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太阳释放出的粒子以太阳风的形式在太空中传播。当这种气流撞击地球时，太阳风中的粒子与大气中的气体原子发生碰撞。碰撞使原子中的电子迁移到另一能级，并以彩色光的形式释放能量。在南极和北极附近可以看到这些光，它们被称为“极光”。
电子在化学反应中起着重要的作用。它们在原子中的排列方式影响着元素的化学反应性。它们还与光的产生有关。
原子的大部分质量集中于原子中心的原子核上，但它的大部分行为是由围绕原子核运动的微小的电子控制的。例如，电子是原子参与化学反应的部分。
原子中的每个电子都有自己的位置。电子相互排斥，永不接触。它们排列成层，被称为“电子壳层”。不同的原子有不同数量的电子壳层，这取决于原子含有多少电子。氢原子只有1 个电子壳层，其电子壳层上只有1个电子。然而，铀原子是天然存在的最大的原子，共有92 个电子，排列在7 个电子壳层中。离原子核最近的电子壳层是最小的。离原子核越远，电子壳层越大，可以容纳的电子就越多。
电子壳层有时也被称为“能级”。离原子核最近的能级上的电子能量最低，最远的能级上的电子能量最高。当原子接受能量时，例如当它被加热时，它的电子会跃迁到离原子核更远的、更高的能级。原子释放能量时，它们的电子下降到较低的、离原子核较近的能级。这个有关原子如何工作的模型是由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885—1962）在1913 年提出的。它至今仍然被视为理解原子的最好方法之一。
玻尔的原子模型解释了原子如何产生光和其他类型的辐射。可见光只是一种电磁辐射。其他的电磁辐射包括无线电波、红外线、紫外线、X 射线和γ射线等。所有这些辐射都是以同样的方式产生的，但有些辐射涉及的能量较大。可见光位于电磁波谱的中间，电磁波谱是由这些电磁波按照它们的波长或频率、波数、能量的大小顺序排列而成的。蓝光比黄光的能量更大，而黄光比红光的能量更大。紫外线和X 射线的辐射能量比可见光的更大。紫外线是不可见的辐射，会灼伤人体。医学上常用X 射线来拍摄人体内骨骼的图像。热（或红外辐射）所涉及的能量小于可见光，无线电波也是如此。
科学术语
能级： 不同电子壳层代表不同的能级。最接近原子核的能级，所具有的能量最低。
电子壳层： 电子的轨道。每个电子壳层最多只能包含特定数量的电子。
当电子所处的能级下降时，原子就会释放出一个微小的粒子——光子（见第22页）。光子比电子更小，重量更轻。光的射线或其他辐射，如X 射线，是由原子产生的光子流。
光子携带辐射的能量。它所携带的能量的多少取决于电子下降了多少个能级。如果电子从较高的能级一直移动到原子核附近的能级，那么光子会产生较高能量的辐射，如X 射线。若电子所处的能级下降得比较少，那么其释放的能量也会比较少。
电子壳层
电子填充原子核周围的电子壳层有严格的顺序。氢原子只有一个电子绕着它的原子核运动。氦原子有两个。第一壳层离原子核很近，只能容纳两个电子。锂原子有三个电子，因为第一壳层已经饱和，所以第三个电子必须在下一个壳层中。第二壳层最多能容纳八个电子。如果原子的最外电子壳层是饱和的，那么该原子就是稳定的和不活跃的。锂原子的最外电子壳层只有一个电子，所以锂原子并不稳定。碳原子的最外电子壳层只有四个电子，还需要四个电子才能饱和。
原子中的能级是固定的，取决于原子的大小。电子只能在能级之间移动，且它们不能只移动半个能级，因此，当电子从高能级移动到低能级时，它们会释放出光子，并释放出能量。释放出的能量的量就被叫作“量子”（quantum）。量子是指固定数量的能量。原子不可能释放半个量子，这一事实构成了量子物理学的基础。量子物理学是研究支配原子的力的科学分支。
透过云层照射过来的光线是由微小的光子造成的。光子是环绕原子的电子改变其能级时产生的。
光子
当原子以热或光的形式接收能量时，其内部壳层（a）中的电子被提升到高能级（b）。当电子耗尽了允许它移动到更高能级的能量时，它就会恢复到最初的状态（下降到最初的能级）（c），并发射出光子（d）。
由于一种原子只能释放一定数量的能量，因此化学家可以通过它们产生的光来识别元素。元素在被加热时或燃烧时会产生光和其他辐射。钾燃烧时会产生淡紫色的火焰，而镁燃烧时则会产生耀眼的白色火焰。每种元素均会产生独特的颜色光谱，从而使化学家可以通过光谱来识别元素。
