宇宙分子

茫茫宇宙之中，原子所占的空间非常有限，有如茫茫戈壁滩上偶尔出现的行人，似乎很难碰撞到一起。但是，物质之间的相互作用力，却让原子上演了一出又一出的好戏，恒星就是大量氢原子和氦原子碰撞之后产生的壮丽焰火。太阳就是一颗恒星。维持恒星辐射的能源是聚变反应，即热核反应。

但是，宇宙中原子的碰撞并不总是如此激烈，核聚变产生的条件并不是那么容易达成。更多的时候，好不容易聚集到一起的原子，只是构成了非常稀薄的原子云团，没有强烈的挤压，也不会形成很高的温度，它们只是以一种更为和谐的方式聚集在一起。

在原子中，原子核是原子的核心部分，其体积只占非常小的一部分，直径只有10 ^-15 ～10 ^-14 米（即不足100万亿分之一米或10万分之一纳米）；在一般的化学反应中，原子核是不会发生任何变化的。组成单质和化合物分子的最小微粒——原子的直径为4×10 ^-10 ～6×10 ^-10 米（即不足1纳米），且其质量几乎集中于原子核。可见，原子核的直径还不及原子的万分之一。如果说原子有一只篮球那么大，那么对应的原子核不过是灰尘般大小。

原子核是由带正电荷的质子和中性的中子（二者统称为核子）组成的紧密结合体，因此，原子核带正电荷。一切原子都是由一个带正电荷的原子核和围绕它运动的若干电子组成的。当温和的条件不足以让电子与原子核发生彻底分离时，那么不同原子的原子核也就没有机会可以碰到一起，原子之间的交流，只能靠最外缘的电子牵线搭桥。

当两种或两种以上元素的原子通过电子结合，形成一个集合体，这就是原子团，而单质的分子就是由相同元素的原子结合而成的。在许多化学反应中原子团作为一个整体参与。宇宙中的原子相遇之时，就会形成各式各样的原子团，我们姑且把它称为宇宙分子。

由于宇宙中的氢原子占据了绝大多数，因此，最容易相会的，就是散落在各处的氢原子。当两个氢原子碰到一起的时候，就会结合成氢分子，在地球上，它被称为氢气。

随着恒星内部的核聚变释放出更多类型的原子之后，宇宙分子的种类也开始多了起来。

很长时间以来，宇宙分子的神秘面纱都让人们感到捉摸不定。这是因为，在一般情况下，即使宇宙中的原子相遇了，它们周围的环境也仍然十分空旷，甚至比人类在实验室里制造出来的真空更像真空。这就意味着，原子在结合之时，很难再有别的选择，只能碰到什么就和什么结合。

化合物的分子则由不同元素的原子组成。比如，当氧原子和氢原子在地球上相会时，它们最容易形成的，就是供养了地球上无数生命的“水分子”。每一个水分子，都是由一个氧原子和两个氢原子结合而成，氧原子居于其中，而氢原子以特定的角度结合在氧原子的两侧，形成V形构造。考虑到氢原子和氧原子之间悬殊的体型，它们形成的这种水分子，从外形上看很像是熊猫的脑袋。

在地球上，想要从水分子上摘掉一个氢原子，让它只剩一个氢原子和一个氧原子，说容易也容易，甚至不需要太多的外力，氢原子转身就会从水分子中离开。只不过，它在离开之时，并不会带走自己原来那颗唯一的电子，于是，剩下的一个氢和一个氧，就拥有了一个过剩的负电荷。

离子化合物没有简单的分子，是由相反电荷的离子聚集在一起的，如NaCl等。这种带有电荷的微粒被称为离子，它们的很多特性都相较于不带电荷的分子发生了变化。当微粒带有正电的时候，就被称为正离子或阳离子，脱落的那个氢缺少了一个电子，于是它就带有一个正电荷，被称为氢离子；而当微粒带有负电荷的时候，就被称为负离子或阴离子。显然当氢离子离开之后，水分子剩下那部分便是负离子。

