第一章 早晨
1.1 起床
● 闹钟
“哔哔，哔哔，哔哔……”闹钟无情地履行着它每天的职责。现在是早上六点半，该起床了。你下意识地伸出手去关掉这烦人的闹铃声。轻轻一按，又重回安静的早晨。如果能在床上多躺一会儿就好了，可惜你得起床啦。
床头柜上那个像恶魔一样可怕的闹钟是姨妈送给你的，多年来它一直默默地履行着自己的使命。它总是沉默，直到那设定的时刻到来，那时，它会竭尽全力叫你起床。执行这讨厌的任务，它不需要其他什么，只要每隔一段时间更换电池就行。这其实是一个石英闹钟，坦白地说，你应该从来没想过石英和闹钟计时有什么关系，更不用说在大早上的这个点儿去想这个问题。你也几乎不知道石英是什么，但也许多了解一下这个讨厌的装置的工作原理，会让你不那么讨厌它。
● 石英晶体
从化学角度来看，石英被称为硅石，因为它的主要成分是二氧化硅（SiO2）。它是整个地壳中储量非常丰富的一种物质（约占地壳体积的12%）。“石英（quarz）”这个名称似乎源于一个翻译错误。有一篇拉丁文写道，有些岩石在德国用术语“querz erz”（字面意思是“穿过岩石的矿物”）来表示。1550年，威尼斯印刷商米歇尔·特拉梅佐诺（Michele Tramezzino）在翻译该文本时，将“querz erz”誊写成了“quarz”。这个词随后也传到了其他语言中。
二氧化硅是许多沉积岩的主要成分，其中最为大家熟知的肯定就是由微小的二氧化硅晶体组成的沙子了。二氧化硅也可以形成一种尺寸比较大的晶体，也就是石英。石英有多种类型，根据所含杂质的不同，会呈现出不同的颜色。其中珠宝店里比较有名，受人喜欢的一类石英是紫水晶，又名“阿梅蒂斯塔（Ametista）”。紫水晶这个名字源于希腊神话，而这个故事也非常值得我们去了解。
阿梅蒂斯塔是一个仙女，也就是希腊神话中的一个小神灵。这些小神灵主要是一些年轻的少女，她们是宙斯（Zeus）或乌拉诺斯（Urano）的女儿。阿梅蒂斯塔的美丽使完全处于醉酒状态下的酒神巴克斯（Bacco）失去了理智。为了得到她，他开始追求阿梅蒂斯塔。为了躲避酒神的追求，阿梅蒂斯塔向狩猎女神、处女的守护神狄安娜（Diana）求助。女神见阿梅蒂斯塔陷入危险，就将她变成了一块水晶石。之后酒神将一杯葡萄酒倒在上面，水晶石便呈现出具有代表性的紫罗兰色。根据这个传说，从此之后紫水晶就有了让人饮酒不醉的功效。在一些富裕的古罗马人中，流行在喝葡萄酒之前，将一颗紫水晶浸入酒杯中，而后再饮用。但很少有人能维持这种奢侈的习惯，紫水晶因此也就成了权力的象征。天主教的主教使用紫水晶戒指也是顺应了这一传统。
● 压电效应
能让石英晶体带动指针运动，使你讨厌的闹钟工作起来的是它的压电特性（piezoelectricity）。很多材料都具有压电性，可以产生压电效应（piezoelectric effect）。其原理就是：如果晶体受到的外力引起晶体机械变形，它便会产生电位差，称为正压电效应（direct piezoelectric effect）；反之向晶体外部施加电压，便会引起晶体机械变形，称为逆压电效应（inverse piezoelectric effect）或李普曼效应（Lippmann effect）。
正压电效应是1880年左右由法国物理学家居里兄弟，也就是皮埃尔·居里（Pierre Curie， 1859—1906）和哥哥雅克·居里（Paul-Jacques Curie， 1856—1941）两人发现的。皮埃尔·居里是著名的玛丽·斯可罗多夫斯卡（Maria Skłodowska，居里夫人，1867—1934）的丈夫，而雅克·居里也是一位杰出的化学家和矿物学家。逆压电效应则由法国物理学家加布里埃尔·李普曼（Gabriel Lippmann， 1845—1921）首次从理论上进行了预测，并在几年后由居里兄弟通过实验证实。
