白話計算機原理

刖言

歡迎來到計算機的世界！

這是一本至少在五年前就應(yīng)該寫成的書。它之所以一直沒有寫成，主要是因為兩個原因：

第一，我是個懶惰的人，總以為往后有的是時間和機會來做這件事情，但卻從來不曾有過；

第二，我和你一樣，每天都得吃飯，因為不象其它動物一樣有毛，所以還得買衣服穿。總之，

為了衣食住行而掙錢是需要浪費一個人很多時間的。（這段話還沒寫完，我那兩個要好的哥們

兒周世峰和張勇打電話讓我去吃飯和游泳。盡管我百般推辭，最終還是去了。你看看，要想

抽出哪怕是一點點時間來干些正事兒是多么地不容易呀?。?/p>

我從小就沒有當作家的夢想。我的夢想僅僅是讓星期天快點到來，這樣我就能痛痛快快

地下河摸魚。盡管小時候我是一個淘氣包，但還是干了一些正事兒。5歲的時候，我二姐在

家門前的桃樹下放了一張桌子，當時正值春天滿樹桃花盛開的季節(jié)，她在紙上畫了一朵桃花，

讓我照著她的方法去畫。盡管我進步很快，但很快我就覺得這沒有上樹掏鳥、下河摸魚洗澡

有意思。

后來我又練習(xí)書法。教會我干這事兒的，又是我二姐，甚至我第?次刷牙也是她教的。

除此之外，她做得最多的還是在我干了壞事之后，在媽媽面前告我的狀。

等到我不再覺得用竹竿捅馬蜂窩有意思的時候，又在大哥的影響下迷上了無線電。那時

除了做功課之外，看電路圖、裝調(diào)收音機成了我的全部愛好，這樣一直持續(xù)到畢業(yè)之后走上

社會。迷上電子計算機是后來的事情，本來我學(xué)的不是計算機專業(yè)，也并不知道這世界上還

有這玩意兒，學(xué)習(xí)它完全是我的好朋友張輝搪掇的結(jié)果。

我基本上屬于這樣一種人：如果我對一顆核桃感興趣，我一定會想辦法把它砸開，看看

它里面到底是怎么回事兒。于是我找了一大堆計算機專業(yè)教材來學(xué)習(xí)，但很快我就不得不放

棄了。原因很簡單，第一，這些教材太多，太深奧，我實在讀不下去。我讀的第?本書是《數(shù)

字邏輯和邏輯電路》，這還不錯，能夠看明白（真是慶幸，好在我還學(xué)過無線電）。但是很不

湊巧的是，我讀的第二本書是《離散數(shù)學(xué)》，這本書我看了5頁就再也看不下去了。我比較有

自知之明，知道趴在這些知識上打瞌睡是一種不敬的行為，所以只能將其束之高閣。第二，

我接觸的是現(xiàn)實的計算機，看到別人在鍵盤上敲些東西就能調(diào)出一些有意思的畫面，覺得很

羨慕，但是自己卻做不到。為了也有這些本事，我就在這些專業(yè)教材里找啊找，但是我發(fā)現(xiàn)

那里根本不涉及這些現(xiàn)實的內(nèi)容。后來我才知道，計算機的原理和它的具體實現(xiàn)之間還是有

相當?shù)木嚯x的。

看來我需要找一些難度適中的入門書來看看,這些書既能講清楚計算機到底是怎么工作

的，又不會深奧到學(xué)完之后可以到中科院上班的程度。但非常遺憾的是，這也并不容易。如

果你對此沒有體會，可以看看下面一段話，這還是從一本據(jù)說是非常初級的入門書中摘抄下

來的：

”中央處理部件CPU是微機的核心部件，由控制器和運算器組成，負責(zé)控制整個微機自

動、連續(xù)、協(xié)調(diào)地完成算術(shù)和邏輯的運算?！?/p>

作為一本書的開篇，這段文字讓人在讀完之后越發(fā)糊涂。一本書如果淺顯到如此膚淺的

程度，那它離成為一本天書就不遠了。說實話，我也是從那個時候開始才知道，這個世界上

最抽象的學(xué)問除了哲學(xué)之外，還有計算機。

所幸的是，我畢竟是走過來了。但是這段艱難的學(xué)習(xí)歷程我一生都不會忘記。若干年后，

當我回想起這段時光的時候，我唯一的想法和愿望就是我要自己編寫一本通俗易懂的計算機

入門書籍一既不會深奧到讓人覺得面目可憎、難以卒讀，而又不完全是在膚淺的層面上夸夸

其談。

關(guān)于本書的內(nèi)容

這是一本有關(guān)電子計算機的入門讀物，既講述了整個計算機的工作原理，也介紹了如何

在計算機上進行最常規(guī)的應(yīng)用和操作。用行家們的話說，既要高舉計算機理論的大旗，也要

來點兒實惠的、實際的、用得上的，比如上網(wǎng)、文字處理，這叫做理論聯(lián)系實際。

要想知道計算機是怎樣工作的，最好是從頭開始了解它為什么要象現(xiàn)在這樣工作。所以

這本書的目標是帶領(lǐng)讀者從頭開始，從無到有地構(gòu)建一臺現(xiàn)代的計算機。現(xiàn)代計算機是在電

走進人類的生活之后才出現(xiàn)的，并且從此以后一發(fā)不可收拾地進化著，就象你平時所坐的椅

子：一開始叫板凳，只有四條腿和一塊木板；接著人們發(fā)現(xiàn)后背沒有支撐坐著太累，于是帶

靠背的椅子出現(xiàn)了。再后來，當人們斜躺在椅子上的時候發(fā)現(xiàn)要么手沒處放，要么木板太硬

珞屁股，從此椅子就有了扶手和柔軟的墊子。

所以，象介紹椅子的發(fā)展史一樣詳細地為你介紹現(xiàn)代計算機的發(fā)展過程，直到你讀完后

能夠?qū)τ嬎銠C“再明白不過”，這是本書的任務(wù)。不過需要說明的是，這不是一本嚴格意義上

的計算機發(fā)展史或者和計算機有關(guān)的人物傳記，也不是一本生硬的教科書（至少我的本意并

不希望它生硬）。書店里充斥著大量這樣的書籍，在互聯(lián)網(wǎng)上你可以輕易搜索到不計其數(shù)有關(guān)

它們的主題和內(nèi)容。這本書不準備重復(fù)這些，重復(fù)這些東西對于學(xué)習(xí)計算機知識沒有太大裨

益，而且這確實是相當乏味的工作，只能使許多人昏昏欲睡。

盡管我已經(jīng)說過，這是?本入門讀物，但并不是在膚淺的層面上向大家介紹計算機的內(nèi)

幕。它講述了計算機世界里的大部分秘密，但是并沒有拘泥于通常只有專家們才會注重的技

術(shù)細節(jié)（打個比方說，椅子上的鑲絲應(yīng)該采用哪種材料來制造才是最好的）。如果非要這樣做

的話，這本書就不是現(xiàn)在的一本，而是相同厚度的幾十本書了。計算機技術(shù)里存在著不同的

領(lǐng)域，你喜歡進入哪個領(lǐng)域，這本書將帶領(lǐng)你以全局的視野來進行未來的選擇，并為進一步

學(xué)習(xí)更深入的知識打下一個良好的基礎(chǔ)。

誰適合閱讀本書

任何一個作者都希望擁有大量的讀者，甚至希望最好是每個中國公民人手一本。遺憾的

是這種愿望不可能實現(xiàn)，一是因為沒有哪本書能迎合所有人的喜好；二是有些人，比如我的

媽媽和我的岳母，以及我那一歲多的女兒，她們不讀書。

所以，這本書是否適合你，這是一個大問題。為了節(jié)約你的時間（這樣你就可以有更多

的時間浪費在浩如煙海的書堆里，尋找那本你心目中的最愛），我得讓你知道這本書是否適合

你讀。

這本書對于它潛在的讀者沒有任何限制，唯一的要求是認識漢字并理解它們的意思（如

果你正在讀這段話，說明你完全合乎要求）。準確地說，這是一本面向初中生、高中生和大學(xué)