正因为水分子中的氢很容易脱落，由一个氢和一个氧形成的这种离子，即使是在纯水中也有少量存在。由氢元素氢和氧元素组成的一价原子团就是氢氧根（OH ^- ），也被称为氢氧根离子或羟基负离子。这个“羟”字，无论是字形还是读音，都是“氢”和“氧”的“杂交体”。

从水分子上摘掉一个氢原子，还有一种特殊的情况，那就是氢在离开的时候带走了电子。也就是说，脱落的是氢原子而非氢离子，剩下的那部分，是氢和氧构成的中性微粒，不带电荷。这种微粒被称为羟基分子，它在地球上不算常见，有时候就算形成了羟基分子，通常也不能稳定存在，很快就会转化为其他物质，它们两两结合，就会变成由两个氧原子和两个氢原子组成的过氧化氢（H ₂ O ₂ ）。过氧化氢的质量分数为3%的水溶液，俗称双氧水，也有用于漂白、杀菌作用或作为氧化剂的浓溶液，其过氧化氢的质量分数为30%。不过，双氧水依然不稳定，它在释放出一个氧原子后，就成为一个新的水分子。

可是，太空中的环境就很不一样，在地球上不能稳定存在的羟基，在太空中却有可能大量存在。实际上，早在20世纪50年代，就已经有不少人陆续推断，羟基分子是一种常见的、存在于星际空间的星际分子。

事实也果然不出所料。

1963年，科学家们首次利用射电天文望远镜通过光谱的方法，在仙后座附近探测到了羟基分子，这也成为当时一件轰动性的天文大事件，被誉为20世纪60年代天文学的四大发现之一。

人们兴奋的并不只是这种分子被证实存在，而是羟基分子和水的特殊联系，让人不禁浮想联翩——宇宙中是否也会存在水呢？多年以后，这个猜测也被证实了。

正因为宇宙的环境在地球上难以实现，各色奇怪的宇宙分子层出不穷，人们甚至专门设立了“星际化学”专业方向，用以研究宇宙中这些分子究竟是如何形成的。

继续说羟基分子。在我们知道它是星际中的常客后，很快又注意到，它并不只是会在稀薄的太空环境下出现。直到现在，我们也没有彻底调查清楚它的行踪。2021年，英国科学家首次发现，外太空一颗巨大的行星上，其大气层中居然含有羟基分子。考虑到地球也是一颗行星却难觅羟基分子的实际背景，这个结果委实让人大吃一惊。

而在2022年，中国的嫦娥项目团队在从月球上采集回来的土壤中发现，距离我们近在咫尺的月球上，居然也有羟基形式存在的水，虽然含量极低，但也还是令人眼前一亮。

所以，我们不能满足于现有的成就，还要继续探索这些宇宙分子不同的来历，这也是为了弄清楚，宇宙真实的起源究竟是什么。

实际上，很多工作早已在开展之中。尽管地球的自然环境并不满足要求，但是科学家们却在勇敢地克服各种困难。他们有的把实验搬到环绕地球的空间站中进行，有的则是在实验室中制造出特殊的条件。这些条件虽说并不像前面说过的欧洲核子研究中心那样惊天动地，但是最终的目的却是惊人的一致。

2017年，中国大连化学物理所的几位科学家，通过自制的一种光源设备让水分子发生了分解。令人兴奋的是，喜欢空手离开的氢原子，这一次却没有忘记自己的电子，于是中性的羟基分子就在这样的环境中稳定地形成了。研究人员们猜测，在宇宙中，或许有一些羟基分子，也是在类似的环境中形成。如果是这样，我们就可以通过验证羟基分子的存在，来论证那些遥远星系内的特殊状态，进一步找到宇宙形成的依据。

宇宙是物质的，通过物质去理解宇宙，这是我们永远都不会停下脚步去探索的艰巨任务。

但是，宇宙中寻找到的特殊分子，也让我们对地球上的分子有了更多的理解。如果说，原子是构成世界万物的基本单元，那么分子所扮演的角色，就是让这些基本单元发挥出实际的功能。只有认识了分子，才能真正弄明白物质搭建的规律。 j5VtXmraoI/a80D8H/n+0BRD1y87vCuNx0UEEZWmDoVdbJ9pFFG2pACfTnu6yPsE