表現出正電性的空位被稱為電子空穴（electron hole）。如果把一個P型半導體和一個N型半導體連接起來，就會得到一個PN結（PN junction），即二極管。這種結具有單向導電性，也就是只允許電流向一個方向流動。而電流通常是指電荷的定向移動。在固體導體中，移動的電荷一般是電子。在PN結中，電子只能從N型區流向P型區，而不能反過來。如果將PN結二極管插入交流電路（以一定頻率周期性改變電流方向的電路）中，只有當電流方向“正確”時，電流才會流通，反之則不會通過。最終，交流電流將轉化為脈沖電流（pulse current）。如果再加上其他器件（如電容器），就可以獲得與直流電（電流的方向始終不變）非常相似的電流。因此，二極管主要應用于電流整流器（rectifier）中，將交流電轉換成直流電。我們日常普遍使用的各種設備（手機、平板電腦、筆記本等）的充電器就是由整流器和變壓器（改變電壓）組合而成的。

LED是一種特殊的PN結二極管，由一層薄薄的半導體材料組成。在LED中，電流的通過決定了導帶中的電子與價帶中的空穴的結合。這種結合在可見光范圍內以電磁輻射的形式釋放能量。因此，LED是一種將電能轉化為光能的電-光換能器。1962年，美國電氣工程師和發明家尼克·何倫亞克（Nick Holonyak Jr，出生于1928年）發明了第一種發光二極管，為半導體技術做出了很大貢獻。

在老式的數字手表中（也包括在老式計算器和其他設備中），數字的顯示由一個七段式顯示器來完成，顯示器中的發光二極管通常會發出紅光或綠光，從而顯示出數字。

LED發出的光（與輻射頻率有關）的顏色取決于電子與空穴復合時釋放出的能量的不同，這種不同又取決于構成半導體的材料。最常用的LED材料有砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷砷化鎵（GaAsP）、碳化硅（SiC）和銦鎵氮（GaInN）。

非常有意思的是，LED也可以反過來工作。如果被適當頻率的光輻射，LED其實可以像光電模塊一樣，吸收輻射并產生電能。這種功能可應用于不同的設備中，如距離傳感器、顏色傳感器、觸覺傳感器等。

●　液晶顯示器

不過，如今大多數數字手表都不再使用LED顯示器了，而是使用LCD，也就是液晶顯示器（Liquid Crystal Display）。其主要優點是功耗低，因此，如果電子設備由電池供電的話，液晶顯示器會讓設備的續航能力更強。

這里向大家簡單介紹一下什么是液晶[15]。在晶體中，組成粒子（原子、離子或分子）按照一定的幾何形狀在空間中有序排列，而這個幾何形狀就決定了晶體特定的對稱性。其結構的對稱性會使晶體在不同的方向上具有不同的物理性質（如電學性質、光學性質或機械性質）。這種特性被稱為晶體的各向異性（anisotropy）。當固體熔化時，其幾何秩序和對稱性一般會被破壞，得到的液體會呈現出完美的各向同性，即在各個方向上呈現出相同的性質。液晶是一種特殊的物質，與其他物質不同，它不能直接從固態變為液態，但它可以產生同時具有固態和液態特征的中間相（intermediate phase），從而保持一定的各向異性。

1888年，奧地利植物學家和化學家弗里德里希·萊尼茲（Friedrich Reinitzer， 1857—1927）發現了具有這種特性的物質。在研究一種特殊的物質——膽固醇苯甲酸酯（Cholesteryl benzoate）時，他觀察到，在加熱到145℃后，這種物質熔解為混濁狀的液體，但隨著溫度的升高，液體逐漸變得透明，直到在178.5℃的溫度下又呈現出原始的顏色。在冷卻下來時，液體又呈現出一種接近藍色的顏色并最終結晶變回固體。萊尼茲對這個獨特的現象很感興趣，于是向德國物理學家奧托·雷曼（Otto Lehmann， 1855—1922）請教。雷曼用偏光顯微鏡研究該物質，并在一篇題為《論可流動的晶體》（On Flowing Crystals）（發表于《物理化學雜志》， Zeitschrift für Physikalische Chemie）的文章中說明了他的研究結果，而這篇文章也成為現代液晶科學的“基石”。“液晶”這一概念由雷曼提出，這位德國科學家是第一個嘗試對這些材料的獨特現象進行解釋的人。液晶與一般液體不同，它保持著一定的分子組織。正常液體中存在大量的微觀無序現象，而液晶則表現出一定程度的有序性。且這種排列次序是可以通過調節溫度、施加電場或磁場來改變的。