晶体要表现出压电的特性，就必须不具有对称中心。这意味着它的组成粒子（原子、分子或离子）必须在所谓的晶胞（unit cell），也就是晶体的最小单位内不对称排列，从其重复排列中形成完整的晶体。这种不对称性意味着晶体的变形会引起电荷的不同分布，从而产生电极化。研究表明，从变形的发生到产生电位差的瞬间，平均只需要1×10-8秒，也就是一亿分之一秒的时间。
石英钟表，包括你的闹钟，就是利用了逆压电效应这一原理。由电池供电的电路会产生交流电压，对石英晶体施加该电压，晶体就会产生相同频率的机械振动，这是一种强制振荡机制。当电压的频率足以在晶体中产生驻波时，振幅就会达到最大。在这些条件下，我们说晶体处于共振状态，其相对的频率取决于晶体的几何性质。而这个频率值是非常稳定的，因此可以非常精确地测量时间的推移。通常，在常见的石英钟表中，我们运用的并不是基本共振频率，而是一种谐波，其频率值一般设定为32 768赫兹。这就意味着石英在一秒钟内振动了32 768次，或者换句话说，在晶体振荡这么多次数之后，正好就经过了一秒钟。在32 768次振荡后，设计电路会向一个微小的机芯发出电脉冲信号，推动相应的指针前进一秒（闹钟也是此原理）。如果钟表上有日历的话，则由一个齿轮系统来调节分轮、时轮和拨日轮的转动。
如果是数字闹钟的话，电脉冲会被发送至显示器，从而使显示器上的时间前进一秒。复杂的电路不仅推动着分、时、日的前进，还调节着现在数字手表所具备的所有其他功能（秒表、计时器、时区、闹钟等）。
闹钟和数字手表现在已经非常普遍，我们已经习惯了看它们有数字的显示屏。但你有没有想过显示屏是什么原理呢？显示屏有下面的两种类型。
● LED显示器
在老式的数字手表中，数字通常显示为明亮的红色或绿色。这就是所谓的LED（Light Emitting Diode），即发光二极管。二极管是一种特殊的电路元件，由两个半导体构成的PN结组成。半导体是指导电性能介于金属（优良的导电体）与绝缘体之间的材料。对于金属来说，其电导率会随着温度的升高而减小，而半导体则相反。典型的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）。
半导体的特性归因于其特殊的电子结构。由瑞士物理学家费利克斯·布洛赫（Felix Bloch， 1905—1983）提出的一个固体物理学理论——能带理论表明，区分金属、半导体和绝缘体的是一个特殊的参数，即能隙（energy gap）[14]。能隙表示所谓的价带（valence band）和导带（conduction band）之间的能量差。价带和导带代表了由固体结构内电子占据的能级（energy level）组成的能带（energy band）。金属的能隙为零（当价带和导带相邻时）甚至为负（当价带和导带交叠时）。这使得电子可以自由地从价带进入导带，这也是其导电性好的原因。相反，绝缘体的能隙很大，电子不能从价带跃迁至导带。半导体的能隙介于金属和绝缘体之间，这就说明半导体的电导率虽然不为零，但绝对是低于金属的（图1）。
图1 绝缘体、半导体和金属的电子能带示意图
A电子伏特（eV）为能量单位，1eV = 1.60×10-19J（焦耳）。——编者注
对于半导体，如果温度升高，电子就会获得更多的能量，这就增加了部分电子跃迁至导带的可能性，从而增加物体的电导率。另外，半导体还有一个重要的特点：如果在它们的晶体结构中掺入少量其他元素作为杂质，半导体的导电性能就会大大增加。这个过程在技术上称为掺杂（doping）。如果作为杂质引入的外来元素相比于原来的半导体有一个多余的电子（如硅类半导体中掺入磷元素），则称为N型掺杂（N-type doping），因为半导体中引入了带负电荷的电子。反之，如果引入的外来元素缺少一个电子（比如掺入硼元素），则称为P型掺杂（P-type doping）。这是因为缺少带负电荷的电子，就相当于引入了正电荷。
