从原子核的结构到宇宙中所有元素的起源——最微小尺度上的化学。
原子核由质子和中子组成,靠强核力聚合在一起。同位素是同一元素的变体,质子数相同而中子数不同——有些稳定,有些则会自发衰变。
118种元素按原子序数递增排列。周期和族反映了原子的电子结构——也因此决定了几乎所有化学性质。这是分类学的杰作,在元素被发现之前就预言了其中的空缺。
原子结合形成分子,以获得更稳定的电子构型——通过共用电子对(共价键)、电子完全转移(离子键)或自由移动的电子(金属键)。正是这几条简单的规则,造就了化学化合物的全部多样性。
元素究竟从何而来?氢和氦诞生于大爆炸,而铁及更轻的重核则是恒星通过核聚变锻造而成。像金和铂这样更重的元素,则是在中子星碰撞中通过中子俘获产生——每种元素都刻印着自己的宇宙起源。
磁性并非源于旋转的电荷,而是源于一种纯粹的量子力学性质:电子和原子核的自旋。一种材料是否表现出磁性,取决于数十亿个这样微小的"指南针"如何相互取向排列。
不稳定的原子核会自发衰变,并释放出电离辐射。α、β 和 γ 射线在粒子种类和能量上各不相同。半衰期、衰变链和放射性平衡是理解这一不可见过程的基本概念。
重核(如铀-235)的裂变会释放出巨大的能量——这是所有核电站的基础。轻核(如氘和氚)的聚变释放的能量更多,是每一颗恒星的动力来源。这两个过程都遵循爱因斯坦的 E = mc²。