能通過溫度的變化而形成液晶相（liquid crystalline phase）的物質稱為熱致液晶。溶液中通過濃度變化而形成液晶相的物質則稱為溶致液晶（lyotropic liquid crystal）。

若某種物質想要表現得像液晶一樣，它就必須具有某些特性分子。首先，分子必須具有很強的各向異性。比如細長呈棒狀的分子會構成棒形分子液晶（rodic liquid crystal）。如果分子扁平、薄且呈盤狀，則可得到盤形分子液晶（discotic liquid crystal）。其次，這些分子還必須能進行一些分子間的相互作用。這些相互作用保證了即使在液體狀態下物質也能產生一定的有序性和各向異性。

根據分子排列次序的不同也可以將熱致液晶分為不同的類型（圖2）。所謂向列相（nematic phase）液晶，其特征是分子質心位置是無序的，但分子取向是有序的，沿某一從優方向取向。在膽甾相（cholesteric phase）液晶中，分子間的相互作用使相鄰兩層的分子排列方向保持一定的角度錯位，分子的取向在整個空間中不是恒定的，而是遵循一種螺旋式結構。近晶相（smectic phase）液晶的特點是具有較高的秩序性，除了具有從優取向方向，分子還排列成層狀結構。

圖2　液晶分子排列示意圖

正如我們所說，液晶內部分子的有序程度對外部應力，如電場產生的應力作用非常敏感。從外部施加的電場可以誘導分子沿著一個方向移動。這種方向取向可以改變材料的光學特性，尤其是可能會使該材料對偏振光（polarized light）照射的反應有所不同。偏振光（見本章第3節）由在某一優先平面（偏振面，plane of polarization）中振蕩的電磁波組成，這與在無固定方向平面中發生振蕩的普通光不同。只有當偏振光的偏振面與晶體分子的取向方向一致時，偏振光才能穿過液晶（此時液晶呈透明狀態）。相反，如果它們的方向垂直，光就不能通過，晶體就不透明。液晶顯示器的原理就是利用了這一特點。電路（如鬧鐘中的電路）將信號發送至電極，以改變封閉在兩片透明玻璃之間的液晶分子的方向。這個方向決定了偏振光是否能通過，并使相應的顯示元素（像素，pixel）呈現出亮或暗的狀態，如果是鬧鐘的話，這樣就構成了鬧鐘上表示時間的數字。另外，根據光線的來源也可以將顯示屏分為多種類型：如果光線是來自屏幕背面，則為透射式液晶顯示屏（transmissive screen）；如果是利用環境中的光線，通過放置在屏幕背面的鏡子反射出來，則為反射式液晶顯示屏（reflective screen）。在某些情況下，上面兩種情況兼有，就有了所謂的透反式液晶顯示屏（transreflective screen）。

如前面所述，液晶分子的排列次序也可以取決于溫度（如熱致性液晶）。特別是在膽甾相液晶中，它特有的螺旋結構的螺距就與溫度的高低有關。螺距的大小與可見光的波長相當。因此，隨著溫度的變化，液晶會選擇性地反射光線。實際上溫度的不同還會使液晶發生顏色變化，這使得液晶可以當作溫度計應用于各個領域。

職責所在得上班呀。你得離開舒適的被窩，迎接漫長的一天啦！再看一眼你的鬧鐘。你絕對想象不到吧，這個看似簡單，我們又再熟悉不過的日常用品中竟然包含了這么多的知識，這都是科學家們潛心研究的成果啊！