新生的讀物，但對于其他社會上的人來說也同樣適合。當放完牛、干完農(nóng)活、下了班、泡完

吧、跳完舞、打完保齡球、在歌廳里喊過了之后，如果頭腦還算清醒，還有那么點閑心的話，

可以拿出來翻翻。

致謝

在一本書的前言部分里說一些客套話或者對同事和朋友以及家人表示感謝已經(jīng)成了一

種堪稱經(jīng)典的固定模式。我不想壞了這個規(guī)矩，但的確是真心實意的。

首先要感謝的是現(xiàn)在正捧著這本書的人一也就是你，謝謝你能給我捧場，但我更希望你

把它買下來，而且只有在看到你捧著它走出書店我才放心。

感謝我的父母和家人，是我的妻子一直給予我鼓勵和支持,并堅持閱讀我寫的每一個字,

為我提供修改意見：

感謝吳昊和張輝，沒有他倆在學(xué)生時代的影響，我不會進入計算機行業(yè)。我為我們?nèi)齻€

人兄弟般的情誼感到自豪。我們在學(xué)生時代以及步入社會之后所經(jīng)歷過的種種有趣的事情已

經(jīng)可以寫一本書了一哎呀，只是現(xiàn)在肯定不行。

我還想提一下我在長春最好的朋友周世峰、張勇和張樹雨。他們是我在長春電視臺工作

時認識的朋友，我們有著兄弟般的情誼。他們在對我寫書的進度是那么地關(guān)注，使我不得不

在這里表示感謝。至于他們的動機，據(jù)周老世峰老弟自己供稱，是因為他們居委會的大媽又

跟他要糊墻紙了。

周老弟有著出眾的大鼻子，據(jù)說是被鼻炎給憋大的（的確很不幸），發(fā)型也很時尚，而

且假被染成橘黃色，這使得它的寄主差點成了有史以來第一個每天都要到電視分上班的獅

子（如果不是用兩條腿走路的話）。作為一個時尚和前沿的人，他在為女性朋友們充當生活參

謀方面盡職盡責(zé)、不遺余力。盡管極少發(fā)生，但畢竟有過這種情況一我們辦公室里的大姐偶

爾會轉(zhuǎn)過頭來問他做什么樣的發(fā)型更好看。

張勇老弟，哎呀，這小伙子長得是高大魁梧，英俊瀟灑，有著一年四季都不變的發(fā)型（當

然，每天早上起床之后讓發(fā)型與昨天一樣也是不變的），很容易讓人想起刺猬，而且肯定是最

聰明、進化程度最高的那種。這哥們兒比我小7歲，但是誰都不會懷疑他是哥哥，我是弟弟。

另外不得不提的是，他是個近視眼，但從來不戴眼鏡，據(jù)說是為了更好地保護自己的形象（而

不是眼睛）。只是我這可憐的兄弟不知道的是，他瞇著眼睛、愁眉苦臉地看人的樣子也許更令

人驚訝。

最后一個人，也就是張樹雨，他有著與其所戴的眼鏡相匹配的智商，有很多智力問題到

他面前都能迎刃而解。不過他也不僅僅滿足于被別人考，他也會考別人，比如有一次他問我：

“你看過《后天》這部電影嗎？”“什么后天，還后爹呢！“我以為他在開玩笑。于是從那回開

始只要有機會他就笑話我。但是，哎呀，不管怎么說，我想可能令他們?nèi)鼠@訝的是，象我這

樣愚蠢的人居然也能寫書了。

同樣是兄弟和朋友，少一個都不行。所以我還得提一下我老家的朋友李文行，還有在北

京工作的朋友龍浩，他們也是我親密的兄弟，雖然他們并不知道我在寫作，但是我不想讓他

們怪我。從另一方面來說，有這么多兄弟也的確值得在這里炫耀一下。

謝謝我的女兒，謝謝她讓我和她的媽媽看不成電影、沒時間旅游，和代表著資本主義腐

朽生活方式的浪漫情調(diào)決裂，而且還得是打內(nèi)心深處心甘情愿。她雖然不懂事，甚至還不知

道"爸爸”意味著什么，但并不妨礙她讓我在充滿了歡樂的家庭氛圍中從事這本書的寫作。作

為一個父親，當然很想知道自己在女兒心目中的位置，現(xiàn)在就是一個機會：

"寶寶，你喜歡媽媽還是喜歡爸爸？”

"喜（歡）媽媽」

2006年12月8日星期五

作者：營銷傳播方法回復(fù)日期：2009-02-0222:05:05

經(jīng)典酷！

作者：wzlblair回復(fù)日期：2009-2-222:26:29

你這是干什么？怎么沒正文?。?/p>

此消息發(fā)自掌中天涯wap.tianya.cn

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0222:43:01

兄弟愚鈍，剛來天涯，不明就里。發(fā)完文章才知道這里是清一色的短帖區(qū)。兄弟我搬到

［人文情感/舞文弄墨］去也！

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0223:18:10

第一章神秘的電

這是一本講述計算機奧秘的書，我想我親愛的讀者已經(jīng)準備好痛痛快快地開始了。但是,

哎呀，我也知道在書的開篇部分先給大家灌輸電學(xué)方面的知識可能不是個好主意，然而沒有

辦法，這是必須的。俗話說"磨刀不誤砍柴工”，明白這個道理對改善你此時此刻的急躁情緒

可能會有所幫助。

電是人類最好的朋友之一。盡管我們了解它，并學(xué)會與之友好相處只是最近幾個世紀的

事情，而且這個過程也不那么一帆風(fēng)順。電給我們帶來了光和熱，以及可以用來同情古人的

文明（非常遺憾，從現(xiàn)在開始再過幾百年，你我也必將成為令人同情的古人），也導(dǎo)致了電子

計算機的產(chǎn)生。可以說，如果沒有電，我這一生中決不會想到應(yīng)該寫這樣一本書，而科學(xué)家

們也許正躺在風(fēng)和日麗的沙灘上想：既然可以訓(xùn)練猴子上樹忙我們摘椰子，為什么不把它們

訓(xùn)練成會跑善算的猴子計算機？

正如本章的標題所說的那樣，時至今II,電對于大多數(shù)人來說還是相當神秘的，盡管它

一直就在你的身邊為你服務(wù)。它點亮電燈，以免在漆黑的夜晚你毫無道理地用額頭和膝蓋去

揍無辜的石頭；或者讓你能夠坐在電視機前，憤怒地抱怨那些無休止的廣告。要是有一天突

然沒有了電，你一定會覺得生活不便、世界黯淡，不知道該如何繼續(xù)過下去。雖然電是如此

地有用，我們也是如此地離不開它，但是大多數(shù)人對它并不了解，甚至對這個朋友還懷有恐

懼之心。社會在不斷進步，人們也越來越忙，甚至忙到學(xué)會了對大多數(shù)事情習(xí)以為常而不去

深究其中的奧妙。要是對你寵信有加的老板今天早上在電梯里一句話也沒跟你說，你可能會

為這事兒琢磨一上午，但如果你被電了一下，你卻不會想：”電怎么這么厲害？老子今天倒要

看看這是怎么回事兒！”

在電與人類的關(guān)系方面，過去和現(xiàn)在的情況始終是一就拿電燈來說一先有了電，于是才

有了電燈。電燈為什么要這樣構(gòu)造？那是因為我們發(fā)現(xiàn)只有這樣構(gòu)造，電才能為我們發(fā)光。

計算機也是這樣，不了解電，你永遠也不會明白它為什么非得是這個樣子，它到底是怎么工

作的。不過你也不用害怕，畢竟這只需要一些基本的電學(xué)知識就夠了，怎么說也比訓(xùn)練一只

計算機猴子來得容易。那么，讓我們現(xiàn)在就開始吧！

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0223:20:51

1.1導(dǎo)體和絕緣體

電學(xué)是我們身邊的科學(xué)，所以就連我那一歲多的女兒偶爾也聚精會神地盯著電視機，看

那上面不斷變化的圖像，或者笨拙地玩弄她的電動玩具。晚上睡覺的時候，她媽媽會告訴她

雞要把電燈叨滅了。但是如果她不樂意，她會用哭聲來表明她更喜歡電燈，而不是害怕雞，

除非抱著她讓她自己把燈關(guān)掉。而對她疼愛有加的外公則計劃在她更大一些的時候為她買一

個電動車作為禮物。這種電動車輪子粗厚、身體豪放，讓人第一次看到它就能意識到它必定

具有不菲的價格，它的動力來自于可以反復(fù)充電的蓄電池。

人類并不是離不開電。在這方面一個最基本的事實是，人類在地球上生存一用馬克思的

話說，進行“生活和生產(chǎn)資料的再生產(chǎn)以及人類自身的再生產(chǎn)"一的歷史要比人類用上電的歷

史要長得多得多。一旦嘗到了電的甜頭就上癮似的依賴它，不管人類搬到哪里生活，緊接著

出現(xiàn)的通常都是電線桿子，連老鼠蟒螂跟過去的速度也許都比不上它。

要輸送電，最好的和最經(jīng)常的方式是通過電線，而不是一車一車地往家里拉，這是小孩

子都知道的。通常，電只能通過金、銀、銅、鋁、鐵、錫、鉛等物質(zhì)來傳播，而對于干燥的

木頭、紙張、塑料、陶密等物質(zhì)則不行。這基本上屬于常識，回憶一下，你是否在家中遭到

過電擊？那并不是因為你碰到了插座的外殼或者電線的外皮，而是因為你不小心接觸了里面

的金屬，最糟糕的是今天并不是停電的日子。

生活在現(xiàn)今這個時代還是很幸福的，電線到處都有，隨便都能找到。有一次手頭上電線

都用完了，出去買又太遠。于是我就找啊找，很快就找到一根。你知道我是在哪里找到的嗎？

說出來不怕你笑話一垃圾堆！想想幾個世紀以前電學(xué)剛剛起步的時候，普通人根本不知道電

線為何物。為了做實驗，大師們都得自己想辦法制作電線，現(xiàn)在看起來還真有些艱苦卓絕的

味道。

象金銀銅鐵鋁那樣能導(dǎo)電的物質(zhì)叫導(dǎo)體，而通常情況下不導(dǎo)電的物質(zhì)叫絕緣體。但也不

總是這樣，有時候，象木頭這樣的東西，在被雨水淋濕之后也會導(dǎo)電?？梢妼?dǎo)體和絕緣體之

間的界限并不是十分絕對的。人體也能導(dǎo)電，和淋濕的木頭差不多。有時候當人觸了電，那

一聲怪叫就是明證。

盡管看不見，但幾乎所有人都會"感覺”電更象非常微小的顆粒，它們可以在能夠?qū)щ姷?/p>

物體中游走?？雌饋磉@是一種人人都會產(chǎn)生的直覺，不管是誰，在他安靜下來認真思考這件

事情的時候，都會想到這一點。原則上.這種認識并沒有錯，從18世紀以來，科學(xué)家們就在思

考和研究這件事情，并把這種非常微小的粒子起名叫電子。

你可以隨意地想象電子在物體里穿行的樣子，比如你可能認為它是一束束地在導(dǎo)體里面

游動，導(dǎo)體有空隙而絕緣體沒有，所以絕緣體不能導(dǎo)電。但是需要指出的是實際情況并不是

這樣。要弄清楚這一點，需要了解世間萬物的微觀構(gòu)造。

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0223:27:56

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作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0223:30:26