原子中的电子参与化学反应。当原子与其他原子反应时，它们失去、获得或与其他原子共享电子。电子间的相互作用将原子结合在一起形成分子。有些元素比其他元素更容易反应和形成化合物。元素的化学反应性取决于原子核周围的电子的排列方式。电子的排列方式控制着原子失去、获得或共享电子的难易程度。
参与化学反应的是原子最外电子壳层上的电子。当最外电子壳层饱和时，原子是最稳定的。大多数元素原子的最外电子壳层是不饱和的。锂原子的最外电子壳层上只有1 个电子，还可以容纳7 个电子。氯原子的最外电子壳层上有7 个电子，还可以容纳1个。原子参与化学反应，使其最外电子壳层变得饱和。原子可以失去电子，或者从其他原子那里获得电子，或者与其他原子共享电子，从而使它们的最外电子壳层变得饱和，使原子变得稳定。例如，锂原子在反应过程中会失去最外电子壳层上的那个电子，从而失去其整个第二壳层，使第一壳层变成了最外层。这个壳层有两个电子，是饱和的，非常稳定。另一方面，氯原子在反应时获得电子来使其最外电子壳层饱和，从而使原子变得稳定。
科学词汇
电磁辐射： 物质内部分子、原子或电子产生各种能级跃迁从而向外发射电磁波的物理现象。电磁波的频谱包括γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。
光子： 一种粒子，通常以光的形式携带一定的能量。
烟花
烟花含有少量的炸药，爆炸时会产生各种颜色的光。这些颜色是由混合到炸药中的化学物质产生的。
点燃烟花后，这些化学物质中的原子相互反应或与空气反应，并以彩色光线的形式释放能量。光线的颜色取决于烟花中的元素。如果烟花中有含钾化合物，它就会产生紫色的光线；如果烟花含有锂原子，就会产生红色光线；而若含有铜和钴等金属元素，则会产生蓝色光线。
橙色表明烟花中可能含有钠。钠燃烧时会发出橙色的火焰。
化学反应可以把一种物质变成另一种物质。在化学反应过程中，原子以新的方式相互连接，生成新的化学键，从而形成新的物质。
将两种或两种以上的物质在适当的条件下混合在一起，就有可能发生化学反应。参与反应的物质称为“反应物”。在反应过程中，反应物的原子相互分离并重新组合，形成一个或多个新物质。化学家称这些新物质为“生成物”。反应物可能是含有一种元素的原子的单质，也可能是由不同类型原子组成的化合物。生成物可以是单质，也可以是化合物。反应过程中不会产生新的原子，原子也不会凭空消失，只是重新组合了。反应物中原子的数量和生成物中原子的数量是相等的。
化学家用化学方程式来表示化学反应。化学方程式表明了反应物、生成物和反应条件，各物质前的化学计量数还反映了反应物、生成物之间量的关系。煤在空气中燃烧是一个简单的化学反应。煤主要是由碳元素组成的。碳（C）与空气中的氧气（O 2 ）反应，生成二氧化碳（CO 2 ）。用化学方程式来表示这种反应是：
C+O 2 =CO 2
碳与氧的反应会放出大量的热和光。自古以来，人们就把煤作为燃料燃烧，因为煤燃烧时会释放出很多热量。然而，有些反应并不产生热量，反而需要在加热条件下才能发生。例如，碳酸钙（CaCO 3 ）被加热时，会分解为氧化钙（CaO）和二氧化碳（CO 2 ）。然而，如果没有加热，这个反应就不会发生。此反应的化学方程式为：
植物的光合作用是最重要的化学反应之一。植物利用太阳的能量将水和二氧化碳变成糖和氧气。
CaCO 3 =CaO+CO 2
反应会产生热量（放热）还是会吸收热量（吸热），取决于反应物和生成物中的化学键。这些化学键使原子结合在一起。在化学反应过程中，反应物中的一些化学键被打破，形成新的化学键，从而形成生成物。
反应需要能量来打破化学键，当新的化学键形成时，能量就会被释放出来。
破坏化学键的能量和形成新化学键时释放的能量通常是不相等的。当一个反应完成后，如果新化学键形成时释放的能量比打破旧的化学键需要的能量多，那么该反应就会以热和光的形式释放出多余的能量。如果新化学键形成时释放的能量比破坏旧化学键所需的能量少，那么该反应就需要额外的能量才能发生。