这个由于缺少电子而表现出正电性的空位被称为电子空穴（electron hole）。如果把一个P型半导体和一个N型半导体连接起来，就会得到一个PN结（PN junction），即二极管。这种结具有单向导电性，也就是只允许电流向一个方向流动。而电流通常是指电荷的定向移动。在固体导体中，移动的电荷一般是电子。在PN结中，电子只能从N型区流向P型区，而不能反过来。如果将PN结二极管插入交流电路（以一定频率周期性改变电流方向的电路）中，只有当电流方向“正确”时，电流才会流通，反之则不会通过。最终，交流电流将转化为脉冲电流（pulse current）。如果再加上其他器件（如电容器），就可以获得与直流电（电流的方向始终不变）非常相似的电流。因此，二极管主要应用于电流整流器（rectifier）中，将交流电转换成直流电。我们日常普遍使用的各种设备（手机、平板电脑、笔记本等）的充电器就是由整流器和变压器（改变电压）组合而成的。
LED是一种特殊的PN结二极管，由一层薄薄的半导体材料组成。在LED中，电流的通过决定了导带中的电子与价带中的空穴的结合。这种结合在可见光范围内以电磁辐射的形式释放能量。因此，LED是一种将电能转化为光能的电-光换能器。1962年，美国电气工程师和发明家尼克·何伦亚克（Nick Holonyak Jr，出生于1928年）发明了第一种发光二极管，为半导体技术做出了很大贡献。
在老式的数字手表中（也包括在老式计算器和其他设备中），数字的显示由一个七段式显示器来完成，显示器中的发光二极管通常会发出红光或绿光，从而显示出数字。
LED发出的光（与辐射频率有关）的颜色取决于电子与空穴复合时释放出的能量的不同，这种不同又取决于构成半导体的材料。最常用的LED材料有砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）、碳化硅（SiC）和铟镓氮（GaInN）。
非常有意思的是，LED也可以反过来工作。如果被适当频率的光辐射，LED其实可以像光电模块一样，吸收辐射并产生电能。这种功能可应用于不同的设备中，如距离传感器、颜色传感器、触觉传感器等。
● 液晶显示器
不过，如今大多数数字手表都不再使用LED显示器了，而是使用LCD，也就是液晶显示器（Liquid Crystal Display）。其主要优点是功耗低，因此，如果电子设备由电池供电的话，液晶显示器会让设备的续航能力更强。
这里向大家简单介绍一下什么是液晶[15]。在晶体中，组成粒子（原子、离子或分子）按照一定的几何形状在空间中有序排列，而这个几何形状就决定了晶体特定的对称性。其结构的对称性会使晶体在不同的方向上具有不同的物理性质（如电学性质、光学性质或机械性质）。这种特性被称为晶体的各向异性（anisotropy）。当固体熔化时，其几何秩序和对称性一般会被破坏，得到的液体会呈现出完美的各向同性，即在各个方向上呈现出相同的性质。液晶是一种特殊的物质，与其他物质不同，它不能直接从固态变为液态，但它可以产生同时具有固态和液态特征的中间相（intermediate phase），从而保持一定的各向异性。
1888年，奥地利植物学家和化学家弗里德里希·莱尼兹（Friedrich Reinitzer， 1857—1927）发现了具有这种特性的物质。在研究一种特殊的物质——胆固醇苯甲酸酯（Cholesteryl benzoate）时，他观察到，在加热到145℃后，这种物质熔解为混浊状的液体，但随着温度的升高，液体逐渐变得透明，直到在178.5℃的温度下又呈现出原始的颜色。在冷却下来时，液体又呈现出一种接近蓝色的颜色并最终结晶变回固体。莱尼兹对这个独特的现象很感兴趣，于是向德国物理学家奥托·雷曼（Otto Lehmann， 1855—1922）请教。雷曼用偏光显微镜研究该物质，并在一篇题为《论可流动的晶体》（On Flowing Crystals）（发表于《物理化学杂志》， Zeitschrift für Physikalische Chemie）的文章中说明了他的研究结果，而这篇文章也成为现代液晶科学的“基石”。“液晶”这一概念由雷曼提出，这位德国科学家是第一个尝试对这些材料的独特现象进行解释的人。液晶与一般液体不同，它保持着一定的分子组织。正常液体中存在大量的微观无序现象，而液晶则表现出一定程度的有序性。且这种排列次序是可以通过调节温度、施加电场或磁场来改变的。
