福建白癜风医院 http://baidianfeng.39.net/a_wh/160627/4885172.html
最容易获得的诺贝尔奖

二十年前，如果你问一位科学家什么是导电性能 的元素，他们会说是银。我们不将其用于电子产品的 原因是铜更便宜。

然后在年，两位物理学家获得了诺贝尔奖，因为他们用透明胶带使另一元素的导电性能变得更好。

俄罗斯物理学家科斯蒂亚·诺沃塞洛夫（KostyaNovoselov）和安德烈·吉姆（AndreGeim，你也许还记得他，年让青蛙悬浮的科学家）正在研究石墨，一种软质的碳，能用于制造铅笔芯。由于石墨是一种脆性材料，因此它容易变成片状，科学家们就利用透明胶带清理样品。通过将胶带粘在石墨上并粘去多余的灰尘，石墨获得了新的闪亮表面。2正是看到这一行为使诺沃塞洛夫和吉姆有了一个主意。

如果将胶带粘在一块已经清理过的石墨上，你就可以提取单层碳，一个原子厚的石墨。这种奇特的物质被称为石墨烯，它排列得就像碳原子组成的铁丝网一样，并具有许多不同寻常的特性。它不仅比钢的强度高倍，而且是透明的，还可以用于将盐从海水中过滤掉的滤网。3

最重要的是，石墨烯的导电性优于银。我们用西门子每米（siemenspermeter）作为单位测量电导率。银的电导率为万西门子每米，而石墨烯的导电速度还要更快，尽管目前人们还没有就确定的数值达成共识。4令人惊奇的是，碳并不是金属，而通常只有金属才能导电。真是奇怪的事情。

什么是金属？

当我们听到“金属”（metal）一词时，我们会在脑海中浮现出同一件事：英国摇滚乐队Mot?rhead的贝斯手/歌手Ian“Lemmy”Kilmister。愿他安息。

然后，我们倾向于想到坚硬而有光泽的浅灰色固体。我们真正想到的是钢（steel）、钛（titanium）、铝（aluminium）和铬（chromium），这是我们日常生活中的四种主要金属，但金属具有各种外观和特性。

铋（bismuth）形成迷宫状的方形晶体，在水坑里像油一样闪闪发光，而镥（lutetium）和铥（thulium）以纤维团块的形状出现，看起来像扯开的牛肉。铌（niobium）在刚分离出来的时候呈无光的银色，但通过电流后变成彩虹色。

一些金属表现出磁性（铁iron、钴cobalt、镍nickel、铽terbium和钆gadolinium），而另一些金属本身不具有磁性，但会增强上述这五种金属的性能，比如钕（neodymium）。某些金属（钨tungsten）加热到3,°C以上时仍为固体，而有些金属在你的手掌中就能熔化（镓gallium）。它们的反应性范围也很广，从甚至不会在酸中腐蚀的金，到慢慢加热都会爆炸的铒erbium。

如此宽泛的表现范围内，是什么将它们凝聚在一起？答案是，金属是一直能导电的元素。当然，碳可以在石墨烯状态下传导，但金属无论处于何种状态下都将导电。

为了了解金属化学，我们需要了解电，而故事可以追溯到古埃及。

任法老王

公元前年，埃及王国在原法老王纳尔迈（Narmer）的统治下首次统一。关于纳尔迈的真实身份存在很多争论，但我们有一定信心确定他名字的含义。纳尔迈，被翻译成英文，意思是“生气的鲶鱼（catfish）”。5

法老王用河鱼的名字命名似乎很奇怪，但是在埃及文化中，鲶鱼是尼罗河的领主保护者，也是最受尊敬的生物之一。

的确，大多数鲶鱼都是无用的庞然大物，但在埃及发现的品种却很特殊。它的拉丁名称是Malapteruruselectricus，意为“电鲶鱼”。

就像南美的电鳗（electriceel）一样，电鲶鱼具有一个特殊的器官，让它能对任何触摸到它皮肤的生物接受伏特的电击。电鲶鱼是我们最早记录的电的例子，距离人类也能控制类似现象还需要走过五千年。

电击

发现电的人常常为人们所遗忘，这是一个糟糕的悲剧。希腊科学家泰勒斯（Thales）（摔进坑里的人）已经发现，用羊毛摩擦 碎片会导致它们龟裂，在适当的情况下能产生火花，但我们认定为电的东西由一位名叫斯蒂芬·格雷（StephenGray）的英国实验者发现。

