夜黎本文章內容基於萊斯大學 OpenStax 的 Anatomy and Physiology 2e，由夜黎重新編輯。（根據本書前言中的創用 CC BY 4.0 聲明）
原文傳送門：<2> The Chemical Level of Organization — 2.1 Elements and Atoms: The Building Blocks of Matter
索引傳送門：《解剖學和生理學2e》索引頁面
學習本章後，你將能夠：
• 討論物質、質量、元素、化合物、原子和次原子粒子之間的關係
• 區分原子序〔atomic number〕和質量數〔mass number〕
• 確定同一元素同位素〔isotopes〕之間的主要區別
• 解釋電子如何占據電子殼層〔electron shells〕以及它們對原子相對穩定性的貢獻
前言
宇宙的物質——從一粒沙到一顆星星——被稱為物質〔matter〕。 科學家將物質定義為「佔據空間並具有質量的任何東西」。 物體的質量和重量是相關的概念，但並不完全相同。 物體的質量〔object’s mass〕是物體中所含物質的數量，並且無論該物體是在地球上還是在外太空的零重力環境中，物體的質量都是相同的。 另一方面，物體的重量〔object’s weight〕是受重力影響的質量。 在重力強烈地拉動物體質量的地方，物體的重量大於重力較弱的地方。 例如，一定質量的物體在月球上的重量比在地球上的要輕，因為月球的重力小於地球的重力。 換句話說，重量是可變的，並且受重力影響。 一塊在地球上重一磅的奶酪在月球上只有幾盎司。
元素和化合物
自然界中的所有物質都是由稱為元素的 92 種基本物質中的一種或多種組成的。
元素〔element〕是一種純物質〔pure substance〕，它與所有其他物質的區別在於它不能通過普通的化學方法產生或分解。雖然你的身體可以從它們的組成元素〔constituent elements〕中組裝出許多生命所需的化合物，但它不能製造元素。它們必須來自環境。
你必須攝入的元素的一個熟悉示例是鈣 (Ca)。鈣是人體必需的；它被吸收並用於許多過程，包括加強骨骼。當你食用乳製品時，你的消化系統會將食物分解成小到足以進入血流的成分。其中包括鈣，因為它是一種元素，不能進一步分解。因此，奶酪中的元素鈣與構成骨骼的鈣相同。
你可能熟悉的其他一些元素是氧、鈉和鐵。人體中的元素如圖 2.2 所示，從最豐富的開始：氧 (O)、碳 (C)、氫 (H) 和氮 (N)。每個元素的名稱都可以替換為一個或兩個字母的符號；在本課程中，你將熟悉其中的一些內容。你體內的所有元素都來自你吃的食物和你呼吸的空氣。
在自然界中，元素很少單獨出現。 相反，它們結合形成化合物。 化合物〔compound〕是由兩種或多種元素通過化學鍵連接而成的物質。 例如，複合葡萄糖〔compound glucose〕是一種重要的身體燃料。 它總是由相同的三種元素組成：碳、氫和氧。
此外，構成任何給定化合物〔given compound〕的元素總是以相同的相對數量出現。 在葡萄糖中，每十二個氫單位總是有六個碳單位和六個氧單位。 但是，這些元素的「單位〔units〕」究竟是什麼？
原子和次原子粒子
原子〔atom〕是元素的最小數量，其保留了該元素的獨特性質。 換句話說，氫原子是氫的一個單位——可以存在的最小量的氫。 正如你可能猜到的，原子幾乎是深不可測的小。 這句話末尾的句號是數百萬個原子的寬度。
原子結構和能量
原子由更小的次原子粒子〔subatomic particles〕組成，其中三種很重要：質子〔proton〕、中子〔neutron〕和電子〔electron〕。 帶正電的質子和不帶電（〝中性〞）的中子的數量賦予原子質量，並且質子的數量決定了元素。 以接近光速圍繞原子核〝旋轉〞的帶負電電子的數量等於質子的數量。 一個電子的質量約為質子或中子的 1/2000。
圖 2.3 顯示了兩個模型，可以幫助你想像原子的結構——在本例中是氦 (He)。 在行星模型中，氦的兩個電子在一個固定的軌道上繞著原子核旋轉，軌道被描繪成一個環。 儘管該模型有助於可視化原子結構，但實際上，電子不會在固定軌道上運動，而是在所謂的電子雲中不規則地圍繞原子核旋轉。
