說到碳，那真可謂是無人不知，因?yàn)樗谏钪姓娴氖翘Ｒ娏?。拿出一根火柴或者一張A4紙，點(diǎn)燃它，等它未全部燒盡便熄滅火焰，你就會(huì)看到在熄滅的分界部位有一層黑乎乎的物質(zhì)，那就是最簡(jiǎn)單最常見的碳元素了。碳元素的英文名稱Carbon來源于拉丁文中煤和木炭的名稱Carbo，意思就是木炭。

碳元素可以說是人類接觸到的最早的元素之一，同時(shí)也是人類利用的最早的元素之一。普羅米修斯將火種贈(zèng)予人類之后，人類就在燃燒后的余燼中發(fā)現(xiàn)了碳，所以在古代，碳就是已經(jīng)被人類知道的元素。碳元素被發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確日期是無法得知的，從拉瓦錫（Lavoisier A L）編制的《元素表》便存在碳元素我們可以知道，碳一開始就是作為元素出現(xiàn)的。法國(guó)大革命前夕，化學(xué)家拉瓦錫用巨大的凸透鏡把陽(yáng)光聚焦在鉆石上，結(jié)果鉆石飄逸地?zé)袅?，并且他發(fā)現(xiàn)等量鉆石和煤炭燒盡產(chǎn)生的二氧化碳的量是相等的，這成功證明了地球上硬度最高的物質(zhì)——鉆石其實(shí)就是碳元素的一種存在形式。你沒有聽錯(cuò)，恒久遠(yuǎn)的鉆石和煤炭在本質(zhì)上其實(shí)是同一種物質(zhì)！

不僅鉆石是一種碳元素，鉛筆中的鉛筆芯其實(shí)也是一種碳元素石墨，而不是鉛。那為什鉛筆不叫“碳筆”或者“石墨筆”呢？其實(shí)在很久之前，鉛筆中的筆芯一直被人們誤以為是鉛，在1779年，瑞典無機(jī)化學(xué)家卡爾·威廉·舍勒(Carl Wilhelm Scheele）提出了筆芯可能是碳元素的觀點(diǎn)，于是他用硝酸把筆芯氧化，產(chǎn)物正好與煤炭產(chǎn)生的氣體一樣，充分證明了筆芯其實(shí)是一種碳而不是鉛，只不過因?yàn)榇蠹叶冀辛?xí)慣了鉛筆，所以這個(gè)名字一直沿用至今。

碳元素還有很多很多種變幻，其中最被人們所知曉的還有足球烯和石墨烯。足球烯又被稱為碳60或者巴基球，因?yàn)樗男螤羁崴谱闱?。它?0個(gè)六邊形，12個(gè)五邊形。這60個(gè)碳原子在空間進(jìn)行排列時(shí)，形成一個(gè)化學(xué)鍵最穩(wěn)定的空間排列位置，恰好與足球表面格的排列一致。

石墨烯是一種正在研究開發(fā)中的熱門材料之一，被認(rèn)為是一種未來革命性材料。它是一種平面二維結(jié)構(gòu)，具有及其優(yōu)良的導(dǎo)電性，因?yàn)樗鼉?nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。石墨烯的結(jié)構(gòu)其實(shí)就是單層的石墨結(jié)構(gòu)，最早的石墨烯也是由一種十分簡(jiǎn)單的方式制作的。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）用一種特殊的膠帶，不斷將石墨薄片一分為二，讓石墨薄片越來越薄，最后得到了只由一層碳元素構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。最后他們還因?yàn)槌晒χ谱鞒鍪┇@得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！看來諾貝爾獎(jiǎng)也不全是一些高大上的研究發(fā)現(xiàn)呢！

石墨烯的平面結(jié)構(gòu)

二氧化碳在我們的學(xué)習(xí)過程中描述是一種無色無味的氣體，但是實(shí)際聞起來可并不是這樣?，F(xiàn)實(shí)中拿一袋二氧化碳套著鼻子猛吸一口的氣味跟買瓶可樂對(duì)著瓶口聞起來是一樣的，會(huì)有種酸酸的刺激感，當(dāng)然這對(duì)人體是無害的。因?yàn)樘妓犸嬃侠锩娑既芙饬舜罅康亩趸細(xì)怏w，在搖晃汽水的過程中，二氧化碳便跑了出來，吸入體內(nèi)時(shí)又會(huì)和呼吸道里的水形成碳酸，所以聞起來是酸酸的！