格雷的工作被忽视的原因之一是，他犯了请其他科学家协助的错误。他邀请的那个科学家是约翰·福兰斯迪（JohnFlamsteed），恰好是艾萨克·牛顿爵士（SirIsaacNewton）的死敌（译注：牛顿的死敌可真多啊）。

牛顿是一个残酷、甚至充满恶意的人，他用自己列名皇家学会（RoyalSociety）的头衔来抹黑和掩盖他所讨厌的人的工作，其中包括福兰斯迪。6因此，福兰斯迪和格雷的许多成就都被世人所忽视了。必须说，尽管牛顿是历史上最伟大的思想家之一，但他在有些方面是个笨蛋。因此，让我们纠正这一错误，给予斯蒂芬·格雷他应得的。

格雷出生于年，一生中大部分时间都是染工，只是将科学作为嗜好。他四十二岁的一天晚上在自己的卧室里发现了电，当时他正在把玩一种用来产生静电的粗糙仪器——一管玻璃。

静态发电机于年问世，由德国*治家奥托·冯·居里克（OttovonGuericke）发明，但是格雷没有足够的钱购买这种豪华的设备。他不得不在兔子皮毛上摩擦玻璃棒，然后将其触碰在周围的一切东西上，期望产生电击。

格雷对一个现象产生了好奇：如果将摩擦后的玻璃棒放到地面上，它似乎会失去电力，并且在充电之前不能电击任何东西。

在一个特殊的夜晚，他决定将玻璃棒的末端塞入一块软木中，发现当他将软木的 轻拍到一堆羽毛上时，会发出火花。玻璃已经擦过了，但软木却能够以某种方式传递电。无论电到底是什么，它肯定可以流动。

振奋于这一结果，格雷从天花板上垂下一条丝带，使它不会触及地面，然后开始测试物体是否可以传递电能。在尝试了蔬菜、绳子、硬币和其他任何能找到的东西之后，格雷开始将所有东西分成两类：绝缘体（不传送电）和导体。7

结果表明 的导体是金属，位于元素周期表的左侧。这些元素传输点的能力如此出色，以至于格雷能通过悬挂在他卧室窗户上近米长的电线实现电击。8

即使指向天空时金属也能导电，这意味着无论电的本质是什么，它不受重力的影响。当然，电仍会进入地下，但这显然不是由于重力吸引。相反，行星本身就是导体，只要有机会，电流就会流过。

在格雷的研究结果中，更令人惊讶的是人体也导电。通过将一个小男孩用线吊起来，格雷得以对他充电并在他的脸上产生火花。这成为备受欢迎的杂耍的基础，名为“飞行男孩”，观众可以轻拍悬挂少年的指尖并受到电击。9还是以科学的名义。

该展览的秘密在于，人的皮肤通常以汗水的形式覆盖在一层薄薄的盐水中，从而使电在其表面上迅速传导。当与地面接触的观众碰触了被充电的男孩时，电流将流过他们的皮肤流到大地，产生电击效果。

从第3章里我们知道电是由电子产生的，因此要解释所有这些行为，我们必须再次回到薛定谔方程。

静电

我们知道，电子占据原子核周围的轨道，并且聚集在一起的原子可以混合轨道从而形成分子。

发生静电正是因为这种轨道混合并不罕见。实际上，当任意两个表面相遇时就会发生这种情况。比如您现在坐在椅子上，椅子上的一些电子正在与衣服上的电子形成暂时的结合（至少我希望如此：请不要赤裸着阅读我的书）。

当您站起来时，大多数电子返回其原始原子，键被切断。椅子上的电子返回椅子，衣服上的电子返回给您。我们将其称为摩擦电效应，它是化学键的一种弱形式。

问题在于，某些分子比其他分子更能保持电子，当键断裂时，它们并不总是恢复其原始结构。

例如，构成头发的分子是不良的电子持有者，而橡胶则非常擅长持有电子。如果您将诸如气球之类的橡胶片放在头发上，则您头发上的某些电子会发现它们更喜欢粘附在橡胶上，并会发生转移。

分子中塞多少电子没有限制，因此橡胶很乐意接受这些旅行者。当拿开橡胶时，您的一些头发电子会停留在新家的表面，从而导致电荷不平衡。

橡胶和头发整体上不带电荷，因为电子和质子相互抵消，但如果我们将电子从头发转移到橡胶上，情况会有所不同。气球发现自己拥有多余的电子，而头发却缺乏电子。

令人惊讶的是，以这种方式转移电子会带来更大的稳定性。听起来像是出错了，因为橡胶从您的头发上偷走了一些东西，但请记住，量子方面的稳定性意味着“东西已经失去了达到该状态的能量”。如果两个分子分开，它们可能会更稳定，就像纸牌屋喜欢倾倒一样。