1.2原子和電子

理論上任何物質(zhì)都是可以無限地分割的。比如一根鉛筆，你把它從中間折斷，折斷后所

余下的兩段又可以再從中間折斷，你可以不停地分割下去。這個分割的過程一旦開始，你就

不可能停下來，因為不管每一段有多短小，它依然是實際存在的物質(zhì)，而只要是物質(zhì)就必然

可以被攔腰劈成兩半。

所有物質(zhì)都可以無限分割只是一種理論上的假設(shè)，在意念上一也僅僅只是在意念上它才

是正確的。沒有誰能夠把物質(zhì)無休止地分割下去，因為找不出那樣薄的刀片，而人的眼睛也

看不清太小的東西（能夠?qū)⑽矬w無限地放大的顯微鏡還沒有制造出來，估計是永遠也造不出

來了）。當然，也不是說但凡大的東西人眼就一定都看得清楚，就象有個相聲小段里說的那樣：

”遠看象頭驢，近看不是驢。走到跟前一看一死驢。”當然，這里面有藝術(shù)加工的成份，確實

有些夸張。

"分割”是一種非常粗暴的行為，常常帶有破壞性。當你分割一頭牛后，它再也不能噴著

響鼻站在牛圈里吃草，也不能下地干活，只能拿到熙熙攘攘的市場上任人挑選，最后可能會

變成你今天中午吃的一碗牛肉面。與分割不同，遠在古代就有人通過觀察發(fā)現(xiàn)很多物質(zhì)自然

就能分解成細微的組成部分。比如空氣，盡管看不見，但是它能飛沙走石，也能在我們的身

體里進進出出，讓我們活著感覺到它必定是以非常微小的顆粒組成。再比如糖塊，平時它是

固體，硬硬的，即便是碾成粉末，那也是看得見的小顆粒。但如果將它丟進水里，它就會消

失得無影無蹤。當水蒸發(fā)掉之后，又變成了可以用手捏起來的糖（真是奇怪，連味道都沒變）。

這意味著，象類似于糖這樣的東西應(yīng)該是由非常細小的微粒組成的，這些微粒太小，人的眼

睛看不見。

事實上，不僅僅是空氣和糖，世界上所有的東西都是由肉眼看不見的微粒組成的，包括

你自己和你現(xiàn)在正在看的這本書。再重申一次，"組成''和"分割''是不同的，"組成''意味著某

種東西是由另外一些東西相互結(jié)合在一起形成的，就好比一支鉛筆，它是山鉛筆芯、圓木組

成，它們都能單獨存在，并有各自的用處。

那么，組成所有物質(zhì)的最小微粒究竟是什么呢？不同的人有不同的回答，下面就是一些

答案：

父親：噢？好小子，你居然想到了這個問題.....去問你的老師吧！

母親：我已經(jīng)夠忙的了，你能不能去干點別的？

同事：大哥，你是不是小學(xué)沒畢業(yè)??？！

我的女兒：zzzzzzzzzzzzzzzzzdgvvn8jfggggggggggNMFV（我一歲半的女兒顯然希望

通過電腦鍵盤用長篇大論來發(fā)表她的觀點，但是我只保留了第一行，因為我覺得這一行對于

闡明她的理論來說已經(jīng)足夠充分了）

物理老師：物質(zhì)都是由原子組成的。物質(zhì)不同，組成它的原子也不同。

這難道就是結(jié)論嗎？

不要去責(zé)怪你的父母，畢竟，他們能夠把你養(yǎng)這么大，讓你學(xué)知識靠的可不是這個。

在古代沒有原子的概念，但只要思想是一樣的,采用什么表達方式和什么術(shù)語都無所謂。

在國內(nèi)，這種思想可以追溯到春秋戰(zhàn)國時代；而在西方，第一個具有這種思想的人則是古希

臘的德漠克里特。

德謨克里特絕對是一個偉大的人。但是，哎呀，但凡偉大的人都很奇怪。這個敗家的人

游歷過很多地方，為的是增長見識，開闊視野（而他的確見多識廣，生性樂觀豁達）。他到過

的地方很多，甚至遠到埃及、印度等等這些地方他都去過，就這樣花光了祖上留給他的大量

財產(chǎn)，活生生地證明了"知識就等于金錢”這句話果然不假，千真萬確。

德謨克里特活著的時候距離我們現(xiàn)在足足有兩千多年。那個時代好象沒有什么好發(fā)明的,

偉大的人通常都以偉大的思想見長。他研究過很多東西，包括數(shù)學(xué)、動物解剖、社會倫理、

政治和教育等等，也寫過不少作品，但遺憾的是大都失傳了。他的很多思想（比如關(guān)于原子

的思想）對后世產(chǎn)生了很大影響，連馬克思都稱贊他是"有經(jīng)驗的自然科學(xué)家和希臘人中第一

個百科全書式的學(xué)者但是我想馬克思決不會稱贊他在如何對待女性方面的言論，老實說,

他在這方面的觀點實在很成問題：

女人不應(yīng)該動口舌，因為這是很危險的。

接受一個女人的命令，對一個男人來說是最大的侮辱。

在當時，男人們無疑會張開雙臂歡迎和支持這樣的觀點，而女人們好象也不太敢吭聲。

要擱現(xiàn)在，他的頭肯定會被憤怒的女性朋友們打得起包。

在他關(guān)于原子的思想里,整個世界只有兩樣?xùn)|西:原子和除了原子之外的”什么也沒有”,

也就是所謂的"虛空”。原子是不可再分的，它組成了五顏六色、形態(tài)各異的世間萬物，而且

它們都待在虛空里。

注意，這基本上符合我們的直覺，因為你的目光所及之處，差不多就是他所說的“有”

和"沒有”。尤其可貴的是，他還意識到原子在數(shù)量上是無限多的，萬物之所以各不相同，是

因為組成它們的原子在數(shù)量、形態(tài)和排列方式上存在著差異。德謨克里特關(guān)于原子的思想在

很大程度上是錯誤的，但是，哎呀，他生活在什么時代，再看看你自己又生活在什么時代，

特別是你還能知道他、記住他，這很能說明問題。

顯然，用原子的眼光來看待周圍的生活是很奇特的：我們都由原子組成，放眼望去，哪

里都是原子。人們吃原子、喝原子、享受原子，甚至有些不文明的人在公共場所隨地吐原子

―當然，這實際上是由數(shù)不清的原子形成的特殊物質(zhì)，也就是我們平時稱之為"痰”的東西。

但是，你大可不必驚恐到這樣的程度：連吃東西的時候都不敢用力嚼，生怕原子們被你咬疼。

事實上，無論你怎樣粗暴地對待它們都沒有關(guān)系，因為它們沒有生命。

德謨克里特之所以非常有名氣,很大一部分原因是他那樸素的原子思想和現(xiàn)代的科學(xué)發(fā)

現(xiàn)比較接近。但是在他活著的時候，大部分人對他的說法持懷疑態(tài)度。不過這還算好的，要

說糟的，那就是他也擁有很多敵人，這些人反對他的說法，覺得這完全是胡說八道。用他們

的話說，德謨克里特是一個瘋子，出生于"盛產(chǎn)白癡的阿布德拉①"。真正完整意義上的、科

學(xué)的原子理論，是在18世紀的時候由一個名叫道爾頓的人來完成的。

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0223:32:24

注：①阿布德拉是位于希臘北部的一個城市。

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0223:33:43

道爾頓的故鄉(xiāng)在英國，他1766年出生于一個清貧的織布工家庭，惟一的優(yōu)勢就是一用

一些傳記作家的話來說一從小就聰明過人，12歲的小小年紀就當上了當?shù)匾凰W(xué)的校長。

不過同時作家也不無疑惑地寫道：”這也許說明了道爾頓的早熟，也說明了那所學(xué)校的狀況,

也許什么也說明不了?！?/p>

道爾頓患有色盲癥一也就是不能象正常人那樣分辨顏色的疾病，比如會將紅色看成黑色。

他是當時基督教新教的一個派別一貴格會的教徒，每次去做祈禱的時候都穿著色彩鮮亮的紅

色長袍，作為一名保守、穩(wěn)重的貴格會成員，這是極不恰當?shù)摹５罓栴D不是精神病，所以他

意識到自己在色彩分辨上存在問題。

這種毛病不會要人的命，但卻讓人覺得煩惱。想想看，如果有一天你在廚房里一不小心

把手指當成豆角給切個小口子，而你恰好又不知道自己患了色盲癥，在發(fā)現(xiàn)自己的血液竟然

顏色發(fā)黑的時候，你該是多么地驚恐啊。盡管極少有人知道，但是色盲癥事實上還有另一個

名稱：道爾頓癥。這是因為道爾頓自己就是個色盲，一般來說，人類總是傾向于熱心研究發(fā)