二氧化碳也是一種溫室氣體，大氣中的二氧化碳會(huì)反射地面本來要發(fā)散到宇宙中的的光和熱，對(duì)地球起到了很好的保溫左右。從工業(yè)革命開始，人類各種重工業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)大氣排放了過量的二氧化碳?xì)怏w，造成了很嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。南北極的冰川會(huì)融化，海平線會(huì)上升，很多沿海地球的陸地也會(huì)被淹沒，對(duì)南北極的生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)造成極大的破壞！生活中的電能大部分來源于火力發(fā)電，火力發(fā)電會(huì)排放大量的二氧化碳?xì)怏w，為了減少溫室氣體的排放，我們應(yīng)該減少生活中消耗的能量，減少二氧化碳的排放！

我們將某些食品（比如海苔）中的白色干燥劑拿出放置空氣中幾天，就會(huì)得到今天的另一位主角——碳酸鈣。碳酸鈣在房屋裝修中經(jīng)常用到，房屋兩側(cè)潔白的墻壁，地下腳踩著的大理石，其實(shí)都是碳酸鈣的杰作。古人類用石頭搭建的小房子，主要成分也是碳酸鈣！另外在藥店內(nèi)買到的絕大部分補(bǔ)鈣藥品都是碳酸鈣制成的藥片，牙膏中也會(huì)加入很少量的碳酸鈣增大摩擦力，實(shí)驗(yàn)中中制取二氧化碳也是用碳酸鈣與鹽酸發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w，可以說碳酸鈣真可謂是碳元素創(chuàng)造出來的大明星呢！

在很多戰(zhàn)爭(zhēng)影片中，反派間諜被主人公擒拿后為了不被受刑套話，都會(huì)咬破口中的小膠囊，很快就一命嗚呼。相信很多人都好奇這小膠囊中到底裝了什么有這么大的殺傷力，其實(shí)這就是毒藥之王——氰化物。常見的氰化物有氰化鈉和氰化鉀，化學(xué)式為NaCN和KCN，主要毒害人體的就是里面的共同部分CNˉ，學(xué)名叫做氰根離子。一個(gè)成年人一次性服下0.1克的氰化物就可致死，它會(huì)使細(xì)胞中的某些酶失去作用，導(dǎo)致細(xì)胞不能利用血液中的氧氣，最后窒息而死。可別想著拿這種化學(xué)品做壞事兒，因?yàn)樗环€(wěn)定了，很容易放出氰化氫氣體，這種氣體吸入少量也會(huì)立即中毒窒息，珍愛自己和他人的生命才是每個(gè)人應(yīng)該做到的！

碳元素的“藝術(shù)品”中，放在壓軸的，最最重要的，大家肯定想不到是什么！那就是人類少了一天都不行的鋼鐵。很多人就會(huì)好奇了，鋼鐵跟碳有什么關(guān)系？鐵不是一個(gè)單獨(dú)的化學(xué)元素嗎？其實(shí)作者本身就是學(xué)習(xí)金屬材料的，學(xué)習(xí)內(nèi)容很大一部分都與鋼鐵有關(guān)。鋼鐵又被叫做鐵碳合金，鋼和鐵的區(qū)別就是含碳量的不同，生活中使用的鋼鐵幾乎全部都是鐵碳合金，因?yàn)橹挥泻欢刻荚氐蔫F，各項(xiàng)性能才會(huì)更好！古代中國(guó)人的老手藝打鐵，其實(shí)就是把含碳量高的“黑鐵”中的碳元素?zé)簦兂珊剂亢艿偷摹鞍阻F”，這樣的鐵做出來的道劍，韌性更好，馳騁疆場(chǎng)與敵人廝殺時(shí)才不會(huì)輕易斷裂！

在全部的無機(jī)化合物中，碳元素的無機(jī)化合物只占其中很小一部分，而對(duì)于有機(jī)化合物而言，碳元素是絕對(duì)的一部分，也就是說，所有的有機(jī)物都含有碳元素！