当您在头发上擦一个气球时，它会偷走大约2,亿个电子。这听起来很多，但不到您身体中电子总数的百万亿分之一。

如果现在将气球带到一个好的导体（例如金属或地面）附近，则电子将更容易交换，并将流入其中，然后尽可能地发生扩散。但这次我们不是在谈论形成小的键，而是在谈论所有电子同时跳跃，从而产生臭名昭著的静电电击。

当斯蒂芬·格雷摩擦玻璃棒时，他正在从兔子皮毛的表面上获取并沉积电子。玻璃是绝缘体，因此它可以在表面存储电子，而且不允许电子从一端流到另一端。但软木，因此电子能够穿过软木进入地面。他的电线实验是对相同原理的扩展。

为什么金属完全导电？

当您从左向右阅读周期表时，您正在逐渐增加原子核中的质子数。您拥有的质子电荷越多，更多的电子将被向内拉动，导致原子变小，这意味着我们看到的同一行原子的尺寸都在减小。

因此，左侧的原子较大，并且散布着巨大的松散轨道。它们的电子离原子核还有很长的路要走，也没有什么能使它们保持在原位的。这使它们成为与其他原子共享电子的理想选择，因为电子几乎没有动力维持在原位。

当您将这些庞大的原子聚集在一起时，它们的轨道不仅开始一对一地混合，而且是整体开始进行混合。原子是如此乐于分享，以至于当您解开描述数百万个金属原子的薛定谔方程时，结果就是一种巨型轨道——所有电子自由移动的湍流，物理学家称之为“电子海洋”。重叠的轨道网络意味着电子可以轻松地从结构的一侧滑向另一侧。

触摸任何金属，在您的指尖下都是随意移动来回飞舞的电子。这些运动是随机的，但如果我们能说服电子同时向一个方向传播，我们就得到了电流。

在周期表右侧元素形成的较小分子中，轨道之间的间隙使电子难以移动，因此它们不会导电。当然，这并不意味着不能迫使电子通过绝缘体。特氟龙（Teflon）是地球上最绝缘的材料，但它仍然可以导电，只是您需要巨大的能量才能说服电子跃过轨道间隙。

电导率超过万西门子每米的物质被归类为导体，而0.01西门子每米以下的物质为绝缘体。诚然，0.01和万西门子每米之间存在巨大的差距，但位于该区间的物质很少。它们被认为是“半导体”。

另类

物质是固体、液体还是气体取决于颗粒之间吸引力的大小。氧分子之间几乎没有相互作用，因此很稳定，并使氧在室温下成为一种气体。通过冷却可以将其转变为液体（有趣的事实：液态氧是蓝色的），但是在标准条件下，它倾向于扩散。

相比之下，金属是良好的电子共享者，这意味着它们的轨道会重叠并且原子会聚在一起形成固体，液体金属汞显然除外。要全面解释汞的流动性，就需要了解爱因斯坦的狭义相对论，但我们不必担心，很好理解。

像其他金属一样，汞的轨道向许多方向伸出，就像花朵上的花瓣一样，所以它可以导电，但汞在元素周期表上的位置很有趣。它位于最下面一排，这使它的体积巨大，但它又位于右侧，这意味着它含有许多质子，能将轨道向内拉。结果就是，轨道可以延伸至足以重叠，但又不足以将原子保持在一起。

在元素周期表中向右移动，您将增加质子数，从而使原子更好地堆积在一起，进而形成固体。向左移动，轨道会更好地重叠，这也能导致固体的形成。

汞原子之间的吸引力太弱而无法粘附在一起，但足以允许电子从一个原子跳到另一个原子。结果就是汞可以导电，因此是一种金属，但毫无疑问，它是周期表上最差劲的金属。

另一个另类

当电子穿过一块金属时，它们不会以完美的直线运动。原子核会振动，内部轨道会干扰外部轨道。结果就是，导电永远不会完美发生，因此我们将减慢导电速度的事物称为“电阻”（以欧姆ohm为单位）。电子获得的推动其在金属里运动的能量，称为电压（以伏特volt为单位）。这些东西共同引起整体的电子流。

如果我们将电压看作是握紧牙膏管末端的拳头，那么电阻就是管子的直径，实际挤出的牙膏量就是我们所说的电流，以安培（ampere，简称安amp）为单位。

手表电池以约1.5伏的能量将电子传送到手表中。电路中的电阻会减慢电流的速度，最终产生的电流约为百万分之五安培（0.005A）。

作为对比，一道闪电会产生大约1亿伏特的电压。但是，这些电被迫穿过空气，当它们到达地面时，总电流最终约为5,安培。通过非金属（如空气）传递电力会导致大量的能量损失。