原子可以通过多种方式结合在一起。化学键主要有三种类型——离子键、共价键和金属键。原子成键的方式取决于它们最外电子壳层上有多少电子。有些原子间会形成很强的键，需要很高的能量才能打破这些键。这是因为它们是由两个化学反应性很强的原子结合产生的。原子的化学反应性取决于其电负性的大小，电负性是衡量一个原子对其电子和对其他原子的电子的吸引力的参数。如果一个原子的最外电子壳层上只剩下几个空缺，这个原子就会强烈地吸引其他原子的电子。非金属元素的原子通常具有很大的电负性。氟是电负性最大的元素。它的最外电子壳层只需要再增加一个电子，就可以变得饱和，所以它强烈地吸引其他原子的电子，这使得氟很容易与其他元素发生反应。
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很有趣的气泡实验
你可以使用家中常见的两种化合物来做化学实验。这个化学反应很容易，也很安全。把一些醋（乙酸）倒入在一个透明的玻璃杯里，再往其中加入一勺小苏打（碳酸氢钠）。这两种化合物便会开始反应。碳酸氢钠与乙酸反应生成三种新的化合物——乙酸钠、水和二氧化碳。水和乙酸钠在玻璃杯中形成溶液，而二氧化碳会形成气泡逸出。
电负性极小的元素也可以具有很强的化学反应性。这些元素原子的最外电子壳层上只有几个电子。这种元素通常是金属元素。它们对最外电子壳层上电子的吸引力很小，这使它们具有正电性。正电性最大的元素，如铯和钫，在它们的最外电子壳层上只有一个电子，它们很容易失去这个电子，从而变得稳定。
当具有电负性的原子和具有正电性的原子反应时，它们会形成离子键。离子是带电的原子。带正电荷的离子是失去一个或多个电子的原子。原子获得电子后变成负离子。离子电荷的大小取决于它失去或获得了多少电子。例如，氯（Cl）原子获得一个电子变成氯离子（Cl - ），而钙原子失去两个电子变成钙离子（Ca 2+ ）。带电荷的物质被带有相反电荷的物质吸引。这种吸引力能使电子绕着原子核旋转。正是这种吸引力把阳离子和阴离子结合在一起，形成了离子键。
安托万·拉瓦锡
法国科学家安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier，1743—1794）是现代化学的奠基人之一，他发现了氧元素，还证明了在化学反应中，原子不会凭空产生，也不会凭空消失，只能简单地重新排列形成新的化合物。拉瓦锡进行了大量的实验，仔细地称量了反应物的质量和所有生成物的质量。结果表明，在反应前后，反应物和生成物的总质量是一样的。这就是质量守恒定律。拉瓦锡出生于巴黎的一个贵族家庭。他用自己的收入来资助他的研究工作。1789 年法国大革命后，拉瓦锡被指控从事反革命活动，并被定罪。
有些元素的原子既不是正电性的，也不是电负性的，这是因为它们最外电子壳层上的电子数量为其饱和时的一半。这样的原子失去或获得一样多的电子，均能拥有一个完整的最外电子壳层。
例如，碳原子的最外电子壳层上有四个电子，要变得稳定，碳原子有两种选择：可以从其他原子那里得到四个电子，也可以失去它最外层的四个电子。但是，两者都不太可能实现，因为都需要大量的能量。所以，碳和其他原子通过共享电子来得到一个完整的最外电子壳层。
离子键
普通食盐（氯化钠）是由离子键连接在一起的化合物。当离子键形成时，钠原子失去最外电子壳层上的一个电子，变成带正电荷的钠离子（Na + ）。失去的这个电子向氯原子移动，并占据氯原子最外电子壳层上最后的空位，使氯原子成为带负电荷的氯离子（Cl - ）。这两种离子所带的电荷相反，因此会相互吸引，从而使两种离子结合在一起。
共享电子位于两个原子的最外电子壳层中，这就是所谓的共价键。每个共享的电子都被两个原子的原子核所吸引。这种吸引力把原子结合在一起。
一个共价键涉及两个被共享的电子。有些原子一次可以形成多个共价键。一个碳原子可以与其他四个原子同时形成四个共价键。有时，两个原子共用两对电子（四个电子），这样形成的键叫作“双键”。碳原子甚至还可以形成三键。
金属大多数是坚硬的固体，可以弯曲或拉伸而不会断裂。它们的导热和导电性能良好。这些特性是由金属元素原子的结合方式决定的。
金属元素原子之间的键被称为“金属键”。金属键是指金属元素原子共用其部分或全部外层电子而形成的化学键。大多数金属元素的原子只有一个或两个外层电子，只有一些金属元素（如铅、铋和锡）的原子，拥有较多的外层电子。当金属元素的原子聚集在一起时，每个原子的外层电子都试图从原子中挣脱出来。这些自由电子形成了一片“电子海洋”，可以自由移动，并被所有的原子共享。金属元素的原子内带正电荷的原子核会被周围带负电荷的“电子海洋”吸引。这种吸引力使金属的原子固定在一起。