有機(jī)物的原意是指有機(jī)生命體中的物質(zhì)，因?yàn)樵缙诘挠袡C(jī)物全部都是從生物體內(nèi)分離出來的。但是隨著有機(jī)合成的發(fā)展，很多有機(jī)物已經(jīng)可以從實(shí)驗(yàn)室中由各種無機(jī)物合成，“有機(jī)物”這一詞其實(shí)已經(jīng)失去了原本的含義。

人類第一次由無機(jī)化合物合成有機(jī)化合物要追溯到19世紀(jì)德國(guó)化學(xué)家弗里德里?！ぞS勒(Friedrich Wohler)，他最開始的初衷是要合成氰酸銨，認(rèn)為把氰酸和氨水混合在一起就可以獲得氰酸銨，但是在1828年，他突然發(fā)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物并不是氰酸銨而是尿素！是的你沒有聽錯(cuò)，這里說的尿素就是人類小便時(shí)排出的尿素。很長(zhǎng)一段時(shí)間人類都以為無機(jī)化合物和有機(jī)化合物之間有著一道跨不過去的溝壑，二者是沒有互通性的，直到維勒用無機(jī)化合物成功合成了尿素。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)在整個(gè)化學(xué)發(fā)展歷史上有著十分重要意義，推翻了當(dāng)時(shí)嚴(yán)重阻礙化學(xué)發(fā)展的生命力論，從此打開了有機(jī)物和無機(jī)物之間的“真理之門”！

現(xiàn)在我們知道了什么是有機(jī)物，有機(jī)物和無機(jī)物之間微妙的聯(lián)系！現(xiàn)在我們來聊聊最簡(jiǎn)單的有機(jī)物——甲烷！

甲烷僅由一個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子構(gòu)成，是一種無色無味的可燃性氣體。你肯定聽過甲烷這個(gè)詞，因?yàn)樗鼘?shí)在是太常見了！天然氣、沼氣、坑氣、瓦斯的主要成分都是甲烷，一般都被人類用作燃料使用，因?yàn)樗暮剂孔钚。紵饋聿蝗菀桩a(chǎn)生黑煙。倘若使用乙炔這類含碳量高的有機(jī)物作為燃料，那燒一次菜，家里的廚房就會(huì)蒙上一層黑煙，這層黑煙的主要成分就是炭黑！我們家中使用的天然氣，其實(shí)是一種化石燃料，是一種不可再生資源，來源于多年前動(dòng)植物遺體在特定的保存條件下產(chǎn)生的，是會(huì)越用越少的。

面對(duì)天然氣這種不可再生的資源，人類必須找到更多的資源或者找到其他可再生的替代品?？扇急褪固烊粴赓Y源更加豐富了起來！可燃冰并不是冰，而是一種天然氣水合物，化學(xué)式為CH4·nH2O，是分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結(jié)晶或絮狀物質(zhì)?？扇急诘厍蛏系姆植际謴V泛，僅在海底區(qū)域分部面積就達(dá)4000萬平方千米，占海洋面積的四分之一，如果人類能夠成功開采和使用可燃冰，可燃冰能源可供人類使用至少1000年！

甘油你可能會(huì)感到很陌生，但是它確實(shí)經(jīng)常出現(xiàn)在我們生活中，尤其是女性朋友經(jīng)常用到它。日常的護(hù)膚品、保濕水和面膜中，廠家都會(huì)加入適量甘油起到保濕的作用，因?yàn)楦视椭腥齻€(gè)親水基團(tuán)（羥基）可以儲(chǔ)存很多的水，敷在干燥的皮膚上會(huì)源源不斷為皮膚提供水分，起到保濕作用。但是需要注意的是，甘油的吸水性是雙向的，如果把純甘油敷在臉上，它也會(huì)從皮膚中吸收水分，所以面膜中使用的甘油都會(huì)以1：10的比例兌水，只有這樣的甘油才能做到保濕的作用！

糖類可不是指家里大塊的冰糖或小顆粒狀的白砂糖，糖類在有機(jī)物界可是一個(gè)很大的范疇，泛指多羥基醛、多羥基酮以及能水解而生成多羥基醛或多羥基酮的有機(jī)化合物，可分為單糖、二糖和多糖等。糖類在生命活動(dòng)過程中起著十分重要的作用，是一切生命體維持生命活動(dòng)所需能量的主要來源！

