第九章 物态和物态变化

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1、第九章物态和物态变化物理学是一场奋战，强大的对手是自然。约惠勒1物质是由分子组成的。分子在不停地做无规则运动，它们之间存在着相互作用力。这两 种作用相反的因素决定了分子的三种不同的聚集状态：固态、液态和气态。物质处于不同状 态时具有不同的物理性质。人类对物质属性的认识是从宏观到微观不断深入的过程。应该说，人们对新材料或传统 材料新功能的开发和研制从来没有停止过。从远古的石器时代，到后来的青铜器时代、铁器 时代新材料在人类文明进程中都扮演了重要的角色。第九章 1 固体思考与讨论把一些常见的固体物质分为两组：一组是玻璃、蜂蜡、硬塑料等；另一组是盐粒、砂糖石英等。两类固体物质的外表各有什么特征？晶体

2、和非晶体固体可以分为晶体和非晶体两类。石英、云母2、明矾、食盐、硫酸铜、蔗糖、味精等哟惠勒(John Wheeler, 1911)，美国普林斯顿大学教授，理论物理学家，黑洞”等名词的创造者。2云母是一种矿物，化学成分为铝硅酸盐，可以剥成一片片的薄层。有些云母的绝缘性能很好，在过去没有1 /8是晶体。雪花是水蒸气凝华时形成的晶体，它们的形状虽然不同，但都是六角形的图案。食 盐晶体总是立方体形，明矾晶体总是八面体形，石英晶体(俗称水晶，图 9.1-1)的中间是 一个六棱柱，两端是六棱锥。图 9.1-1 水晶丙石英甲食盐乙明矶图 9.1-2 几种晶体的几何形状玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体。

3、非晶体没有确定的几何形状。 蔗糖受潮后会粘在一起形成糖块，看起来没有确定的几何形状。但是用放大镜观看，仍 可发现组成糖块的一个个晶体粒。粘在一起的糖块是多晶体(polycrystal)，单个的晶体颗 粒是单晶体( monocrystal)。由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体也没有确定的几何形状 常见的金属是多晶体，利用金相显微镜可以看到金属的细微结构(图9.1-3)。塑料的年代，云母常在电器中用做绝缘物。图 9.1-3 显微镜下铝 -锂-锰合金的断裂图晶体管、集成电路的工作与材料的微观结构有关，材料内原子的排列不能是杂乱无章的， 所以制作晶体管、集成电路只能用单晶体，例如单

4、晶硅、单晶锗。如何以较低的成本生产高 纯度、大尺寸的半导体单晶体，是发展微电子工业的关键之一。图 9.1-4 单晶硅在微电子工业中应用广泛除了形状是否规则外，晶体和非晶体在物理性质上也有所不同。我们在初中已经学过， 晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点，这就是区别之一。此外，其他物理性质也有差 异。根据单晶体与多晶体的区别，你认为多晶体是否会有确定的熔点？实验把熔化了的蜂蜡薄薄地涂在薄玻璃片上。把一枝缝衣针烧热，然后用针尖接触蜂蜡层的 背面，不要移动，观察蜂蜡熔化区域的形状（图9.1-5 甲）。图 9.1-5 蜂蜡熔化区域的形状把玻璃片换成单层云母片，再做以上实验。在玻璃片上和云母片上，蜂蜡

5、熔化区域形状的不同说明了什么？有些晶体沿不同方向的导热或导电性能不同；有些晶体沿不同方向的光学性质不同。这类现象称为各向异性(anisotropy)。非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的，这叫做各 向同性( isotropy)。由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体是各向同性的。 思考与讨论通过晶体呈现的特殊物理性质，你认为晶体在微观结构上可能有什么特点？晶体的微观结构为什么晶体的形状和物理性质会与非晶体不同？人们认为很可能是它们的微观结构不 一样。从 17 世纪到19 世纪，陆续出现了一些假说，认为各种晶体内部的微粒是按各自的规 则排列着的，但是由于当时检测技术的限制，缺少实