生在自己身上的各種怪異之事，于是他就這么干了，而且是第一個研究色盲的人。

1808年，道爾頓寫了一本叫做《化學(xué)哲學(xué)的新體系》的書，這本書足足有900多頁，

終于使他出了名。在這本書的前頭，說明了差不多是現(xiàn)代概念上的原子。沒有人能創(chuàng)造原子，

它一直就存在著，從世界開始的那一天。”創(chuàng)造或者毀滅一個氫原子，"他寫道，”也許就象向

太陽系引進一顆新的行星或毀滅一顆業(yè)已存在的行星那樣不可能。”

在我們身邊有著數(shù)不清的東西一簡直是數(shù)不清，大小不同、形狀各異、黑白分明；有的

賞心悅目，有的面目可憎；沁人心脾的很多，臭氣熏天的也不少。別的不說，光是整個地球

上有多少種動植物，也從來沒有哪一個人能說得清。很顯然，這個五彩繽紛的大千世界是不

可能只用同一種類型的原子組成的。在這一點上，但凡知道原子論，并稍具常識的人都能夠

想到。不過道爾頓的卓越之處在于他研究了這些不同類型原子之間的相對大小以及它們各自

的性質(zhì)（盡管在他那個時代，已經(jīng)知道的原子類型還很少），以及它們之間相互結(jié)合的方法。

比如，他當時就認為我們平時喝的水（無論是一碗還是一滴）是由氫原子和氧原子按1：7

的比例組成的。他的觀點當然并不十分準確，因為我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，這個比例實際上是1：

2。

道爾頓為人低調(diào)，想要遠離一切榮譽，但還是違心地捧回一大堆獎?wù)?，成了皇家學(xué)會的

會員，拿了一筆數(shù)目可觀的政府退休金，人們尊敬地稱他為"現(xiàn)代原子理論之父”。為了讓后

生們多掌握一些科學(xué)知識，學(xué)校里在考試的時候會出一些填空題,而他的名字就是標準答案。

不過在這些耀眼的光環(huán)背后也不乏批評的聲音，說他弄虛作假。在《背叛真理的人們》這本

書里，作者毫不客氣地寫道:"他發(fā)現(xiàn)了許多化合反應(yīng)的規(guī)律，并證明了不同類型原子的存在，

但他發(fā)表的漂亮結(jié)果，現(xiàn)在的化學(xué)家沒有一個人能夠重復(fù)做出?！币苍S這也充分說明了在這世

界上，最復(fù)雜、最能集矛盾于一身的要算是人類自己了。

在道爾頓提出原子理論之后的一個世紀里，它依然是一種假說，因為還沒有足夠的實

驗和證據(jù)來支持這種理論，甚至有一些杰出的科學(xué)家還懷疑原子是不是真的存在，他們聲稱

決不會贊同原子理論，除非”親眼看到它"。在此期間，也就是19世紀的后幾年，不同觀點的

雙方甚至進行過聲勢浩大的論戰(zhàn)，好在只是爭論得很激烈，沒有使用牙齒、木棍和磚頭瓦塊。

但是在進入20世紀之后，形勢發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，突然在一夜之間，原子理論變得合情合

理而又無比親切。這完全得益于一大群科學(xué)家和他們的杰出工作，我很容易就能點出他們中

的幾個人來：愛因斯坦、盧瑟福和湯姆遜，有的你還相當熟悉。

原子不是靠你用小刀就能分割出來的，從世界存在的那個時候它就存在了。從人性的角

度上，你現(xiàn)在最想知道的可能就是，原子到底有多大？

答案是大約等于一毫米的一千萬分之一。要想在頭腦中對此有個概念，你可以試著將一-

毫米放大，?直放大到差不多等于筆直修一條從東到西橫貫中國的公路。這時、一個原子的

直徑差不多就等于在這條公路上行駛的汽車的輪子。

盡管在原子是否存在的問題上所有人都達成了一致，但原子始終還是沒辦法看見。人們

承認它，只是因為有越來越多的實驗表明它肯定是存在的。一開始，人們覺得原子有可能是

方的，象砌墻用的磚。這聽起來似乎有些道理，因為它能很好地解釋為什么象金屬和鉆石這

樣的東西竟然有那么高的硬度。然而更多的科學(xué)家則傾向于認為它更象一個實心球一一個密

度很大的固體。

時間過得可真快，到20世紀初，人們就已經(jīng)普遍知道原子并不是個實心球，它實際上

還具有更小的組成部分。原子內(nèi)部絕大部分都是空的，在它的中央有一個非常微小的核心，

由數(shù)量不等的質(zhì)子和中子聚集在一起組成，稱為原子核。在原子核的外面，是圍繞著它的核

外電子，簡稱電子。如圖1.1所示。

作者:sholber回復(fù)日期：2009-02-0223:34:49

圖1.1

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0223:37:57

說實在的，對于原子內(nèi)部的世界是什么樣子，大多數(shù)時間我們只能依靠想象，這的確是

一件遺憾的事情。但是就算你能觀察到它，那也會覺得它其實沒什么意思、：它很空曠，盡管

它有一個原子核和一些核外電子，但這些東西相對于原子內(nèi)部的巨大空間來說實在是太微不

足道了。那里基本上沒有什么東西，沒有餐館、沒有網(wǎng)吧，更沒有足球比賽和花果山水簾洞

（所以就連孫悟空也可能不愿去，雖然依他的神通來說，到這樣的地方應(yīng)該沒問題）。你所能

看到的，也許只是電子在離你非常遙遠的地方呼嘯而過一如果那里有風(fēng)的話。不過那里當然

沒有風(fēng)，也不可能有空氣，因為在我們的現(xiàn)實生活中，空氣和風(fēng)實際上也是由原子組成的，

而你此時此刻正在原子內(nèi)部逗留訪問。

按照傳統(tǒng)的說法,核外電子們出沒的地點不是隨意的一至少不完全是。按照傳統(tǒng)的觀點，

它們都沿著各自的軌道圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。軌道是一條看不見的路線，就象從長春到北京的飛

機每次都要飛過的路線一樣，盡管你看不見，但是它確實就在那里，就在你的頭頂上，這就

是軌道。在原子里，電子的軌道是圓形的，以原子核為圓心。

我們知道，原子有很多種，光是你現(xiàn)在看的這本書，它所使用的原子起碼就有10來種。

看起來這并不算多，要是我告訴你迄今為止人類只發(fā)現(xiàn)了百十來種原子的話，你可能會更驚

訝一要組成這個五彩繽紛的大千世界，原子們真是太能干了。關(guān)于原子們能確切地分為多少

種，在這個問題上還一直存在爭議。在這百十來種里，天然存在的有九十多種，其它的都是

在實驗室里人工制造的，而且存在的時間極其短暫，有的不超過千分之一秒，以致于有人甚

至懷疑它們是不是真的存在過。總之，科學(xué)家們廢寢忘食地工作，到目前為止也就發(fā)現(xiàn)了這

么多。至于還有沒有，現(xiàn)在還不知道，誰也不敢說。

要想知道物理學(xué)家和化學(xué)家們都是依據(jù)什么來給原子們分類，就得了解原子自身的內(nèi)部

結(jié)構(gòu)。對于所有的原子來說，不管它們相互結(jié)合起來能形成什么，是木頭、糖果、大白菜還

是蒼蠅，它們在微觀上的結(jié)構(gòu)都是一樣的，都是由質(zhì)子、中子和電子共同組成。

既然如此，你可能有理由相信各種原子之間之所以彼此不同，是因為構(gòu)成它們的電子、

質(zhì)子和中子在某些方面一比如大小一存在著差異，就象我們?nèi)祟悾M管都是“人"，但是有高

有矮，有胖有瘦，特別是在脾氣秉性方面簡直是千差萬別.很不幸，這是非常錯誤的認識。

事實上，所有的電子都是一模一樣的，而所有的質(zhì)子和中子也一樣，不管它們在什么地方，

屬于哪個原子。

通常，一個原子不同于另一個原子的原因是它們原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)不同。比如，組成氫

氣的氫原子只有一個質(zhì)子，是所有原子中最簡單的;組成鐵絲或鐵塊的鐵原子卻有56個質(zhì)子。

前面已經(jīng)說過，目前已知的原子種類有一百多種，這就意味著，就最復(fù)雜的原子來說，其質(zhì)