醫(yī)院里輸液用到的葡萄糖，它是自然界中分布最廣泛，也是最重要的一種單糖。動(dòng)物可以通過呼吸作用直接利用分解葡萄糖獲取能量，植物也可以通過光合作用不斷形成葡萄糖并儲(chǔ)存起來！葡萄糖是在1747年由德國(guó)化學(xué)家馬格拉夫(A.S.Andreas Sigismund Marggraf ）從葡萄干上白色粉狀物質(zhì)中提取出來的，所以被命名為葡萄糖而不是“自然糖”。

用不怎么甜的葡萄糖和自然界中最甜的果糖聚合在一起，就形成了一種最常見的二糖，同時(shí)也是家中最常備的甜味來源——蔗糖。蔗糖一般都是從甘蔗和甜菜中榨汁蒸干提取出來的，如果把甘蔗汁一直用大火燒煮至紅色或褐色，就制作成了另一種常用的糖——紅糖。若是再繼續(xù)熬制直到發(fā)生褐變反應(yīng)，就形成了可口可樂配方中不可或缺的成分——焦糖，據(jù)說美國(guó)可口可樂之所以能風(fēng)行全世界一個(gè)世紀(jì)，國(guó)際市場(chǎng)占有率獨(dú)占一頭，與可口可樂公司擁有生產(chǎn)焦糖技術(shù)是分不開的。這一系列用蔗糖制作出來的其他糖，其本質(zhì)都是蔗糖，只是通過了不用的工藝，稍稍改變了蔗糖的風(fēng)味和口感。

淀粉這個(gè)詞大家肯定都不陌生，人類日常的主食中都含有豐富的淀粉，饅頭、米飯、面條、土豆中都含有大量的淀粉。淀粉也是一種糖，是一種多糖。它是由幾百個(gè)葡萄糖分子聚合而成的大分子化合物，人類食入淀粉后會(huì)被腸胃中的各種酶消化分解成葡萄糖被身體吸收利用！

這光有主食得上菜，每餐營(yíng)養(yǎng)要均衡，每頓素食少不了！素食里面含有大量纖維素，纖維素也是一種多糖，也是由葡萄糖小分子聚合而成的，纖維素內(nèi)葡萄糖小分子比淀粉內(nèi)的葡萄糖小分子多得多，不同的聚合度以及葡萄糖分子間化學(xué)鍵的不同，導(dǎo)致二者的化學(xué)性質(zhì)有很大的差別。比如人類的消化系統(tǒng)可以消化淀粉大分子而無法消化纖維素大分子，無法從纖維素中獲得人體所需的能量，但是為什么人類還需要進(jìn)食大量素食纖維素呢？這是因?yàn)槿祟愲m然不能像牛羊這類素食主義者一樣可以消化纖維素獲得能量，但是纖維素可以幫助人類更好的消化食物，清理腸胃，更重要的是植物內(nèi)含有大量人體必須的微量元素！所以可不要因?yàn)槟c胃不能消化纖維素而不吃蔬菜呀！

“酒逢知己千杯少”，早在中國(guó)古代就有關(guān)于餐桌酒文化的描述，即使在現(xiàn)在，各種酒席上，要是少了酒精的醇香，就總感覺少了點(diǎn)什么，缺了些氛圍！在飲酒方面，我們國(guó)家還真是不輸任何地方，我國(guó)每年能喝掉300億左右公斤酒，相當(dāng)于一個(gè)西湖！酒精也是一種很重要的碳元素的“有機(jī)藝術(shù)品”，古人很早就發(fā)現(xiàn)了酒曲這個(gè)釀酒的神秘物質(zhì)。在周朝著作《書經(jīng)·說命篇》就有記載“若作酒醴，爾惟曲蘗”。古人先把冷卻的煮熟的米飯搗碎，與酒曲和各種其他原料混合在一起發(fā)酵，待發(fā)酵的差不多了，就拿出來壓榨，把酒和糟粕分離，最后通過簡(jiǎn)易的蒸餾裝置把酒精提純?nèi)敫?，待親朋好友來臨之際，開壇享酒香，豈不美哉！酒精是最簡(jiǎn)單的醇類物質(zhì)之一，學(xué)名為乙醇，化學(xué)式CH3CH2OH。最簡(jiǎn)單的醇類物質(zhì)是甲醇，化學(xué)式CH3OH，跟乙醇截然不同的是，甲醇可不能喝，一個(gè)成年人一次性攝入超過10毫升的甲醇，就會(huì)導(dǎo)致不可逆的視力損傷，更嚴(yán)重則會(huì)致死。國(guó)內(nèi)外也經(jīng)常出現(xiàn)誤食工業(yè)酒精致盲的案例，因?yàn)楣I(yè)酒精中含有很高劑量的甲醇，這種“假酒”可不能喝??！