6、验证据，所以这些想法只能是假说。到了 20世纪初，通过X射线在晶体上衍射的实验，这种假说才得到证实。在20世纪 70年代，人们又用电子显微镜观察到了铀、钍原子的像。到了1982年，扫描隧道显微镜的 问世，使人类第一次观察到原子在物质表面的排列状况。关于晶体对X射线的衍射，选修3-4中会有粗浅的描述。 在各种晶体中，原子(或分子、离子)都是按照一定的规则排列的，具有空间上的周期 性。图 9.1-6 是食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图。图 9.1-6 食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体。那是因为组成它们的微粒能够按照不同规 则在空间分布。例如，碳原子如果

7、按图9.1-7 甲那样排列，就成为石墨，而按图9.1-7 乙那 样排列，就成为金刚石。石墨是层状结构，层与层之间距离较大，原子间的作用力比较弱， 所以石墨质地松软，可以用来制作粉状润滑剂；金刚石中碳原子间的作用力很强，所以金刚 石有很大的硬度，可以用来切割玻璃。原子（或者分子、离子）并不是在图9.1-6和图 9.1-7 所画的那些点上静止不动。它们 在不停地振动，图中所画的那些点，是它们振动的平衡位置。同种物质也可钱以晶体和非晶体两种不同的形态出现，也就是说，物质是晶体还是非晶 体，并不是绝对的。例如，天然水晶是晶体，而熔化以后再凝固的水晶（即石英玻璃）就是 非晶体。有些非晶体在一定条件下也可

8、以转化为晶体。甲石墨乙金刚石图 9.1-7 石墨和金刚石的微观结构科学漫步一、“越小物质”的秘密纳米（nanometer）是长度的单位。1 nm=10-9m，也就是说，一纳米相当于十亿分之一 米，它只有头发直径的十万分之一，肉眼无法分辨。纳米科学技术的研究对象就是尺寸处在 1100 nm之间的物质世界，纳米材料是纳米科学技术重要的组成部分。什么是纳米材料呢？我们知道，物质是由原子、分子等微粒组成的，它们按一定规律组 成一个个小单元，这些小单元结合在一起形成了肉眼可见的物体。对于通常材料来说，分子 等微粒按一定规律组成的小单元仍然包含着成千上万个原子、分子等。用机械的方法把物质 粉碎、研磨，可以

9、得到很细的粉末，但实际上一粒这样的粉末仍比这里说的“小单元”大得 多。如果用化学的方法，使组成物质的每个小单元只包含几个，至多几十个原子、分子，直 径只有1100 nm,就会发现，这样的物质有很多新的特性。例如，通常的金块呈黄色，但 是10 nm的金颗粒组成的金块却是绿色的，而1nm的金颗粒组成的金块是红色的！通常说 的纳米材料，指的就是直径 1100 nm 的颗粒或直径 1100 nm 的细纤维构成的材料。录音带、录像带、磁卡、计算机磁盘等都采用磁性颗粒作为磁记录介质。磁性纳米微粒 尺寸小，因此，用纳米磁性材料制造的磁记录器件，单位面积就可以记录更多的信息，记录 密度大大提高。此外，由于一个

10、纳米微粒就可能是单个的磁畴，所以纳米磁记录材料的矫顽 力很高，可以大大提高信噪比，改善记录质量。某些纳米颗粒组成的物质对光的吸收作用大大增强。在感光材料、有机颜料、光电导休 等方面，如果应用纳米材料，效能会有极大的提高。在力学性能方面，纳米金属材料、纳米陶瓷材料及纳米复合材料等也具有很多奇特的性 能，例如纳米陶瓷的韧性比普通陶瓷强，因而不易破碎。纳米材料还会改变材料的表面活性和生物活性。用某些纳米材料制造冰箱和洗衣机的内 壁，微生物不易在表面生存，从而不留异味、易于清洗。纳米材料在催化剂和医用材料方面 也有广阔的应用前景。人类在探索微小物质世界的进程中还在不断地进取着。二、能“记忆”形状的合金