拓展：原子、分子和原子結構

也許在25個世紀之前，在神海之濱，詩人的吟唱聲剛剛消逝的地方，已經有哲學家教導我們，不斷變化的物質是由不斷運動且不可被摧毀的顆粒，也就是原子組成的。在命運的安排下，在世紀長河里，原子聚集，形成我們所熟悉的形態以及我們的身體[16]。

偉大的法國化學家和物理學家讓·巴蒂斯特·佩蘭（JeanBaptiste Perrin， 1870—1942）就是用這樣幾句詩意的話語，概述了思想史上首次誕生原子觀念的環境。留基伯（Leucippo di Mileto）和德謨克利特（Democrito di Abdera，約公元前5—前4世紀）是這一觀點的創始人，他們認為物質是由微觀且不可分割的粒子組成的。“原子（atomo）”一詞來源于希臘語?τομο?（àtomos），意為“不可分割”。“不可分割”的含義則來自其單詞的組成字母：?表示“不”，是希臘語的第一個字母；τ?μο?（tómos）表示“分割，碎片”。

原子論觀點被伊壁鳩魯（Epicuro，公元前341—前270）采用，而關于他對原子論的想法，我們可以在一部拉丁文學杰作，提圖斯·盧克萊修·卡魯斯（Tito Lucrezio Caro，公元前98—前55）的《物性論》（De rerum natura）中找到清楚詳盡的闡述。原子學說早在古代就有許多反對者，其中影響力最大的就是亞里士多德（約公元前384—前322）。他對西方思想的影響使原子論觀點在很多個世紀都不被支持和接受。但原子觀念從來都沒有消失過，它偶爾還會被不同時期的學者重新提出來。一直到17世紀，原子論都在哲學家的討論范疇。隨著科學思想的誕生及其與哲學思想的逐步分化，關于原子是否存在的爭論引起了自然科學家的注意[17]。弗朗西斯科·培根（Francesco Bacone）、丹尼爾·塞內特（Daniel Sennert）、約阿希姆·容吉烏斯（Joachim Jungius）、羅伯特·波義耳（Robert Boyle）、尼古拉斯·雷姆利（Nicolas Lmery）、艾薩克·牛頓（Isaac Newton）、米哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫（Michail V. Lomonosov）、魯格羅·朱塞佩·博斯科維奇（Ruggero G. Boscovich）和丹尼爾·伯努利（Daniele Bernoulli）等人就在他們的作品中經常提到原子或者類似的想法。

17世紀到18世紀，化學取得了飛速的發展。安托萬·洛朗·拉瓦錫（Antoine-Laurent Lavoisier， 1743—1794）對此做出了重要貢獻（見第三章第2節）。到了19世紀初，元素、化合物、混合物和化學反應的概念已經得到了清楚的解釋。此外，對氣體的研究和重量定律[1]（legge ponderale）的發現，表明了物質狀態的特殊規律性。因此這些逐步被收集起來的實驗數據和原子理論等待著一個天才的想法將它們聯系起來，而這個想法就誕生在英國化學家和物理學家約翰·道爾頓[2]的頭腦中。

道爾頓首先利用原子假說對氣體的一些狀態進行合理的解釋。后來他又嘗試運用他的假說來說明化合物的形成機制。各種不同元素的原子結合在一起形成一個“復雜原子（compound atom）”，而復雜原子的質量就等于所含的各種元素原子質量之和。有了這些假設，道爾頓對普魯斯特的定比定律和拉瓦錫的質量守恒定律給出了正確的解釋。此外，他還成功計算出許多元素的原子質量與氫原子質量（相對原子質量）的比值。在他假設的基礎上，道爾頓從理論上預測出了另一個重量定律的存在：也就是他通過實驗證明的倍比定律。

1808年，道爾頓發表了《化學哲學新體系》（New System of Chemical Philosophy）的第一冊，他在書中概述了原子理論的特點。他又于1810年和1827年分別出版了該書的后兩冊，進一步完善了該理論。盡管道爾頓的實驗觀測都很合理，但他的理論還是遭到了很多人的反對。包括法國的克勞德·路易斯·貝托萊（Claude-Louis Berthollet， 1748—1822）在內的權威化學家提出了各種批評，特別是不同意道爾頓關于原子絕對不可分割的觀點（對于這一點，今天我們知道那些化學家是對的）。而且，“原子”這個詞“嚇”到這么多人，是因為它還帶有形而上學的意味。但不管怎么說，隨著時間的推移，原子理論已經成為理解化學物質組合的通用參考模型。