古人制酒

為什么地球上的生命必須是以碳元素為基礎(chǔ)的碳基生命，能不能是由同族的硅元素為基礎(chǔ)的硅基生命，或者同周期硼元素為基礎(chǔ)的硼基生命呢？宇宙中有沒有非碳基生命，這也是科學(xué)家目前正在研究攻克的難題！至少在地球上的生物，全部都是和人類一樣的碳基生命體。

那么問題來了，什么是碳基生命呢？為什么是碳基生命呢？

自從化學(xué)尤其是有機(jī)分子生物學(xué)在近代蓬勃發(fā)展，人類對(duì)生命的研究已經(jīng)可以從微觀分子原子尺度進(jìn)行了。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，雖然生物體很復(fù)雜，但是構(gòu)成生命體的化學(xué)元素幾乎全部都是前25號(hào)元素，之后的元素生命體中當(dāng)然也存在，但是需求量對(duì)于前25號(hào)元素要少的多，被稱為微量元素。一個(gè)典型的生物細(xì)胞比如人體細(xì)胞的總質(zhì)量當(dāng)中，有96%是由氧（65%）、碳（18%）、氫（10%）、氮（3%）這4種主要元素構(gòu)成的，其余的則是由少量其他元素構(gòu)成的，比如說鈣、磷、鉀、硫、鈉、氯、鎂、鐵等等?？赡苓@時(shí)候就有人問了，人體內(nèi)不是氧元素的含量最多嗎，為什么不叫氧基生命而叫碳基生命呢？是這樣的，雖然氧元素和氫元素在人體中含量很高，那是因?yàn)槿梭w70%以上的重量都是水（H2O），這導(dǎo)致氧元素的質(zhì)量在人體中占比很大。而水在生命體中主要起到物質(zhì)交換的作用，對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能起到關(guān)鍵作用的，就是我們的主角碳元素！所以我們說地球生命都是以碳元素為基礎(chǔ)的，于是就叫碳基生命Carbon-Based Life。

我們已經(jīng)知道了為什么地球上的生命體叫做碳基生命，而不是以其它元素為基礎(chǔ)的生命體，那么為什么是碳呢？

讓我們從微觀尺度看看碳元素的特點(diǎn)，我們都知道，有機(jī)分子中的原子和元素之間，都是以化學(xué)鍵相互作用連接在一起的。倘若不知道化學(xué)鍵也沒關(guān)系，我們把化學(xué)鍵比做原子的手臂，原子之間可以通過手拉手形成各種化合物浪跡天涯！不同元素?fù)碛械氖直蹟?shù)量是不一樣的，氫原子只有一只手臂，意味著它只能拉一個(gè)小伙伴的手，氧原子有兩只手臂，可以同時(shí)拉兩個(gè)原子的手，也可以兩只手臂同時(shí)拉一個(gè)原子的手。碳原子雖然沒有三頭六臂，但是也足足有4只手臂，4只手臂就意味著有很多種連接方式，上下前后左右，還可以構(gòu)成三維立體結(jié)構(gòu)，這也就形成了千千萬萬的有機(jī)物，如此多種類的有機(jī)物為生命體的形成打下基礎(chǔ)！

有人可能就會(huì)問了：碳原子不過區(qū)區(qū)四只手，比碳原子手多的原子，豈不是更能演繹出更豐富多彩的分子結(jié)構(gòu)，不是更精彩嘛？其實(shí)在分子層面，并非手臂越多越好，也要求手臂很牢固。元素周期表后面的重元素們，雖然可能手臂比碳元素更多，但是他們太重了，就像胖子力氣大更容易掙脫一樣，稍稍有點(diǎn)風(fēng)吹草動(dòng)他們就逃之夭夭，手臂太容易斷了，化合物就會(huì)不穩(wěn)定，也就不能形成有機(jī)生命體！看來在化學(xué)界，更重要的還是巧啊！