能通过温度的变化而形成液晶相（liquid crystalline phase）的物质称为热致液晶。溶液中通过浓度变化而形成液晶相的物质则称为溶致液晶（lyotropic liquid crystal）。
若某种物质想要表现得像液晶一样，它就必须具有某些特性分子。首先，分子必须具有很强的各向异性。比如细长呈棒状的分子会构成棒形分子液晶（rodic liquid crystal）。如果分子扁平、薄且呈盘状，则可得到盘形分子液晶（discotic liquid crystal）。其次，这些分子还必须能进行一些分子间的相互作用。这些相互作用保证了即使在液体状态下物质也能产生一定的有序性和各向异性。
根据分子排列次序的不同也可以将热致液晶分为不同的类型（图2）。所谓向列相（nematic phase）液晶，其特征是分子质心位置是无序的，但分子取向是有序的，沿某一从优方向取向。在胆甾相（cholesteric phase）液晶中，分子间的相互作用使相邻两层的分子排列方向保持一定的角度错位，分子的取向在整个空间中不是恒定的，而是遵循一种螺旋式结构。近晶相（smectic phase）液晶的特点是具有较高的秩序性，除了具有从优取向方向，分子还排列成层状结构。
图2 液晶分子排列示意图
正如我们所说，液晶内部分子的有序程度对外部应力，如电场产生的应力作用非常敏感。从外部施加的电场可以诱导分子沿着一个方向移动。这种方向取向可以改变材料的光学特性，尤其是可能会使该材料对偏振光（polarized light）照射的反应有所不同。偏振光（见本章第3节）由在某一优先平面（偏振面，plane of polarization）中振荡的电磁波组成，这与在无固定方向平面中发生振荡的普通光不同。只有当偏振光的偏振面与晶体分子的取向方向一致时，偏振光才能穿过液晶（此时液晶呈透明状态）。相反，如果它们的方向垂直，光就不能通过，晶体就不透明。液晶显示器的原理就是利用了这一特点。电路（如闹钟中的电路）将信号发送至电极，以改变封闭在两片透明玻璃之间的液晶分子的方向。这个方向决定了偏振光是否能通过，并使相应的显示元素（像素，pixel）呈现出亮或暗的状态，如果是闹钟的话，这样就构成了闹钟上表示时间的数字。另外，根据光线的来源也可以将显示屏分为多种类型：如果光线是来自屏幕背面，则为透射式液晶显示屏（transmissive screen）；如果是利用环境中的光线，通过放置在屏幕背面的镜子反射出来，则为反射式液晶显示屏（reflective screen）。在某些情况下，上面两种情况兼有，就有了所谓的透反式液晶显示屏（transreflective screen）。
如前面所述，液晶分子的排列次序也可以取决于温度（如热致性液晶）。特别是在胆甾相液晶中，它特有的螺旋结构的螺距就与温度的高低有关。螺距的大小与可见光的波长相当。因此，随着温度的变化，液晶会选择性地反射光线。实际上温度的不同还会使液晶发生颜色变化，这使得液晶可以当作温度计应用于各个领域。
职责所在得上班呀。你得离开舒适的被窝，迎接漫长的一天啦！再看一眼你的闹钟。你绝对想象不到吧，这个看似简单，我们又再熟悉不过的日常用品中竟然包含了这么多的知识，这都是科学家们潜心研究的成果啊！
拓展：原子、分子和原子结构
也许在25个世纪之前，在神海之滨，诗人的吟唱声刚刚消逝的地方，已经有哲学家教导我们，不断变化的物质是由不断运动且不可被摧毁的颗粒，也就是原子组成的。在命运的安排下，在世纪长河里，原子聚集，形成我们所熟悉的形态以及我们的身体[16]。