子數(shù)有一百多個。

原子的另外一個特點是，在單個原子內(nèi)部，質(zhì)子和核外電子在數(shù)量上相等，性質(zhì)相反。

用物理學(xué)上的話說，“電子帶負電荷，質(zhì)子帶正電荷“。聽起來好象是在說電子和質(zhì)子的外表

還有一層叫做"電荷”的皮，但實際上不是這樣，真正的意思是，電子和質(zhì)子具有兩種截然相

反的性質(zhì)，大體上可以認為電子是"男''的，而質(zhì)子是"女”的，或者反過來?！半姾?不是一種

東西，只是種屬性。它只是一個名詞，也許物理學(xué)家們真正想說的是“電子是男的，質(zhì)子是

女的

電荷不是〃帶”上的，它們是電子和質(zhì)子生與俱來的屬性，我們這樣說，是因為在很早以

前，那些偉大的探索者一時糊涂說了這樣的話，而后來的人一直照搬不誤。記住，不要再問

為什么電子帶負電荷而質(zhì)子帶正電荷,就好比你不能問為什么張三是男人而李四是女人一樣。

電子和質(zhì)子性質(zhì)相反的事實決定了它們之間是彼此吸弓I的，電子就這樣在引力的作用下

圍繞著原子核忙碌著。正是在這種情況下，電子和原子核保持引力均衡狀態(tài)，這時候的原子

是最適合、最完美和最穩(wěn)定的。

不同的原子具有不同的性質(zhì)和特點。用一本科普書上的話說，“質(zhì)子數(shù)決定了原子的身

份，電子數(shù)則決定了原子性情。”但是由于我們一般接觸不到單個的原子，所以也就無法確切

地感受到這一點。

我們?nèi)祟愓J識事物的方式真是奇特，以致于當說到原子，尤其是意識到原子可能象大多

數(shù)水果一樣是個圓球的時候，我們會很自然地問：原子有皮嗎？如果它沒有皮或者殼的話，

你怎么能知道它是那個樣子？

原子當然一令人非常失望地一沒有皮。我們知道，原子是由核外電子包裹著，而電子們

則總是待在自己的軌道里，所以原子的外層邊界只能是離原子核最遠的那個軌道所在的位置。

我們知道，同性相斥、異性相吸，由于電子們都有著相同的屬性，所以不可避免地會互相排

斥一這也是一種力。這樣，當你坐在椅子上的時候，你實際上是"浮''在椅子的表面上，你的

原子和椅子的原子并沒有真正接觸，它們的電子由于互相排斥而使你和卜面的椅子保持著千

萬分之一毫米的距離。同樣，當兩個物體互相撞擊時，它們并不是真正地撞在一起，而是核

外電子們在很短的時間里猛烈地互相排斥。

本來原子就已經(jīng)令人覺得不可思議地小了，但是原子核更小。小到什么程度？哎呀，正

是因為太小，我們不太知道，但大致可以比劃一下：如果你家里的空間是整個原子的話，原

子核的位置和大小就相當于在你家的正中央放一只跳蚤。

原子是有分量的。不管它事實上有多小，好歹比什么也沒有強一至少它還有那么一丁點

兒東西。但是原子內(nèi)部是那樣空，以致于物理學(xué)家們最后得出結(jié)論說，原子的分量幾乎全部

集中在原子核上,原子的分量幾乎就是原子核的分量。這是什么意思？一根縫衣針不是很重，

因為它很細小。請想象一下，在微觀上它卻非常空洞和疏松一簡直是令人吃驚地空蕩蕩。幾

十億個鐵原子手拉手組成了它，而原子們的內(nèi)部絕大部分都是空的，原子核非常不起眼地位

于原子的中央。在這種情況下，你簡直無法想象它原本上是這個世界上為數(shù)不多的比較堅硬

的物質(zhì)之一（至少比手堅硬。如果你用手去"扎”它，你的手會流血，而它不會）。由于這根針

的重量不是來自于這些占據(jù)了絕大部分空間的空洞，而是來自于隱藏在這些空洞深處的、當

然是更加微小的原子核。按照這種結(jié)論，如果能夠把原子核從原子里面用手扣出來，直接用

這些核來制造一根縫衣針的話，可能誰也拿不動它，它的重量會超乎你的想象（另一種可能

是，誰也無法想象）。

說到這里，我們離真正要講解的主題已經(jīng)很遠了?？茖W(xué)家們是最不知道滿足的人，按理

說自從發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部的秘密之后，大家都可以松一口氣，但是他們又把眼光放在比電子、

質(zhì)子和中子更小、更費眼的物質(zhì)上了。為了這個，他們可以推遲結(jié)婚、取消蜜月，點燈熬夜

更不在話下（當然為了爭名份而吵吵鬧鬧甚至對簿公堂的事情也是有的，科學(xué)家畢竟也是普

通人）。其結(jié)果是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子還可以接著劃分成更小的物質(zhì)，它們都有奇怪的名字，想要

記住都很困難，更不用說當初為它們起名字也必定費了不少心思。比如TT介子、口介子、超

子、K介子、介子、中間矢量玻色子、超光速粒子、希格斯玻色子、重子等等，最重要的是，

這遠遠不是全部。這就象你打開了一個盒子，發(fā)現(xiàn)里面還有一個盒子，這樣不停地打開，里

面總是有更小的盒子，再也沒有比這更令人沮喪的事情了。為了不讓大家精神崩潰，我們最

好還是說點別的。就象美國前總統(tǒng)艾森豪威爾所說的那樣：“我們已經(jīng)揍死了這匹馬，現(xiàn)在,

讓我們換一匹吧！"

作者：臉羞的紅通通回復(fù)日期：2009-02-0300:55:01

Mark

作者：華夏娃娃魚回復(fù)日期：2009-2-31:04:22

此消息發(fā)自掌中天涯wap.tianya.cn

作者：我愛絲襪.2005回復(fù)II期：2009-02-0303:01:21

前面的理論都懂,麻煩樓主快點進入到正題去啊.

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0307:41:04

基礎(chǔ)電學(xué)方面的內(nèi)容比較長，主要是為了照顧十多歲的學(xué)弟學(xué)妹。大家將就將就吧啊？

作者：cczxOOl回復(fù)H期：2009-02-0308:35:08

關(guān)注中

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0318:09:59

1.3導(dǎo)電之謎

到現(xiàn)在為止我們已經(jīng)用了大量的篇幅來披露原子的內(nèi)幕，希望人類不會因為好奇心的驅(qū)

使前去參觀而帶來環(huán)保問題。說實在的，我們已經(jīng)離題太遠了，在這一節(jié)里，我想從另外一

個角度重新探討一下導(dǎo)體和絕緣體。

研究原子是單調(diào)和枯燥的工作，甚至有些無聊，所以我們通常把這項工作推給物理學(xué)家

和化學(xué)家們，自己則跑去打麻將、喝茶、看電視、釣魚或者到演唱會現(xiàn)場給歌星們助興。我

們不喜歡原子，但是卻喜歡原子組成的大西瓜、大米飯、炸小黃花魚、垃圾食品（我們大家

心里跟明鏡似的，卻管不住自己的嘴）和汽車?？吹贸鲞@絕對是一種細活兒，大自然是怎么

做到的呢？

沒有用來把原子們粘在一起的膠水，在原子一級的微觀世界里是沒有膠的。非常明顯,

同時也是非常關(guān)鍵的是，如果沒有辦法把原子們結(jié)合到一起，它們就只能象沙子一樣什么也

形成不了，永遠都只能是一盤散沙。不過，作為也是由原子組成的你，既然能夠有機會在這

里探討這個問題，說明大自然早就找到了解決的辦法。

奧秘就在于要形成物質(zhì)，原子們靠的是相互之間共用它們最外層軌道上的電子。在物質(zhì)