那么跟碳元素同族的硅元素怎么樣呢，它也有四只手臂，也沒有太重。其實(shí)早在1891年，波茨坦大學(xué)的天體物理學(xué)家儒略申納(Julius Sheiner)就探討了以硅為基礎(chǔ)的生命存在的可能性，之后科學(xué)家們也根據(jù)他的假說做了很多研究，硅化合物的熱穩(wěn)定性確實(shí)可以讓以其為基礎(chǔ)的生命可以在高溫下生存，那么硅元素真的可以不負(fù)眾望，成為生命的核心元素嗎？

理想很美好，現(xiàn)實(shí)卻很骨感。經(jīng)過科學(xué)不斷發(fā)展，對(duì)硅元素的研究不斷深入，我們發(fā)現(xiàn)硅元素相比于碳元素有很多不足的地方。首先硅元素的連接能力十分糟糕，不像碳元素一樣，形成的大分子化合物中含有數(shù)以萬計(jì)的碳原子，硅元素形成的硅烷中含硅原子數(shù)量在8以上就十分不穩(wěn)定了，而且硅烷極其衍生物也十分不穩(wěn)定，硅-氫鍵和硅-硅鍵會(huì)被各種溶劑破壞，也就意味著硅基生命不能以氨或水作為生命的載體。再者在宇宙中，人類只發(fā)現(xiàn)了二氧化硅和硅酸鹽，并沒有發(fā)現(xiàn)硅的高級(jí)化合物，而甲烷在太陽(yáng)系中普遍存在，星云也是碳元素的超長(zhǎng)鏈狀物質(zhì)，其中可能存在更復(fù)雜的碳基有機(jī)物！

我們知道地球上的熱量主要來自于太陽(yáng)，中學(xué)里就學(xué)習(xí)了熱的主要傳遞方式主要分為三種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。宇宙間是真空的，所以星體間熱量的主要傳遞方式靠的就是熱輻射，光就是熱輻射傳遞熱量的主要方式。我們地球會(huì)吸收一部分太陽(yáng)光的能量，還沒有被吸收的熱量就會(huì)被反射或者散射出去，一個(gè)星球如果處在一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，溫度不會(huì)越來越高或者越來越低，那他接受的能量和釋放的能量是基本相同的，那么地球吸收了一部分能量，肯定也要向外散發(fā)一部分能量才能維持穩(wěn)定。

那么地球是怎么向外釋放能量的呢，這里我們要降到一個(gè)概念叫做黑體輻射！主要意思大概是只要一個(gè)物體的溫度比覺得零度高，那么它就會(huì)發(fā)出輻射，輻射是什么？輻射就是光，也就是一種電磁波，所以太陽(yáng)、地球、你、我無時(shí)無刻都在發(fā)光，為什么看不到光呢？因?yàn)槿搜劭吹降目梢姽獠ㄩL(zhǎng)是一個(gè)很小的范圍內(nèi)，太陽(yáng)發(fā)出的大部分是可見光，所以我們可以看到太陽(yáng)光的顏色，地球發(fā)出的光的波長(zhǎng)大概在10微米左右，那就是紅外線，是不能被人眼看到的！

微觀里的光可以展現(xiàn)為一個(gè)個(gè)的光子，每個(gè)光子的能量和波長(zhǎng)成反比，也就是一個(gè)光子的能量，X射線高于紫外線，高于可見光，高于紅外線，高于微波。微觀里原子分子的能量也是量子化的，這個(gè)能量可以是轉(zhuǎn)動(dòng)的能量，可以是化學(xué)鍵振動(dòng)的能量，也可以是電子在不同軌道上跳躍的能量，甚至可以是原子核裂變的能量！分子轉(zhuǎn)動(dòng)的能量非常小，化學(xué)鍵振動(dòng)的能量稍微大些，原子核裂變就超級(jí)大了，然后一束光照到粒子上，可能直接穿過了，也可能被粒子，一個(gè)光子如果被吸收，根據(jù)能量守恒，那么這個(gè)粒子前后能量差就要等于這個(gè)光子的能量。那么我們就來看看，什么樣的粒子可能吸收它們！對(duì)于太陽(yáng)發(fā)出的可見光，光子的能量落在了電子躍遷的能量范圍內(nèi)，地球上的鐵元素，電子躍遷的最低能量是2.3個(gè)電子伏特，換算成波長(zhǎng)就是540納米，所以鐵元素可以從太陽(yáng)上吸收很多能量。除了鐵元素地球上可以吸收可見光的還有很多，正是因?yàn)檫@些東西的存在，地球才可以從太陽(yáng)中吸收能量。