伟大的法国化学家和物理学家让·巴蒂斯特·佩兰（JeanBaptiste Perrin， 1870—1942）就是用这样几句诗意的话语，概述了思想史上首次诞生原子观念的环境。留基伯（Leucippo di Mileto）和德谟克利特（Democrito di Abdera，约公元前5—前4世纪）是这一观点的创始人，他们认为物质是由微观且不可分割的粒子组成的。“原子（atomo）”一词来源于希腊语ἄτομος（àtomos），意为“不可分割”。“不可分割”的含义则来自其单词的组成字母：ἄ表示“不”，是希腊语的第一个字母；τόμος（tómos）表示“分割，碎片”。
原子论观点被伊壁鸠鲁（Epicuro，公元前341—前270）采用，而关于他对原子论的想法，我们可以在一部拉丁文学杰作，提图斯·卢克莱修·卡鲁斯（Tito Lucrezio Caro，公元前98—前55）的《物性论》（De rerum natura）中找到清楚详尽的阐述。原子学说早在古代就有许多反对者，其中影响力最大的就是亚里士多德（约公元前384—前322）。他对西方思想的影响使原子论观点在很多个世纪都不被支持和接受。但原子观念从来都没有消失过，它偶尔还会被不同时期的学者重新提出来。一直到17世纪，原子论都在哲学家的讨论范畴。随着科学思想的诞生及其与哲学思想的逐步分化，关于原子是否存在的争论引起了自然科学家的注意[17]。弗朗西斯科·培根（Francesco Bacone）、丹尼尔·塞内特（Daniel Sennert）、约阿希姆·容吉乌斯（Joachim Jungius）、罗伯特·波义耳（Robert Boyle）、尼古拉斯·雷姆利（Nicolas Lmery）、艾萨克·牛顿（Isaac Newton）、米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫（Michail V. Lomonosov）、鲁格罗·朱塞佩·博斯科维奇（Ruggero G. Boscovich）和丹尼尔·伯努利（Daniele Bernoulli）等人就在他们的作品中经常提到原子或者类似的想法。
17世纪到18世纪，化学取得了飞速的发展。安托万·洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier， 1743—1794）对此做出了重要贡献（见第三章第2节）。到了19世纪初，元素、化合物、混合物和化学反应的概念已经得到了清楚的解释。此外，对气体的研究和重量定律[1]（legge ponderale）的发现，表明了物质状态的特殊规律性。因此这些逐步被收集起来的实验数据和原子理论等待着一个天才的想法将它们联系起来，而这个想法就诞生在英国化学家和物理学家约翰·道尔顿[2]的头脑中。
道尔顿首先利用原子假说对气体的一些状态进行合理的解释。后来他又尝试运用他的假说来说明化合物的形成机制。各种不同元素的原子结合在一起形成一个“复杂原子（compound atom）”，而复杂原子的质量就等于所含的各种元素原子质量之和。有了这些假设，道尔顿对普鲁斯特的定比定律和拉瓦锡的质量守恒定律给出了正确的解释。此外，他还成功计算出许多元素的原子质量与氢原子质量（相对原子质量）的比值。在他假设的基础上，道尔顿从理论上预测出了另一个重量定律的存在：也就是他通过实验证明的倍比定律。
1808年，道尔顿发表了《化学哲学新体系》（New System of Chemical Philosophy）的第一册，他在书中概述了原子理论的特点。他又于1810年和1827年分别出版了该书的后两册，进一步完善了该理论。尽管道尔顿的实验观测都很合理，但他的理论还是遭到了很多人的反对。包括法国的克劳德·路易斯·贝托莱（Claude-Louis Berthollet， 1748—1822）在内的权威化学家提出了各种批评，特别是不同意道尔顿关于原子绝对不可分割的观点（对于这一点，今天我们知道那些化学家是对的）。而且，“原子”这个词“吓”到这么多人，是因为它还带有形而上学的意味。但不管怎么说，随着时间的推移，原子理论已经成为理解化学物质组合的通用参考模型。