因此，石墨烯的电导率非常奇怪。碳在大多数情况下是非金属，但是将其排列在石墨烯的薄晶圆中时，它便开始导电。

之所以会发生这种情况，是因为石墨烯中的原子排列成扁平的六边形，每个原子与另外三个原子发生键合。由于碳在其外轨道上有四个可用电子，因此每个原子都有一个不参与键合的备用电子。该电子几乎不受阻地从一个原子移动到另一个原子，因此，即使很小的电压也会产生大量电流。

石墨烯与金属的不同之处在于，石墨烯几乎是二维的。在金属中，电子可以改变路线并向各个方向进行探索，但是在石墨烯中，电子能去的地方就要少了。它实际上是一个平面，这意味着电子不可能上下移动，从而使它们更有可能保持在轨道上。

电与您的关系

年，美国人权委员会认为，绞刑处决是不人道的，需要一种新的死刑方法。委员会的成员之一是来自纽约的牙医阿尔弗雷德·索思威克AlfredSouthwick，他几年前已经设计了一把电椅。索思威克的想法得到了认可，并开始了试验，正是得到了托马斯·爱迪生ThomasEdison本尊的支持。10

当时，美国就应该采用哪种电力尚存争议。爱迪生已经为基于电池的电力投入了大量资金，并需要找到一种方法来削弱磁力发电的声誉，后者受到了竞争对手乔治·威斯汀豪斯（GeorgeWestinghouse）的青睐。爱迪生的解决方案很简单，即使有点令人生厌。

采用了有史以来最病态的营销策略，爱迪生坚持新设计的电椅依靠威斯汀豪斯的电力运转，以便人们将其与死亡联系在一起。

他在自己的工作室中用流浪动物进行试验，据记录杀死了狗、猫、鸟、马和名叫Topsy的马戏团大象（他还很体贴地录像了 那个，如果你对那种东西有兴趣的话可以在线免费观看）。11

不久之后，电椅于年为 位受害者威廉·凯姆勒（WilliamKemmler）装配。12凯姆勒连续电击四分钟才死亡，过程还中途停止， 还有人尖叫：“上帝啊，他还活着！”13确实有够人道的。

电椅的关键是确保人体是电路的一部分，这实际上很难做到。尽管周六早上的动画片这样声称，但您并不是很容易触电。

如果您很不幸从电线悬挂下来，手指可能会感到刺痛，但没有真正的危险。一旦电充满了您身体表面所有可用的轨道，它便无能为力了。

另一方面，如果您以某种方式连接到地面，那么您就不再是死胡同：您是一条通路，电就会利用它。如果电力流向您，那没什么问题，但如果电力流经您，则您有麻烦了。

人体是一个相当体面的导体（您就是一袋咸水），但让情况复杂的是皮肤是极好的绝缘体。干燥皮肤的电阻约为,欧姆，但潮湿的皮肤会将水吸到毛孔中，并且使电阻下降至约1,欧姆。

还需要指出的是，一旦电进入您的身体，它将沿着最简单的路径行进。可能会进行少量探索，但您可以经手数千安培而不会死。您的身体仍会受伤，所以不要这样做，但不算致命危险。

致死的 机会是电流持续经过您的心脏、肺或大脑。

心脏的运作方式是使肌肉外层每秒受到约0.0012安培的短暂电击，这会使心脏收缩，从而将血液压到您的体内。之后，可以放松并重新打开，吸收更多的血液，并重复整个过程。但如果让电流长时间流经心脏，心脏将紧紧挤压而不会重新打开，这意味着它无法吸收新鲜的血液。这就是为什么人们可以承受雷击而抗不住电椅的原因。闪电的电流可能会通过您的心脏，但时间很短，您的心脏马上就能恢复正常。如果您维持电流经过心脏，本质上是让人心脏病突发。

令人惊讶的是（也可能不令人惊讶），很少有研究探索需要多少电流才能使心脏衰竭。大致指导主要基于轶事证据和一些生物电学理论，表明杀害一个人大约需要0.05安培的电流。

根据国家法规，电椅通过在身体内传导1至7安培的电流来工作。这是致死剂量的二十倍以上。

通常，电路的两个带电端将连接到头皮和脚踝，因此电流将同时流经大脑、心脏和肺部，从而确保其中至少一个发生故障并让人快速死亡。Haveaniceday。