我們分析完地球從太陽(yáng)中吸收能量，再來看看地球發(fā)出的能量，有什么物質(zhì)能吸收，我們前面說過，地球發(fā)出的光大部分都是紅外線，對(duì)應(yīng)的光子能量落在了化學(xué)鍵振動(dòng)的能量范圍內(nèi)，空氣里的氣體分子，除了惰性氣體，只要至少有2個(gè)原子，就會(huì)形成化學(xué)鍵。是不是所有的化學(xué)鍵都能吸收紅外線呢？

這是一張空氣的紅外光譜圖，圖里藍(lán)色的部分是透過空氣的光，黃色部分是被空氣吸收的光，圖里標(biāo)出了吸收各種波長(zhǎng)紅外線所對(duì)應(yīng)的氣體分子，我們可以看出來，主要是水、二氧化碳、臭氧這些分子在吸收紅外線，而空氣里占比最高的氮?dú)夂脱鯕?，是不?huì)吸收紅外線的，這是因?yàn)樗麄兊恼駝?dòng)能級(jí)不在這張圖的能量范圍內(nèi)嗎？其實(shí)不然，比如氮氮鍵的振動(dòng)能級(jí)差轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)大概是4微米左右，但這個(gè)振動(dòng)卻不能被紅外線所激發(fā)。

我們知道光是一種電磁波，既然是一種電磁波，那么肯定是有電場(chǎng)的，一個(gè)粒子如果帶電，那么在電場(chǎng)中就會(huì)受力，一個(gè)分子里正負(fù)電荷一定是一樣多的，但是如果正電荷和負(fù)電荷的中心不重合，這種粒子被稱為極性分子，電場(chǎng)就會(huì)讓這個(gè)分子朝一個(gè)方向排列起來。

最典型的極性分子就是水分子，他的整體是電中性的，但是正負(fù)電荷中心不重合，此時(shí)我們就稱為偶極。如果一個(gè)分子正負(fù)電荷中心是重合的，那么就沒有偶極。但是如果這個(gè)分子在振動(dòng)就會(huì)形成偶極，一個(gè)頻率合適的電磁波就會(huì)使這個(gè)分子振動(dòng)，也就是說這個(gè)分子可以吸收特定頻率的紅外線。

我們拿二氧化碳為例子，剛開始的二氧化碳分子正負(fù)電荷中心是重合的，但是經(jīng)過不對(duì)稱伸縮和彎曲的振動(dòng)，就會(huì)使正負(fù)電荷中心不重合，就可以吸收紅外線。而像氮?dú)夂脱鯕膺@種雙原子分子，不論怎么振，正負(fù)電荷中心總是重合的，也就不能吸收紅外線。

讓我們看看空氣中有哪些氣體可以吸收紅外線，這是空氣中的成分表，我們可以看到，除開氮?dú)?、氧氣這類非極性分子，再去除稀有氣體這類單原子分子，就剩水蒸氣、二氧化碳和甲烷這三種原子可以吸收紅外線。而水蒸氣這些年在大氣中的含量幾乎沒什么變化，所以大家普遍認(rèn)為二氧化碳和甲烷這類氣體排放量的增多，才是溫室效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因！

總結(jié)一下，地球上的一些物質(zhì)會(huì)以電子躍遷的方式從太陽(yáng)上吸收可見光，而地球要想保持溫度的穩(wěn)定，也會(huì)不斷以放出紅外線的方式散發(fā)能量。在正常情況下，地球吸收的能量與散發(fā)的能量基本相同，地球溫度保持穩(wěn)定。而隨著人類近幾年二氧化碳和甲烷這種可以吸收紅外線的氣體排放量增多，地球散熱量會(huì)大于吸熱量，地球的溫度就不斷上升，產(chǎn)生溫室效應(yīng)。而空氣中二氧化碳、甲烷這類可以吸收紅外線的分子，就被人們稱為溫室氣體！