11、1932 年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即当这种合金的形状 改变后，一旦加热到一定的温度，它又会恢复原来的形状。人们把这种合金称为形状记忆合 金。为什么会有形状记忆效应？原来这种合金的晶体结构能随温度变化。假设它的单位晶体 结构为立方体，当温度降低时，其微观结构发生变化，成菱形块。当然，这样的微观变化用 肉眼是看不出来的。在温度升高后，单位晶体结构恢复为立方体，各单位晶体结构之间的相 对位置也都复原。合金的宏观形状也恢复为原来的形状。若在温度较高时用这种合金制作一 条金属棒，在低温时用力将它弯曲，当温度升高时，整体形状又变成直棒。目前形状记忆合金已经在许多领域得到应用。例

12、如，人造卫星上的揽物面天线可以用记 忆合金制作。发射之前，将天线折叠起来装进星体，当人造卫星到达预定轨道后，只需加温， 折叠的天线因具有记忆功能而展开，恢复抛物面的形状。再如，钛镍合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应可以固定断骨。使用步骤大致 如下。先按以后的使用温度（例如人的体温37C ）下需要的形状制造合金夹骨板，安装则在 较低温度（05 C）下进行。这时可以把夹骨板变成便于操作的形状。当温度升高至人体温 度时，它便自行恢复至设定的形状，同时产生适当的形状恢复力。除了夹骨板外，医学应用 实例还有很多，如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、髓内针、人工关节 等。还有一种记忆合

13、金，在较低温度下是一种形状，加热后变成另一种形状，冷却后又能恢 复低温时的形状。这样的合金在加热和冷却这样两个过程中具有形状记忆功能，因此有更广 泛的应用。问题与练习1有一块物质薄片，某人为了检验它是不是晶体，做了一个实验。他以薄片的正中央 O为坐标原点，建立xOy平面直角坐标系，在两个坐标轴上分别取两点X和,使X和yl 到O点的距离相等。在和y上分别固定一个测温元件，再把一个针状热源放在O点，发 现点和丁】点的温度在缓慢升高，但两点温度的高低没有差异。于是得出结论，这块薄片是非晶体。请你说明：以上实验结论的形成，存在着什么科学性问题？2食盐晶体由钠离子和氯离子组成，如果用圆球来表示离子，食盐

14、晶体的结构可以用 图 9.-8 表示。图 9.-6 是食盐中钠离子和氯离子空间分布的示意图，那个图把相邻离子的 中心用线连接起来，组成了一个个大小相等的立方体。现在要估算相邻两个钠离子中心的距 离，除了知道食盐的密度P2.17X103 kg/m夕卜，还要知道哪些数据？请用字母表示这些已知 数据，推导出相邻两个钠离子中心距离的表达式。提示：图 9.1-6中立方体的个数与离子数目相等。图 9.1-8 食盐晶体结构示意图3内陆盐矿中开采的氯化钠称为岩盐，岩盐的颗粒很大，我们能清楚地看出它的立方 体形状。把大颗粒的岩盐敲碎后，小颗粒的岩盐仍然呈立方体形状。图 9.1-9 表示岩盐晶体的平面结构：红点为

15、氯离子，灰点为钠离子，如果把它们用直线 连起来，将构成一系列大小相同的正方形。作分界线AA,使它平行于正方形的对角线，作 分界线BB1，使它平行于正方形的一边。在两线的左侧各取一个钠离子：M和N,为了比较 这两个钠离子所受分界线另一侧的离子对它作用力的大小，分别以M、N为圆心，作两个 相同的扇形，不考虑扇形以夕远处离子的作用。BANMoBi图 9.1-9 食盐晶体的平面结构(1) 如果F表示两个相邻离子之间引力的大小，问：M、N所受扇形范围内的正负离 子对它作用力的合力是 F 的多少倍？为使问题简化，设所有离子都是质点，而且它们相互 作用遵从平方反比规律。(2) 根据计算结果解释：为什么敲碎的岩盐总是呈立方形状，而不会沿图中AA分界 线断开？实际晶体中的作用力要复杂得多，但这里的分析对理解自然现象还是有用的。