分子是什么样子的？

分子是一组结合在一起的原子。分子几乎构成了你周围的一切——你的皮肤、你的椅子，甚至你的食物。

它们大小不一，但都极其微小。你无法用眼睛甚至显微镜看到单个分子。它们比头发的宽度。

最小的分子由两个原子结合在一起构成，而大分子分子可以是 100,000 个或更多原子的组合。分子可以是同一原子的重复，例如我们呼吸的氧分子，也可以由多种原子组成，例如由碳、氧和氢组成的糖分子。

但是分子是什么样子的呢？一切都从它们的构成要素开始：原子。

异性相吸

这构成原子的物质粒子并不全都一样。它们可以带正电荷、负电荷或不带电荷。科学家称它们为质子、电子和中子。

不带电荷的中子和带正电荷的质子构成了原子的重中心，带负电荷的电子则围绕着这个小中心。

当原子相互靠近，可能结合形成分子时，一个原子中的负电子会被另一个原子中的正质子吸引，反之亦然。两个原子都会相应地进行自我调整。

你可以把它比作在教室里选择座位。有一些规则。例如，你必须待在教室里，不能坐在别人的上面。遵守这些规则，你可以试着坐在朋友旁边，远离敌人。找到让班上每个人都满意的完美位置，就像找到分子中原子的完美位置一样。有时，原子找不到合适的排列，就无法形成分子。

看到看不见的事物

如果分子太小，用肉眼甚至高倍显微镜都无法看到，那么科学家如何观察它们呢？答案是他们开发了特殊的工具来做到这一点。

其中一种工具是使用 X 射线，您可能知道，因为医生用它们来检查身体里的骨骼。X 射线是人眼无法看见的一种光，像紫外线或红外线。

当科学家向分子发射 X 射线，有些会反弹。科学家可以记录这些反弹的X射线，并利用它们的模式来判断单个分子是什么样子的。

1912 年，第一个以这种方式看到的分子是盐（NaCl）？这种分子就是我们熟知并喜爱的炸薯条的成分。

科学家还发明了其他观察分子的方法。与两个原子靠近时电子的行为改变类似，原子中心的行为也会改变。一种称为核磁共振检测原子中心的变化并利用它们作为线索来确定附近有哪些原子。

一个原子力显微镜它的工作原理就像一块脆弱的跳水板，当你在上面行走和跳跃时，它会摇晃。但这块跳水板非常小，小到它末端的负电荷会使其向原子的正中心弯曲。移动这块跳水板并观察它如何弯曲可以显示分子中原子的位置。

科学家们开发了另一种观察分子的技术，称为冷冻电子显微镜。首先，科学家将分子冷冻到比雪或冰低得多的温度。然后他们向分子发射电子，并收集通过的电子以形成图像。这项技术赢得了这2017 年诺贝尔化学奖。

各种形状和尺寸

那么分子是什么样子的呢？它们是原子的集合，中心包含大部分物质，其余大部分是空的。每个原子都有自己特定的位置，就像教室里的学生一样。

每个分子都是不同的？有些分子真的不同。例如，苯像煎饼一样扁平，而富勒烯像球一样圆。企鹅酮一个分子可以画成企鹅的样子，而其他分子看起来则是完全随机的。但分子中原子的位置从来都不是随机的。

虽然科学家知道很多分子是什么样子，但有些分子我们仍在努力弄清楚。了解这些答案可以发明新材料和药物。

克里斯汀·赫尔姆斯，物理学副教授，里士满大学

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