里，原子們密密麻麻地擠在一起，一個原子會有一個以上的鄰居，而它的鄰居們也一樣擁有

別的鄰居。當共用發(fā)生的時候，每個原子外層的電子會定期到別的原子那里呆一會兒。這有

點兒象兩個無聊的鄰居，今天你住我家，我住你家，明天再換回來，就這樣不停地折騰，也

不知道為什么。由于電子和原子核之間有引力作用，所以當電子在原子之間共用時，電子充

當了原子之間的黏合劑。

在原子那里，它們之間的粘合劑是它們各自最外層的電子，具體方式就是電子共用。共

用通常只發(fā)生在相鄰的原子之間，但這也不可能是隨隨便便就可以的，對于"鄰居”的數(shù)量和

類型，這取決于原子自身的性質(zhì)。在生活中，你也不是和所有人都能稱兄道弟。俗話說〃人以

類聚、物以群分"，就是這個道理。

從大的、看得見的宏觀層面上來說，物質(zhì)分為兩大類型。第一種類型的物質(zhì)，它們的共

同特點是由同一種原子結(jié)合而成。比如金、銀、銅、鐵、錫、鋁和鈉等等，它們都是分別由

相應(yīng)的金、銀、銅、鐵、錫、鋁和鈉原子組成的。從現(xiàn)在開始起，當你神氣活現(xiàn)地把金戒指

戴在手上的時候，別忘了正是因為有不可勝數(shù)的金原子愿意手拉手聚在一起，所以才形成了

這種黃燦燦的東西。

第二種類型的物質(zhì)其組成方式較第一種類型復(fù)雜，但在生活中更常見，包括所有的動植

物、食品、紙張、化工原料等等，包括你自己軀體上的每一個組成部分。我們平時喝的水，

它是無色透明的，也沒有難聞的怪味兒（如果不是這樣，而你又喝了它，隨后所發(fā)生的一切

我們稱之為壞肚子）。但是你有可能不知道的是，這種你天生就離不開的東西卻是由兩種表面

上看起來極不相干的元素組合而成的：氫和氧。氫和氧平時是氣體，它們分別由氫原子和氧

原子組成的。特別是氧氣，你根本就離不開它，為了依靠它活命，你說話和唱歌的時候必須

換換氣兒，即使是在睡著的時候，你那令人不爽的鼾聲表明它依舊在你的身體里進進出出。

但是當氫氣和氧氣混合起來燃燒的時候，氫原子和氧原子就會通過共用電子形成水。再比如

我們平時吃的鹽，你簡直想不到它居然是由兩種極其危險的物質(zhì)組成的，即鈉和氯，所以食

鹽在化學(xué)上又稱為氯化鈉。鈉是?種金屬，呈銀白色，可以導(dǎo)電。奇怪的是同樣是金屬，它

卻非常軟，可以用小刀切成片。最麻煩的是它對于我們生活的環(huán)境非常恐懼（我們呼吸的空

氣中有2設(shè)是氧氣，它很容易就能與鈉打起來生成?塊氧化鈉的東西），所以只好將它放在煤

油里一也只能呆在這里，要是你把它丟進水里，那可就太危險了，它會在水面上打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，并"

噬喳”地使勁兒叫喚一很象有種燃放之后會在地上打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的那種煙花發(fā)出的聲音一總之簡直

讓人不知所措，如果更嚴重的話，還會爆炸，給你整整容。而氯氣呢，則是有毒的氣體，2004

年發(fā)生在重慶市的氯氣泄漏事件就證明了這一點。那次幸虧群眾疏散及時，才沒有造成重大

損失?？傊绻愠粤艘粔K鈉，或者吸入了過量的氯氣，通常的結(jié)局只能是伸腿瞪眼、四

腳朝天、嗚呼哀哉。有句話叫"吃飽了罵廚子“，但是你瞧，如果飯菜里不放鹽，情況也好不

到哪兒去。

原子之間通過共用電子來形成各種各樣的物質(zhì)并不是一件輕而易舉、稀松平常的事兒。

如果不是這樣的話，你穿的衣服就會長在皮膚匕形成一種新的、更古怪的皮膚來；當你想

從椅子上站起來的時候，你會發(fā)現(xiàn)椅子已經(jīng)長在屁股上，成了你身體的一部分一總之，整個

世界會慢慢地融合到一起，從而徹底變了個樣兒。好在這種事情沒有發(fā)生，我們據(jù)此也知道

原子們的脾氣著實古怪。不同的元素，其原子最外層的電子數(shù)不同，離原子核的遠近也不同，

這使得它們都有著各自不同的性格特征。它喜歡什么樣的伙伴、能與它的伙伴結(jié)成哪種形式

的關(guān)系，都是不同的。有時候，伙伴關(guān)系平平常常就形成了，有的時候則需要很高的溫度，

或者很高的氣壓?？傊?，它們是什么樣，意味著它們想要那樣，那樣對它們來說最適宜。大

自然既精密又嚴謹，當我把一只蚊子拍死在大腿上，然后用手捻成小泥灰之后，過不多久它

們就又變成了其它不知道是什么東西里的原子，反正不再是蚊子腿和蚊子眼，

說到這里，哎呀，你看，我們又跑題了，這幸虧不是在開會。研究原子們到底是如何形

成物質(zhì)，這是化學(xué)家們的工作，而不是本書的。在這本書的讀者當中，差不多每個人都在學(xué)

生時代的化學(xué)課里學(xué)習(xí)過這些知識。所以我想現(xiàn)在又到了該換一匹馬的時候了。

1897年，當湯姆遜（1856T940）發(fā)現(xiàn)電子的時候，不知道他當時腦子里會想到什么。

這可是個驚人的發(fā)現(xiàn)，說"驚人”一點也不為過，因為突然間，所有你能看見的東西，包括所

有你能感覺到的東西，甚至你自己，居然都充滿了電子，毫不夸張地說，完全是山電子構(gòu)成

的，因為原子里有很多電子，而所有東西都是由原子組成的。

我想湯姆遜不可能無動于衷（畢竟這個是偉大的發(fā)現(xiàn)），但也不大可能會突然變得驚惶失

措。因為他當然清楚地知道，盡管有這么多的電子，但卻根本不會要他的命。

正常情況下，電子不會無緣無故從原子里跑出來，因為原子是很穩(wěn)定的。就算是你希望

它跑出來，那也不是很容易，因為原子核會阻止它這么做。就象一位遛狗的人所說的，"你得

把它牽牢了，不然的話，它就會掙脫鏈子出去咬人。”

我們知道，物質(zhì)都是由原子之間通過共用最外層電子手拉手形成的。對于大多數(shù)物質(zhì)來

說，除非災(zāi)難降臨，否則的話電子的共用總是只在相鄰的原子之間進行。在這種情況下，電

子從一個地方到另一個很遠的地方去串門兒是非常困難的，這就是我們通常所說的絕緣體。

與絕緣體相反，在導(dǎo)體里，通常用于共用的電子都不太安份，在自己的崗位上呆一會兒

就感到膩味得慌，于是就溜了號。如果別的地方正好有個職位空缺（當然是另一個不安份的

家伙剛剛留下的），他就迫不及待地奔赴過去。在這些物質(zhì)里，幾乎充滿了這樣可恥的、不負

責(zé)任的家伙，可以想象，這些物質(zhì)里會亂成啥樣。

在經(jīng)典物理學(xué)里，外交官和交際花的真正名字叫自由電子。它們的存在，是導(dǎo)體能夠?qū)?/p>

電的根本原因。換句話說，當你用墻上插座里的電子來推動導(dǎo)體里的自由電子朝著i個方向

前進時，"導(dǎo)電"這個過程就發(fā)生了。

作者：自己打自己嘴巴回復(fù)日期：2009-02-0318:14:57

記號,收藏,學(xué)習(xí)

作者:sholber回復(fù)日期:2009-02-0319:33:31

：）

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0320:15:42

1.4電流、電壓和電源

在金屬導(dǎo)體里，當電子們象馬路上的汽車一樣，朝著同一個方向持續(xù)不斷地前進時，就

形成了所謂的"電流”。電流的速度很快，快到什么程度？哎呀，我想大家都已經(jīng)聽說過：每

秒鐘30萬公里，和光速一樣。如果從地球到月亮之間有一根電線的話，電流從一頭到達另一

頭也就是一眨眼的工夫。看起來電子的運動速度還是蠻快的，能夠迅速地從電線的一頭跳到

電線的另一頭，不管它有多長。

不要犯傻，這可不是電子的移動速度。從這頭到30萬公里之外的另一頭，電子的跳躍

速度比孫悟空翻筋斗還快，這讓人覺得很不可思議，更何況自由電子名義上很"自由"，但畢

竟還受原子核的約束，而且它是在原子的從林中前進，難免還要磕磕碰碰。

從中學(xué)的物理課本上我們知道，電子的移動速度其實很慢，一般每秒鐘移動的距離不到

1毫米，比毛毛蟲和蝸牛都慢。但是，當導(dǎo)體兩端的電子同時開始移動時（就象正在行軍的

士兵們），我們覺得好象電子真的在一瞬間從一頭到達了另一頭。

感覺到電流的速度是"一瞬間"，或者認為它快到不需要用"速度”來衡量，這只是我們?nèi)?/p>

類的一種普遍的錯覺，因為我們無法制造出一根長到讓電流顯得很慢的電線。如果真有一根

象從地球到太陽之間的距離那么長的電線，那么當你在地球上接通電源，差不多要在8分鐘

之后，太陽那一端的燈泡才能亮起來。

電流不是自發(fā)形成的。一根隨隨便便扔在墻角的電線，它里面是不會有電流的，要形成

電流，據(jù)我們所知，最簡單的方法就是找一節(jié)電池、一個小燈泡以及一根電線并把它們按下

圖所示的那樣連接起來。

圖1.2

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0320:17:23

這是三種差不多人人都認識的東西，所以我就用不著在這里為大家講解它們的用途了。

按照圖中所示，把小燈泡的一端用電線連到電池的負極，然后將它的另一端放在電池的正極

上，小燈泡就會發(fā)光，除非你找的這三樣?xùn)|西都不是什么好東西。

除了這個實驗之外我們還知道，所有的電器只有在接通墻上的插座之后才能工作。這意

味著一而且看上去的確很象一電池或者發(fā)電廠里始終會制造電子，而且會源源不斷地把這個

造出來的電子送出去。在燈泡或者其它用電的東西那里，電子被吃掉、被消耗，也許是消失

了，總之變成了光、熱、使輪子旋轉(zhuǎn)的動力，等等。

這是真的嗎？

科學(xué)家們不喜歡這個答案。他們的評論肯定既干脆又發(fā)人深?。骸焙f八道?！彪姴皇菓{

空來的，在神仙那里，說聲"變"就能得到原本不存在的寶貝，但那種境界你作夢都別想擁有。

按物理學(xué)家們的話說，”物質(zhì)是不滅的，既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失”。這并不是說，