原子的質子和電子攜帶電荷。 帶有正電荷的質子被定名為p+。 帶負電荷的電子被定名為 e-。 原子的中子沒有電荷：它們是電中性的。 就像電磁棒因為相反的電荷吸引而粘在鋼製冰箱上一樣，帶正電的質子也會吸引帶負電的電子。 這種相互吸引使原子具有一定的結構穩定性。 帶正電的原子核的吸引力有助於防止電子偏離太遠。 中性原子內的質子數和電子數相等，因此原子的總電荷是平衡的。
原子序和質量數
碳的原子是碳獨有的，但碳的質子不是。 一個質子與另一個質子相同，無論它存在於碳、鈉 (Na) 還是鐵 (Fe) 原子中。 中子和電子也是如此。 那麼，是什麼賦予了一種元素獨特的特性——是什麼讓碳與鈉或鐵如此不同？ 答案是每個包含的獨特數量的質子。 根據定義，碳是一種元素，其原子包含六個質子。 沒有其他元素的原子中恰好有六個質子。 此外，所有碳原子，無論是在你的肝臟中還是在一塊煤中，都含有六個質子。 因此，原子序〔atomic number〕，即原子核中的質子數，可以識別元素。 因為原子通常具有與質子相同數量的電子，所以原子序也標識了通常的電子數量。
在它們最常見的形式中，許多元素還包含與質子相同數量的中子。 例如，最常見的碳形式有六個中子和六個質子，其原子核中總共有 12 個次原子粒子。 元素的質量數〔mass number〕是其原子核中質子數和中子數的總和。 因此，最常見的碳質量數形式是 12。（電子的質量非常小，以至於它們對原子的質量沒有明顯貢獻。）碳是一種相對較輕的元素。 相比之下，鈾 (U) 的質量數為 238，被稱為重金屬。 它的原子序是 92（它有 92 個質子），但它包含 146 個中子； 它是所有天然存在的元素中質量最大的。
元素週期表〔periodic table of the elements〕，如圖 2.4 所示，是一張圖表，識別出自然界中發現的 92 種元素，以及通過實驗發現的幾種較大的不穩定元素。 元素按原子序排列，氫和氦在表的頂部，以及質量更大的元素在下面。 元素週期表是一種有用的工具，因為它可以識別每種元素的化學符號、原子序和質量數，同時根據元素與其他元素反應的傾向來組織元素。 元素中的質子數和電子數相等。 對於某些元素，質子和中子的數量可能相等，但並非對所有元素都相等。
同位素
雖然每個元素都有唯一數量的質子，但它可以作為不同的同位素存在。 同位素〔isotope〕是元素的不同形式之一，其區別在於不同數量的中子。 碳的標準同位素是 12C，通常稱為碳十二。 12C 有六個質子和六個中子，質量數為十二。 碳的所有同位素都具有相同數量的質子； 因此，13C 有 7 個中子，14C 有 8 個中子。 元素的不同同位素也可以用連字符〔hyphenated〕的質量數表示（例如，用 C-12 代替 12C）。 氫具有三種常見同位素，如圖 2.5 所示。
包含比通常數量更多的中子的同位素，稱為重同位素〔heavy isotope〕。 一個例子是 14C。 重同位素往往不穩定，並且不穩定同位素具有放射性。 放射性同位素〔radioactive isotope〕是一種同位素，其原子核很容易衰變，釋放出次原子粒子和電磁能。 不同的放射性同位素（也稱為放射性同位素〔radioisotopes〕）的半衰期〔half-life〕不同，半衰期即任何大小的同位素樣本的一半衰變所需的時間。 例如，氚（氫的放射性同位素）的半衰期約為 12 年，這表明樣本中一半的氚核需要 12 年才能衰變。 過度暴露於放射性同位素會損害人體細胞，甚至導致癌症和出生缺陷，但當暴露受到控制時，一些放射性同位素可用於醫學。 有關更多信息，請參閱職業聯繫。
介入放射科醫生〔Interventional Radiologist〕
放射性同位素的受控使用，促進了疾病的醫學診斷和治療。介入放射科醫生是通過使用涉及放射的微創技術〔minimally invasive techniques〕治療疾病的醫生。許多曾經只能通過漫長的創傷性手術治療的疾病，現在可以通過非手術治療，從而減少患者的成本、疼痛、住院時間和康復時間。例如，在過去，對於肝臟中有一個或多個腫瘤的患者來說，唯一的選擇是手術和化療（藥物管理以治療癌症）。 然而，一些肝臟腫瘤很難通過手術切除，以及另一些則可能需要外科醫生切除過多的肝臟。此外，化學療法對肝臟有很強的毒性，並且某些腫瘤對它的反應並不好。在某些此類情況下，介入放射科醫生可以通過中斷血液供應來治療腫瘤，如果它們要繼續生長，它們需要這些血液供應。在這個稱為放射栓塞術〔radioembolization〕的過程中，放射科醫生用一根細針進入肝臟，穿過患者的一條血管。然後放射科醫生將微小的放射性〝種子〔seeds〕〞插入供應腫瘤的血管中。在手術後的幾天和幾週內，種子發出的輻射會破壞血管並直接殺死治療附近的腫瘤細胞。