在当时的化学界，新的原子理论推动了一系列的科学研究，引入了一些现代化学最重要的概念。除此之外，它还在化学语言中引入了化学符号、化学式和化学方程式的使用。道尔顿本人是第一个采用常规符号系统来表示元素的人。道尔顿的符号系统虽然没有被广泛采用，却影响到了永斯·雅各布·贝采利乌斯（Jöns Jacob Berzelius， 1779—1848）。他在1813年发表了一个更完善的元素符号系统，与我们现在使用的元素符号系统几乎一样。后来人们发现道尔顿计算出的相对原子质量是不准确的。这也是因为当时的分析方法存在局限性，在没有其他人反对的情况下，根据道尔顿提出的原子假说，复杂原子所含的元素原子的比例为1∶1。这种“最简原则”使道尔顿认为：水的化学式是HO（而不是H2O），氨气的化学式是NH（而不是NH3），甲烷的化学式是CH（而不是CH4），等等。
约瑟夫·路易·盖-吕萨克（Joseph-Louis Gay-Lussac，1778—1850），贝托雷的学生，后在巴黎综合理工学院（École Polytechnique）[18]任安东万·弗朗索瓦（Antoine-François， comte de Fourcroy， 1755—1809）的助手。他在1808年发表了一条关于气体的定律（盖-吕萨克定律），对相互反应的气体元素的状态进行了说明。盖-吕萨克观察到，参加反应的各种气体的体积总是呈简单的整数比。虽然道尔顿的原子理论在用重量定律解释时很合理，但盖-吕萨克得到的这些比值却与他的假说预测的并不一致。
都灵的阿梅代奥·阿伏加德罗（Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro conte di Quaregna e di Cerreto， 1776—1856）成功地解决了这一难题[19]。在学习了哲学和法律之后，阿伏加德罗致力于自然科学的研究。他曾在维切利皇家学院担任物理学教授，后在都灵大学担任物理学教授一职。
阿伏加德罗在1811年用一个看似简单、但实际上非常天才的理论成功地解决了盖-吕萨克定律的棘手问题（盖-吕萨克与道尔顿的实验结果不一致的问题）。他假设在相同的温度和压强下，相同体积的任何气体所含的分子数目相同。这个假说今天被称为“阿伏加德罗定律”。在此定律下，气体体积之比与气体所含的分子数目之比有直接的比例关系。因此我们就可以在某些时候用相互作用的分子数目之比来解释参加反应的气体体积的比例。此外，阿伏加德罗还将道尔顿的原子理论解释为一种数学模型，而非物理模型。在这种想法下，他承认气体元素中相互作用的分子可以分割为更多的基本粒子。今天我们知道，盖-吕萨克所认为的气体元素并不像道尔顿所认为的那样由单个原子构成，而是由一对一对相连的原子，也就是双原子分子（diatomic molecules，“分子melecola”一词来源于拉丁语moles，意为“少量”）构成。因此阿伏加德罗的想法是正确的。
构成阿伏加德罗分子理论的简单假说不仅能够有效地解释盖-吕萨克的实验数据，同时还修正了道尔顿理论存在的问题，使他的原子理论更加完善。正如阿伏加德罗自己所说：“当不同气体以简单的整数体积比进行反应时，就相当于以同样的分子数目比进行反应，因此说分子数目比和体积比是相等的。”他还说：“由气体的质量与体积之比可以得到密度，因此气体的密度与分子的质量成正比。”后面这句话暗示，我们可以用一种实用的方法，即气体密度法，来测定气态下各种物质的相对分子和原子质量。以克为单位表示的分子量现在我们用摩尔（mole）来表示，1mol任何物质中含有的微粒数称为“阿伏加德罗常数”（Avogadro constant），其值约为6.022×1023（1908年由让·巴蒂斯特·佩兰首次提出）。