离子键、共价键和金属键将原子结合在一起。然而，还有其他的力使原子和分子结合在一起，但大多数很弱。例如，电子的随机运动会产生微小的作用力。原子或分子中的电子一般是均匀分布的，然而，它们是不断移动的，有时会偶然地同时聚集在一个地方。这使得原子或分子的一端带负电荷，而另一端带正电荷。这些电荷存在的时间很短，但是它们会产生吸引力或斥力，从而对周围的原子产生影响。
橡皮筋里的原子结合成长的、卷曲的分子。它们通过共价键相互连接。当橡皮筋被拉伸时，长的、卷曲的分子就会展开，直到共价键阻止其进一步拉伸。橡皮筋上的张力会使共价键断开，从而导致橡皮筋断裂。
这些力就是分子间力，被称为“范德瓦耳斯力”，是以荷兰物理学家约翰内斯·范德瓦耳斯（Johannes van der Waals，1837—1923）的名字命名的。他首先认识到了这些力的重要性，并阐述了它们对气体和液体行为的影响。大分子比小分子产生的范德瓦耳斯力更强，因此大分子的熔点和沸点比小分子的高。尽管范德瓦耳斯力很小，但它们将分子结合在一起，使它们之间的键更难断开。
有些分子的末端总是带有电荷。这些带电区域被称为“偶极”。当分子中一个原子的电负性大于其他原子的电负性时，就会产生偶极。因此，分子中所有的外层电子都被那个原子所吸引，导致更多的电子聚集在那一端，使得那一端带上负电荷，另一端带上正电荷。
水分子形成氢键
由于电子在每个原子核周围的排列方式不同，所以水中的氢原子略带正电荷，而氧原子略带负电荷。异性电荷相互吸引，使水分子松散地结合在一起。
带电荷的偶极被附近分子上带相反电荷的偶极所吸引。偶极使分子相互吸引，从而使它们以一种重复的模式排列，即带相反电荷的偶极彼此相邻。
氢键就是偶极吸引的一个例子。顾名思义，这些键总是和氢原子有关。氢与电负性大的元素（如氟）结合时，就经常会形成一个正极。氢原子唯一的电子被另一个原子拉走了，导致氢原子只剩下带正电荷的原子核。水就是产生氢键的化合物之一。水分子中的氧原子把电子从氢原子那里拉走了，使得氧原子带一点负电荷，氢原子带一点正电荷。带正电荷的氢原子被另一个水分子的负极吸引，从而形成氢键。
水分子中的氢键保证了水在地球表面正常情况下呈液态。如果没有这些键，水分子之间就不会这么紧密地结合在一起，水的沸点也就会低得多，那么在正常情况下，水就变成了气体。
漂浮的冰
水是一种不寻常的物质。大多数物质会热胀冷缩。然而，水变成冰时体积会变大，因此，冰的密度比水小。这就导致了池塘和河流中的水总是自上而下结冰，也使得巨大的冰山可以漂浮在海面上。由于氢键的存在，同等质量的冰的体积比水的大。当水结冰时，这些化学键迫使分子形成间隔很宽的晶体结构。当冰融化时，氢键的作用减弱，氢键不断地断裂和重新形成，使得分子相互混合得更紧密，体积也随之变小。
电子会在分子之间产生微弱的作用力，而它在分子中的位置也会影响分子的形状。异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥。分子中的电子互相排斥，它们之间的距离越远越好。原子最外电子壳层上的电子会以相等的力互相排斥。然而，当一个电子被另一个原子共用以形成化学键时，这个电子就不能强烈地排斥其他电子了。因此，共享电子对经常被另一对未成键的电子推开。外层电子的不均匀分布会影响分子的形状。双原子分子，如氯气（Cl 2 ）分子，总是形成一条直线，可以被认为是一个小型哑铃。然而，当分子中的化学键超过一个时，分子的形状就会变得更加复杂。
甲烷分子的中心有一个碳原子，四个氢原子连在碳原子上。碳原子的最外电子壳层上有四个电子，每个电子都和一个氢原子形成一个共价键。因此，所有的电子对都是相同的，它们以相等的力互相排斥。其结果是甲烷分子形成了一个类似于金字塔的四面体结构。
然而，水分子是由未成键电子的作用力形成的。每个分子由两个氢原子和一个氧原子通过共价键连接而成。这个分子不是直线的，而是弯的，两个氢原子都在氧原子的同一侧。这是因为水分子化学键中的两对共享电子被氧原子的其他六个电子所排斥。
原子也可以形成具有复杂形状的分子。碳原子可以形成六边形和五边形交替连接的球形分子。这些分子被称为“富勒烯”。因为美国工程师和建筑师巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller，1895—1983）设计了与这些碳分子结构相同的穹顶，所以科学家以他的名字命名了这种分子。碳也可以形成六边形的薄片，然后卷起来形成空心管。