在當時的化學界，新的原子理論推動了一系列的科學研究，引入了一些現代化學最重要的概念。除此之外，它還在化學語言中引入了化學符號、化學式和化學方程式的使用。道爾頓本人是第一個采用常規符號系統來表示元素的人。道爾頓的符號系統雖然沒有被廣泛采用，卻影響到了永斯·雅各布·貝采利烏斯（J?ns Jacob Berzelius， 1779—1848）。他在1813年發表了一個更完善的元素符號系統，與我們現在使用的元素符號系統幾乎一樣。后來人們發現道爾頓計算出的相對原子質量是不準確的。這也是因為當時的分析方法存在局限性，在沒有其他人反對的情況下，根據道爾頓提出的原子假說，復雜原子所含的元素原子的比例為1∶1。這種“最簡原則”使道爾頓認為：水的化學式是HO（而不是H₂O），氨氣的化學式是NH（而不是NH₃），甲烷的化學式是CH（而不是CH₄），等等。

約瑟夫·路易·蓋-呂薩克（Joseph-Louis Gay-Lussac，1778—1850），貝托雷的學生，后在巴黎綜合理工學院（école Polytechnique）[18]任安東萬·弗朗索瓦（Antoine-Franc?ois， comte de Fourcroy， 1755—1809）的助手。他在1808年發表了一條關于氣體的定律（蓋-呂薩克定律），對相互反應的氣體元素的狀態進行了說明。蓋-呂薩克觀察到，參加反應的各種氣體的體積總是呈簡單的整數比。雖然道爾頓的原子理論在用重量定律解釋時很合理，但蓋-呂薩克得到的這些比值卻與他的假說預測的并不一致。

都靈的阿梅代奧·阿伏加德羅（Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro conte di Quaregna e di Cerreto， 1776—1856）成功地解決了這一難題[19]。在學習了哲學和法律之后，阿伏加德羅致力于自然科學的研究。他曾在維切利皇家學院擔任物理學教授，后在都靈大學擔任物理學教授一職。

阿伏加德羅在1811年用一個看似簡單、但實際上非常天才的理論成功地解決了蓋-呂薩克定律的棘手問題（蓋-呂薩克與道爾頓的實驗結果不一致的問題）。他假設在相同的溫度和壓強下，相同體積的任何氣體所含的分子數目相同。這個假說今天被稱為“阿伏加德羅定律”。在此定律下，氣體體積之比與氣體所含的分子數目之比有直接的比例關系。因此我們就可以在某些時候用相互作用的分子數目之比來解釋參加反應的氣體體積的比例。此外，阿伏加德羅還將道爾頓的原子理論解釋為一種數學模型，而非物理模型。在這種想法下，他承認氣體元素中相互作用的分子可以分割為更多的基本粒子。今天我們知道，蓋-呂薩克所認為的氣體元素并不像道爾頓所認為的那樣由單個原子構成，而是由一對一對相連的原子，也就是雙原子分子（diatomic molecules，“分子melecola”一詞來源于拉丁語moles，意為“少量”）構成。因此阿伏加德羅的想法是正確的。

構成阿伏加德羅分子理論的簡單假說不僅能夠有效地解釋蓋-呂薩克的實驗數據，同時還修正了道爾頓理論存在的問題，使他的原子理論更加完善。正如阿伏加德羅自己所說：“當不同氣體以簡單的整數體積比進行反應時，就相當于以同樣的分子數目比進行反應，因此說分子數目比和體積比是相等的。”他還說：“由氣體的質量與體積之比可以得到密度，因此氣體的密度與分子的質量成正比。”后面這句話暗示，我們可以用一種實用的方法，即氣體密度法，來測定氣態下各種物質的相對分子和原子質量。以克為單位表示的分子量現在我們用摩爾（mole）來表示，1mol任何物質中含有的微粒數稱為“阿伏加德羅常數”（Avogadro constant），其值約為6.022×1023（1908年由讓·巴蒂斯特·佩蘭首次提出）。