你可以在不高興的時候把公司的財務(wù)報表給燒了。盡管燒完之后物質(zhì)總量沒有變一只不過化

成了等量的灰和氣體，但是你再也無法從灰和氣體上看到這個季度公司掙了多少錢，就為這

個，你的老板決不會原諒你。

最符合我們主觀愿望的辦法就是找一個大的瓶子，將大量的電子灌進去，然后用一根電

線插到瓶子里，電線的另一頭則通到千家萬戶。這有點兒象液化氣站，在那里貯存了大量的

液化氣，當要做飯時，只需要?開閥門，液化氣就來了。

真是個好主意，可是到哪里去找這么多電子呢？要知道，這可不是個小數(shù)目，而且，電

子們可不是螢火蟲兒，能夠隨隨便便說逮就逮。這事兒從來沒有人能辦到，永遠也辦不成，”

直到蝦學(xué)會吹口哨，或者沒有鏡子能看到自己的耳朵?！雹?/p>

注①這句話是前蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人赫魯嘵夫說的。有一件事可以讓你很快記住他：在二十世紀

六十年代的第十五屆聯(lián)合國大會上，為了表示對發(fā)言者的不滿，他竟脫下皮鞋"咚咚”地敲打

面前的桌子。

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0320:18:34

電流有大有小，或者換種說法一有強有弱，取決于導(dǎo)體中有多少電子參與這種換窩行動。

但是，如果沒有我們通常所說的“發(fā)電”，它們也流動不起來。

說到"發(fā)電”的原理，我們以后還會在其它章節(jié)里講到?，F(xiàn)在可以借助于圖L3來說明一

下它的實質(zhì)。這是我們很熟悉的裝置，用一節(jié)電池讓燈泡發(fā)光。當這個裝置開始工作，燈泡

開始發(fā)光時，電池的作用就象是內(nèi)部安了一個電泵，就象水泵一樣，它促使整個線路中的電

子象水流一樣不停地循環(huán)流動。我們用圖中的小白點來代表電子。

圖1.3

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0320:21:42

很清楚，電子不是憑空產(chǎn)生的，而“發(fā)電〃也不是勞動人民在制造電子，說到底，是讓導(dǎo)

體中原有的電子循環(huán)流動。有幾種方法可以讓電子們運動起來形成電流。第一種方法用于大

型發(fā)電廠，比如大江大河上的水電站（這樣的水電站還是很多的，比如三峽水電站、葛洲壩

水電站、丹江口水電站，等等），在那些地方，工程師們想辦法借助于水流的力量來驅(qū)趕電子

們，讓它們循環(huán)往復(fù)地流動，這種方法參與的電子多，電流也很強大。相比之下，我們平時

所用的電池就屬于無能之輩了。

在原子的層面上，我們知道，這段電線內(nèi)部的原子是極大量的、數(shù)不清的。當"電泵”

開始工作時，它的任務(wù)是從電線一邊的原子那里奪走自由電子，并將它們送給電線另一邊的

原子們。這樣，失去電子的原子很著急，而得到電子的原子也不會因為自己的電子多了而高

興，它們都急切地想要找回電子或者扔掉包袱而重新達到穩(wěn)定狀態(tài)。在這種情況下，用物理

學(xué)家們的話說，"電壓產(chǎn)生了?！?/p>

電壓是一種吸引力，是由于失去電子和希望重新得到電子而引起的。這是比較抽象的概

念，通常只有遠離家門的游子和慈愛的父母才有可能理解。當然，也可以把它想象成一種壓

力，當把一桶水拎到高處時，它就具備了流動的可能性。

電壓的存在是導(dǎo)致電流產(chǎn)生的原因。在上圖中，由于整個電路是處處連通的（燈泡其實

也只是一段能發(fā)光的導(dǎo)線），所以在"電泵”的作用下，電子們在整個電路中循環(huán)流動。一個原

子被迫丟掉電子后，它馬上又從別處得到電子，然后不斷地重復(fù)這個過程，除非"電泵”停止

工作。換句話說，除非電壓不復(fù)存在。

象大型發(fā)電廠里的“電泵”一樣，能夠產(chǎn)生電壓的裝置稱為電源。如果要嚴格一些來說的

話，電源的作用是產(chǎn)生持續(xù)的電壓和電流。如果你的視力沒有問題的話，我認為你應(yīng)當注意

到“持續(xù)"二字，這是很重要的，否則當你在月黑風(fēng)高的夜晚趕路時，你的手電筒只亮了一下

就沒有電了，而恰巧離你不遠的前面有個大坑，到那個時候你再意識到"持續(xù)"二字的重要性，

恐怕就來不及了。

另一種電源是電池。這是我們都很熟悉的東西，它和前面所講的發(fā)電原理基本一樣，但

稍有不同。電池當然非常重要，它使得你可以在任何遠離大型發(fā)電站的地方輕便地使用電能

來提供照明、發(fā)動汽車引擎或者興高采烈地接打手機或者聽MP3音樂。同樣，也正是因為有

了它，一些摩托車才有機會放著震耳欲聾的音響，在城市里一路招搖，好不煩人。在中學(xué)的

化學(xué)課里，電池的原理已經(jīng)說得很清楚了.

為了不讓那些復(fù)雜的化學(xué)方程式把本書和你的大腦搞亂，這些東西和本書已經(jīng)沒有關(guān)系

了。最主要的是，電池?zé)o論如何也不能制造電子，它只是把電子從電池的一端搬到另一端而

已。

根據(jù)我們從II常生活中得到的經(jīng)驗，電池有兩個極：正極和負極。從第一次知道世界上

有電池這樣?xùn)|西的時候，我們就被告知電從電池的正極出來，然后流回負極。有時候，我們

也會接觸到象"正電"或"負電"這樣的概念和術(shù)語，但這并不是說電子有兩種，就象人分為

男人和女人一樣，也存在著"男電子"和''女電子"。事實上不是這樣的，造成這種誤會完全是

由于那些早期研究電學(xué)的先驅(qū)們沒搞清楚?，F(xiàn)在我們將錯就錯，不同的只是將這些術(shù)語賦予

了另外的含義。通常，它們僅僅指電子流動的方向。

當然，能夠產(chǎn)生電壓和電流的東西很多，但不一定持久，所以用來作為電源可能不會很

理想。比如在嚴寒的北方冬季里，你的身體經(jīng)常會帶上電，當你碰到門把手時候，會產(chǎn)生火

花，并伴隨著僻啪聲，甚至?xí)幸恍┹p微的疼痛感。從微觀上來說，這同樣是因為有些原子

失去了電子而另一些原子得到了電子，如果你給它們機會，這些原子當然會迫不及待地重新

達到穩(wěn)定狀態(tài)，并給你一點點疼痛，作為你把它們分開這么久的報答。

除了身上的靜電之外，雷電也是電。當上下兩塊云層分別因為失去電子和得到電子而帶

上靜電的時候，如果時機合適，放電過程就在隆隆的雷聲中開始了。認識到天上的雷電也是

電是最近幾個世紀的事兒，要在過去，西方人認為它與上帝有關(guān)，認為它是上帝發(fā)怒的表現(xiàn)。

在《上帝也瘋狂》這部電影里，原始部落里的人們覺得這是上帝吃多了，腸胃不太舒服。而

在國內(nèi)，人們一直認為這件事兒是雷公干的。最近我剛剛看過一部電視連續(xù)劇《大染坊》，劇

中有一首詩很有意思，名叫《閃電詠》，是這樣寫的：

天空突然一閃練,

莫非上帝想抽煙?

若非上帝想抽煙，

怎么又是一閃練!

