互动科普

说到电无处不在，你肯定会说：那当然！哪里会没有电呢！电灯用电，电脑用电，我们身边的许许多多用品和器具都是用电的。的确，现在电已经渗透到我们生活的各个方面。说到这里，你不妨设想一下，假如真没了电，我们的生活会怎样？不过，这里我们要讨论的不是“流动”在我们生活中的电，而是“隐藏”在一些现象背后的电。

人们最早认识电现象是从摩擦起电开始的，当某些不同种类的物体摩擦（或接触）后，会吸引一些细小的物体。这就是静电现象，是由于物体中的“自由电荷”因“吸引力”的差别而发生转移，一些物体上积聚了过多的电荷所致。自然界中最壮观的静电现象之一就是闪电，因为云层中有大量电荷聚集，聚集到一定的量就会发生流动，电荷在大气中的瞬时大量流动就成为闪电。我们用电器使用的电是电荷的持续流动，自然界中很少发生这种电现象，尤其是交流电，它是人类的发明，在自然界中是不存在的。

后来人们发现电荷有正负之分，同种电荷相斥，异种电荷相吸，静电现象是由电荷之间相互作用的静电力产生的。电荷之间相互作用的规则被“库仑定律”概括出来，它成为电磁学的基本定律之一，能够定量地解释大量的静电现象。

对于“直观的”电现象我们可能并不陌生，但是，在我们的身边有大量的也许你并不是很清楚的“隐藏的”电现象。正是隐藏的电现象决定了我们这个世界的模样，构筑了我们身边的环境，甚至我们自己。我们都学过，世界是由物质构成的，我们感受到的物质，比如山川树木、桌椅板凳等等都是由分子构成的。分子有无数种，物质也就有无数种，而构成分子的原子却只有几十种而已，为什么几十种原子能演变出无数种物质呢？那就要来看看原子的构成了。其实原子更为简单，仅仅是由中子、质子和电子这3种粒子构成的，那么，区区3种粒子又怎么会构成几十上百种原子呢？

原来，原子中质子带有1个正电荷，电子带有1个负电荷，中子和质子构成原子核（靠核力结合），原子核中有多少个质子，核外就有多少个电子，以达到电的平衡（也就是电中性）。这样说来，原子的性质关键是由原子核中质子的数量，也就是带电量多少决定的了？不错，是这样的，原子核中电荷的多少导致电磁作用的差异，也就造成原子结构以至原子性质的差异。我们知道，自然界中只有4种相互作用（力），在原子层面上只有电磁作用和万有引力，但万有引力极其微弱，只有电磁作用的约1/1040，在这里起主要作用的就是静电力了。

原子核中每增加1个质子，电场就会发生变化，核外的电子分布或者说电子云也会发生变化，不同形状的电子云就决定了这个原子的化学性质，质子数越少电子云“形状”越简单，质子数越多电子云越复杂。表面上看，原子是电中性的，原子之间不再有电磁力的作用，但实际上在化学反应中原子就是靠静电力结合成分子的，这又是怎么回事呢？原来两个（或多个）原子靠近到一起时，核外的电子云相互作用产生变形，比如电子云变形偏移，相互重叠，或者外层电子干脆转移，这样原子就对外显示出电性，原子之间就靠静电力拉起手来，形成所谓的共价键、离子键、金属键等等，以此组成各种各样的分子。所谓化学键，只不过是对原子之间有一定差异的电磁作用力进行的分类而已。

分子中原子之间的电磁作用十分复杂，有各种各样的状况，但归纳起来无外乎静电的吸引和排斥。当两个原子靠近到一定程度时，原子间开始产生吸引，从而拉起手来；这种拉手又不能太亲近，太近了排斥力变大（因原子核都带正电），又把原子推开；离开稍远一点吸引力又占主导，就这样，静电力使它们之间形成了特定的结构，并维持在一个平衡状态。在一定的温度下，分子中的原子在它们的平衡点附近振动。

所谓分子，也并不总是两个或多个原子形成的独立的原子团，它们往往是大量的原子在静电力的作用下结合在一起，尤其是以离子键或金属键相结合的物质，在特定条件下大量原子规则有序地排列在一起，比如食盐或铁，无法区分哪几个原子是一个具体的分子。在共价键的情况下，分子的特征稍为明显，比如2个氢原子与1个氧原子合成1个水分子（H2O），倒是可以看作一个相对独立的物质单元。

分子也不是独立的，他们还要靠电磁力进一步结合在一起，形成宏观物质。分子中原子结构的不对称性往往也会产生静电吸引力，把同种类的或者不同种类的分子结合在一起，形成各种各样性质不同的物质。比如水分子，由于2个氢原子和1个氧原子组合的不对称性，导致水分子成为极性分子，一端显示为正电，另一端显示为负电，这样水分子首尾相接就形成了水。通过水的电性质，可以解释水的大部分物理性质。与水类似，广泛存在于有机分子之间的氢键，把不同的分子结合在一起（如DNA），构成了我们生命的基础。

各种材料的性质都与分子之间的静电力直接相关，比如物质的熔点、沸点，材料的强度、弹性，物体的张力、摩擦力等等，甚至我们对外部世界的所有感觉，主因都是静电力。了解关于电的知识，对于理解我们所在世界的各种现象都有帮助。

（本文发表于《科学世界》2013年第12期）