阿伏加德羅的分子論花了50年的時間才最終在化學界站穩腳跟。1860年9月3日至5日，在卡爾斯魯厄（Karlsruhe）舉行了第一次國際化學會議（The International Chemistry Conference）。化學家斯坦尼斯勞·坎尼扎羅（Stanislao Cannizzaro， 1826—1910）是熱那亞大學的教授，他在會議上明確表示：“考慮到分子是物質進入化學反應時的最小粒子，也是保持物質化學性質的最小粒子，而原子是化合物分子組成的最小粒子，建議對分子和原子采用不同的概念。”

原子和分子理論在今天代表了一種穩定的思想，是所有物理化學科學的基礎。當然不僅有雙原子分子，還有由數千個原子組成的更復雜的大分子（macromolecule）。“我們所說的分子是指相同或不同原子的最小集合體，能夠獨立存在，并具有分子構成的物質的所有化學和物理性質”，阿伏加德羅這句對分子的定義至今仍有意義。

今天，通過一些特殊的技術，如掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）或場離子顯微鏡（Field Ion Microscope），我們甚至能夠用肉眼看到原子和分子，并且能夠估計它們的大小。我們知道原子的數量級是10-8厘米（一億分之一厘米）。盡管“原子”一詞的詞源含義（不可分割）一直保留著，但19世紀末到20世紀初進行的一系列研究也使我們認識到原子是由其他更小的粒子組成的。

在同一時期，威廉·克魯克斯（William Crookes， 1832—1919）和約瑟夫·約翰·湯姆森（Joseph John Thomson， 1856—1940）的研究（見第四章第2節），讓人們發現了電子。電子是構成原子的最小粒子，帶負電荷。1909年，新西蘭籍的物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford， 1871—1937）發現原子中含有一個原子核，也就是一個很小的帶有正電荷的中心區域，并且集中了原子的大部分質量。而原子核又由另外兩種粒子構成：帶正電荷的質子和不帶電荷的中子。起初，盧瑟福認為電子是圍繞著原子核運轉的，就像行星圍繞太陽一樣，即原子行星模型（modello planetario dell’atomo）。實際上事情要復雜得多。量子力學（Quantum Mechanics）是20世紀前30年發展起來的一個物理學分支，它表明對于電子等微觀粒子來說，再談論軌道概念已經沒有意義了。事實上，微觀粒子的行為與波相似，所以我們無法在空間中對粒子定位，但定位又是描述它們的軌跡所必需的。因此量子力學用概率的方式來描述電子在原子核周圍的運動。我們可以通過軌函（orbital）做到這一點，軌函實質上是一個數學函數，可以逐點計算空間中發現電子的概率。量子力學還能為每個原子軌道計算出相關的能量。由此我們發現，每個原子軌道上的電子的能量值不是任意的，只能是彼此不同的一些確定的（非連續的）值：這些能量值被稱為能級。圖3為兩種原子軌道示意圖。

圖3　兩種原子軌道示意圖

雖然這些描述很抽象，而且也看不見，但可以解釋原子所有明顯的特性。因此，軌函的應用在現代化學中至關重要。通過對原子的電子構型（electronic configuration，即原子中的電子在各個軌道上的分布）的認識，可以解釋元素的所有化學性質。門捷列夫（Mendeleev）的元素周期表上可以找到關于電子構型的完美解釋。例如，屬于同一族（同一豎列）的元素有相似的化學性質是因為它們的外部電子構型幾乎一樣。因此，稀有氣體（或稱惰性氣體：氦、氖、氬、氪、氙、氡和）之所以具有化學惰性，是因為它們的電子構型非常穩定。所有其他（非惰性）元素都傾向于改變其構型，以使其像稀有氣體一樣有穩定的結構，這就是它們會結合形成分子的原因。我們將在下一節專門討論化學鍵（見第一章第2節）。