阿伏加德罗的分子论花了50年的时间才最终在化学界站稳脚跟。1860年9月3日至5日，在卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）举行了第一次国际化学会议（The International Chemistry Conference）。化学家斯坦尼斯劳·坎尼扎罗（Stanislao Cannizzaro， 1826—1910）是热那亚大学的教授，他在会议上明确表示：“考虑到分子是物质进入化学反应时的最小粒子，也是保持物质化学性质的最小粒子，而原子是化合物分子组成的最小粒子，建议对分子和原子采用不同的概念。”
原子和分子理论在今天代表了一种稳定的思想，是所有物理化学科学的基础。当然不仅有双原子分子，还有由数千个原子组成的更复杂的大分子（macromolecule）。“我们所说的分子是指相同或不同原子的最小集合体，能够独立存在，并具有分子构成的物质的所有化学和物理性质”，阿伏加德罗这句对分子的定义至今仍有意义。
今天，通过一些特殊的技术，如扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）或场离子显微镜（Field Ion Microscope），我们甚至能够用肉眼看到原子和分子，并且能够估计它们的大小。我们知道原子的数量级是10-8厘米（一亿分之一厘米）。尽管“原子”一词的词源含义（不可分割）一直保留着，但19世纪末到20世纪初进行的一系列研究也使我们认识到原子是由其他更小的粒子组成的。
在同一时期，威廉·克鲁克斯（William Crookes， 1832—1919）和约瑟夫·约翰·汤姆森（Joseph John Thomson， 1856—1940）的研究（见第四章第2节），让人们发现了电子。电子是构成原子的最小粒子，带负电荷。1909年，新西兰籍的物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford， 1871—1937）发现原子中含有一个原子核，也就是一个很小的带有正电荷的中心区域，并且集中了原子的大部分质量。而原子核又由另外两种粒子构成：带正电荷的质子和不带电荷的中子。起初，卢瑟福认为电子是围绕着原子核运转的，就像行星围绕太阳一样，即原子行星模型（modello planetario dell’atomo）。实际上事情要复杂得多。量子力学（Quantum Mechanics）是20世纪前30年发展起来的一个物理学分支，它表明对于电子等微观粒子来说，再谈论轨道概念已经没有意义了。事实上，微观粒子的行为与波相似，所以我们无法在空间中对粒子定位，但定位又是描述它们的轨迹所必需的。因此量子力学用概率的方式来描述电子在原子核周围的运动。我们可以通过轨函（orbital）做到这一点，轨函实质上是一个数学函数，可以逐点计算空间中发现电子的概率。量子力学还能为每个原子轨道计算出相关的能量。由此我们发现，每个原子轨道上的电子的能量值不是任意的，只能是彼此不同的一些确定的（非连续的）值：这些能量值被称为能级。图3为两种原子轨道示意图。
图3 两种原子轨道示意图
虽然这些描述很抽象，而且也看不见，但可以解释原子所有明显的特性。因此，轨函的应用在现代化学中至关重要。通过对原子的电子构型（electronic configuration，即原子中的电子在各个轨道上的分布）的认识，可以解释元素的所有化学性质。门捷列夫（Mendeleev）的元素周期表上可以找到关于电子构型的完美解释。例如，属于同一族（同一竖列）的元素有相似的化学性质是因为它们的外部电子构型几乎一样。因此，稀有气体（或称惰性气体：氦、氖、氩、氪、氙、氡和）之所以具有化学惰性，是因为它们的电子构型非常稳定。所有其他（非惰性）元素都倾向于改变其构型，以使其像稀有气体一样有稳定的结构，这就是它们会结合形成分子的原因。我们将在下一节专门讨论化学键（见第一章第2节）。