放射性同位素發射的次原子粒子可以通過成像技術檢測和跟踪。 放射性同位素在醫學中最先進的用途之一是正子斷層造影{正電子發射斷層掃描} (PET) 掃描儀，它可以檢測極少量放射性葡萄糖〔radioactive glucose〕注射液在體內的活動，這種葡萄糖是細胞用來獲取能量的單醣。 PET 相機向醫療團隊顯示患者的哪些組織吸收了最多的葡萄糖。 因此，代謝最活躍的組織在圖像上顯示為明亮的〝熱點〔hot spots〕〞（圖 2.6）。 PET 可以揭示一些癌性腫塊〔cancerous masses〕，因為癌細胞以高速率消耗葡萄糖來促進其快速繁殖。
該 PET 掃描顯示大型原發性腫瘤擴散到其他部位的位置。
電子的行為
在人體中，原子不作為獨立實體存在。 相反，它們不斷與其他原子反應，以形成和分解更複雜的物質。 要充分了解解剖學和生理學，你必須掌握原子如何參與此類反應。 關鍵是了解電子的行為。
儘管電子不會沿著距離原子核一定距離的剛性軌道運行，但它們確實傾向於停留在稱為電子殼〔electron shell〕的特定空間區域內。 電子殼是一層以不同能級〔distinct energy level〕圍繞原子核的電子。
在人體中發現的元素的原子有一個到五個電子殼層，並且所有的電子殼層都擁有八個電子，除了第一層，它只能容納兩個。 這種電子殼層的配置對於所有原子都是相同的。 精確的殼數取決於原子中的電子數。 氫〔hydrogen〕和氦〔helium〕分別只有一個和兩個電子。 如果你看一下元素週期表，你將會注意到氫和氦分別位於頂行的兩側； 它們是唯一隻有一個電子殼層的元素（圖 2.7）。 第二殼層對於保持〈所有大於氫和氦的〉元素中的電子是必要的。
原子序為 3 的鋰 (Li) 具有三個電子。 其中兩個填充第一個電子殼層，第三個溢出到第二殼層中。 第二電子殼層可以容納多達八個電子。 具有六個電子的碳完全填充了它的第一殼層，而填充了它的第二殼層的一半。 有十個電子的氖〔neon〕（Ne）完全填充了它的兩個電子殼層。 同樣，查看元素週期表可以發現，第二行中的所有元素，從鋰〔lithium〕到氖，都只有兩個電子殼層。 具有十個以上電子的原子需要兩個以上的殼層。 這些元素佔據元素週期表的第三行和後續行。
最強烈地控制原子〈參與化學反應的〉趨勢的因素是其價殼層中的電子數。 價殼層〔valence shell〕是原子最外層的電子層。 如果價殼層是滿的，則原子是穩定的； 這意味著它的電子不太可能被其他原子的電荷拉離原子核。 如果價殼層不滿，則原子是反應性的； 這意味著它將傾向於以使價殼層充滿的方式與其他原子發生反應。 考慮氫，它的一個電子只填滿了它的價殼層的一半。 這單個電子很可能被拉入與其他元素原子建立關係，從而使氫的單價殼層得以穩定。
所有原子（除了具有單電子殼層的氫和氦）在其價殼層中恰好有八個電子時最穩定。 這個原則被稱為八隅體規則〔the octet rule〕，它指出一個原子將放棄、獲得或與另一個原子共享電子，因此它最終在自己的價殼層中擁有八個電子。 例如，在其價殼層中具有六個電子的氧很可能與其他原子發生反應，從而導致在氧的價殼層中添加兩個電子，從而使數量達到八。 當兩個氫原子各自與氧共享一個電子時，就會形成共價鍵〔covalent bonds〕，從而產生一個水分子 H2O。
在自然界中，一種元素的原子傾向於以特有的方式與其他元素的原子結合。 例如，碳通常通過與四個氫原子連接來填充其價殼層。 這樣一來，這兩種元素就形成了最簡單的有機分子-甲烷〔methane〕，它也是地球上最豐富、最穩定的含碳化合物之一。 如上所述，另一個例子是水； 氧需要兩個電子來填充其價殼層。 它通常與兩個氫原子相互作用，形成 H2O。 順便提一下，〝氫〔hydrogen〕〞這個名字反映了它對水的貢獻（hydro- = 〝水〞；-gen = 〝製造者〞）。 因此，氫是〝水製造者〔water maker〕〞。
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2022/12/25 發佈本文
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