1752年，美國人富蘭克林(BenjaminFranklin,1706T790)在他46歲的時候，冒著

生命危險做了一個風(fēng)箏實驗。當烏云四合，電閃雷鳴的時候，天上的雷電被引下來產(chǎn)生了火

花，與我們在生活中看到的電火花毫無二致。這激發(fā)了他的興致，喊他的兒子拿一只火雞來

電電。誰知道火雞還沒拿來，他倒先被當場電暈了。這個實驗證明了雷電和我們平時接觸到

的電的確是一回事，同時也證明了如果一個人不走運的話，就算沒有病，也極有可能活不過

46歲。用他自己的話說，"我原想電死一只火雞，誰知道卻差點電死一個傻瓜?！?/p>

相比之下，另一位俄國科學(xué)家利赫曼就沒那么走運了。1753年7月，為了驗證富蘭克

林的實驗，他不幸被雷電擊中，成為做雷電實驗的第一個犧牲者。在這方面，雷電是不留情

面的，它才不管你是誰，天王老子也不行，照樣電你。傳說清朝的嘉慶皇帝在承德避暑山莊

休養(yǎng)時，有一日天氣驟變，雷鳴電閃，寢宮遭到雷電襲擊，嘉慶帝也當場成了歷史上第一個

被雷擊而駕崩的皇帝（如果傳說屬實的話）。

到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)見識了很多種類型的電源。通常，衡量一個電源的重要指標是它

的電壓，也就是它產(chǎn)生電的能力。不同的電源，它所的供的電壓也不相同。世界上第一個電

池是由意大利人伏特于1800年發(fā)明的,后來物理學(xué)界就用他的名字作為衡量電壓大小的單位,

簡稱"伏”，或者用大寫的字母"V”來表示。

除了"伏"之外，其它的單位還有千伏（KV）、毫伏（mV）等等，它們的關(guān)系是：

1KV=1000V

1V=1000mV

我們平時所使用的電池，它的電壓是L5V,這種電壓可以讓手電筒里的小電珠正常發(fā)

光，但對人體構(gòu)不成危害（據(jù)我的一個同學(xué)說他曾經(jīng)有一次用手捏著電池的兩極睡覺，早上

醒來后手感覺很麻木。是不是真的，還有待考證，不巧的是這個同學(xué)再也找不到了）。如果電

壓超過了36V（這個電壓稱為安全電壓，如果比它低，則不會危害到人），你會覺得手臂發(fā)麻，

有電擊感，不過你仍能在眾人面前裝作若無其事的樣子；如果電壓達到220V,也就是我們家

里所使用的電壓，你除了會突然發(fā)出一聲怪叫，并跳起一支有史以來最難看的舞蹈之外，決

不會還有心情去考慮自己的姿勢在別人看來是否還算得上優(yōu)雅。當然，這并不是最高的電壓。

從大型發(fā)電廠出來的輸電線路上通常會有兒萬伏、幾十萬伏甚至更高的電壓，這樣高的電壓

是致命的。光是2006年一年，我就從電視上看到過至少兩例這樣的慘劇，一個是因為盜割高

壓電線引起的：另一個則是因為站在高架橋上往下小便時，水柱碰到了橋下的高壓電線。不

管在哪種情況下，人都會被吸在上面，很難掙脫。人的生命是最寶貴的，希望每一年、每一

天都不會再有這樣的事情發(fā)生。

作者：zhangyanfanwo回復(fù)日期：2009-02-0320:29:56

寫的比較經(jīng)典！很有文學(xué)的天分。用詞用的恰到好處，讓人看了沒有一種很累的感覺,

我一口氣把你寫的關(guān)于電文章全部看完，感覺看的時候很輕松。

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0322:35:58

謝謝捧場，明天接著連載。

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0416:04:44

當這版主沒意思。發(fā)這文章，希望大家，特別是小朋友們，提提意見。意見在哪兒呢？

這社區(qū)人氣也太低了點兒。

作者：sholber回復(fù)日期：2009-02-0419:09:03

1.5電路

前面已經(jīng)講了電源、電壓和電流，它們的存在給了人類最充分的理由去不斷發(fā)明各種各

樣的新型電器。象電視機、隨身聽、電動剃須刀這類東西自不必說，令人感到意外的是居然

還有象"太陽能手電筒”這樣的電器發(fā)明（還有一些發(fā)明跟電無關(guān)，但同樣足夠荒唐，比如帶

腳踏板的輪椅、小狗的毛衣，等等）。在這些不勝枚舉的電器當中，最簡單的可能要算是電燈

泡了。

電燈泡的發(fā)明用到了電子在導(dǎo)體中流動時的一個特點。前面己經(jīng)說過，電子在導(dǎo)體中流

動的時候并不那么順暢，差不多是在原子的密林中磕磕碰碰。換句話說，導(dǎo)體實際上對它的

流動具有阻礙作用。在電學(xué)中，影響電子們流動的這種特性叫電阻。

電阻的作用是讓電子們的運動不那么順暢。它不是導(dǎo)體獨有的，通常情況下所有的物體

都有電阻。一些電阻較小的物質(zhì)，比如菜刀，被稱為導(dǎo)體；而另一些電阻很大很大的物質(zhì)，

比如切菜用的砧板，被稱為絕緣體。在正常情況下，電阻最小的物質(zhì)是銀（遺憾的是，它又

是最昂貴的物質(zhì)之一。真令人費解，大自然為什么非得要這樣安排），至于電阻最大的，這就

不好說了，如果非得說的話，我想從宇宙一頭到另一頭之間的這段空間，它所具有的電阻最

大，你不這么認為嗎？

從能量的角度來看，電子的流動是因為電源賦予了電子們能量。”能量”這種說法我們差

不多每個人都聽說過，但通常也只是停留在意會的層面上，因為誰也看不到它，更無法捉摸。

但是能量卻是無處不在的。你拿起這本書需要能量；當你看書的時候，同樣需要能量維持眼

球的轉(zhuǎn)動。為了能在運動會上得到一個其實并不能用來喝水的金屬杯子，運動員們通常要付

出更多的能量。

關(guān)于能量的?個很重要、同時也是很有意思的特點是，它可以從一個物體傳遞給另一個

物體，也可以從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種截然不同的形式。烈日當空、艷陽高照的時候，被太

陽曬到的地方就會發(fā)熱，這說明太陽能轉(zhuǎn)變成了地球表面的熱能。在地球表面，不同的區(qū)域

所接收到的太陽能是不一樣的，在溫差的作用下，風(fēng)就吹起來了。當大風(fēng)刮起來的時候，它

具有令人恐怖的能量，會將大樹吹折、汽車掀翻，這叫做風(fēng)能。風(fēng)越大，它具有的能量越多。

當它吹過防風(fēng)林的時候，由于一部分能量會傳遞給樹木，這種能量有可能將樹木折斷，但更

通常的情況是使樹木象喝醉了酒一樣搖搖擺擺，因為失去了能量，所以風(fēng)會變小一而這正是

林業(yè)部門的人所希望的。如果風(fēng)吹在風(fēng)力發(fā)電機上，還能發(fā)出電來。也就是說，風(fēng)能轉(zhuǎn)變成

了電能。其實也不用舉太多例子，只需要看看你自己就明白了：只有當你吃得飽飽的之后，

才會覺得渾身是勁兒，力氣大得一聽說得了大獎，無論多重的獎品都能一口氣背回家去。這

就是能量轉(zhuǎn)換的最好證明?？傊梦锢韺W(xué)上的說法就是“能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空

消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移

的過程中其總量不變?！边@叫做能量守恒定律，1847年山德國物理學(xué)家、生理學(xué)家赫爾姆霍

茨(1821-1894)首先提出。

太陽能也可以轉(zhuǎn)變成化學(xué)物質(zhì)貯存在我們所吃的植物里，比如大米和水果蔬菜。這樣我

們在吃了它們之后才能有力氣蹦蹦跳跳、說說笑笑、打打鬧鬧，但同時也助長了我們的歪風(fēng)

邪氣，讓我們有勁兒跟人吵架、在公共場合吐著煙圈兒，或者在大街上最顯眼的位置碎上一

口濃痰。說到這里，讓我們以嚴肅的眼光審視一下我們所生活的這個世界：據(jù)統(tǒng)計，全世界

75%以上的人口只能勉強吃飽飯，有近5億人口嚴重營養(yǎng)不良。非洲大約有3000多萬饑民瀕

臨餓死的悲慘境地。5億人口的非洲竟有1億多人吃不飽肚子。截止到2007年8月，據(jù)國際

糧食政策研究所發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，亞洲仍有六億人生活在貧窮線上，每天僅靠少于一美元過

日子，占亞洲四十億人口的百分之十五。因此我不得不說，從能量供應(yīng)的角度上看，我們并

不文明一或者沒有我們自己想象的那樣文明。我們甚至還不如螞蟻的王國那樣自由和富庶。

通過前面的介紹我們可以看出，能量是無處不在、變化多端的。當電源開始工作的時候，

它把自己的能量源源不斷地傳給電子們，迫使它們帶著能量一通常也是在能量的作用下一開

始流動形成電流。

象大樹從風(fēng)中獲得能量而搖擺一樣，由于電阻的存在，電子們會在電線中釋放出它們的

一部分能量，使得組成電線的原子，尤其是它們的核外電子比平時格外活躍一以我們?nèi)祟惖?/p>

視角來看一電線發(fā)熱了。通常情況下這不會是個太大的問題，充其量只是一部分電能白白浪

費掉了，而電線上的熱量也會很快散發(fā)到空氣中。但在另外一些極端的情況下，由于電壓太

高、電流太大，產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)，就會燒紅電線，導(dǎo)致火災(zāi)。從另一個立場上來看，

這也就是燈泡能夠發(fā)光的工作原理。

一個燈泡、一段電線和一節(jié)電池，這幾樣?xùn)|西裝配在一起就能工作得很好，這稱為電路

①。不用說，要組成一個電路，有幾樣?xùn)|西是必需的：電源、導(dǎo)線和依靠電工作的各種器件。

如果不通過用電器直接用電線接通電源的兩極，時間長了后果不堪設(shè)想，這叫做短路。想想

你發(fā)明電源的目的是為什么？電子們象潮