费物理学讲义(第一卷) 勿空气,那么离开水的分子数还是如先询那件多因为这只取决于水分子是动的程度,但是 的分子比进入水面的分子多,水就蒸发了.所以,如果你要使水蒸发的话,就打开风扇吧! 於 这里还有另一件事情:哪些分子会离开?一个分子能离开水面是由于它仍然比通常情况 稍多积累了一些能量,这样才能使它摆脱邻近分子的吸引.结果,由于离开水面的分子带 利走的能量比平均能量大,留在水中的分子的运动平均起来就比先前减弱.因此液体蒸发时 之会逐渐冷却.当然当一个水蒸气分子从空气中跑向水面时,它一靠近水面就要突然受到一 个很强的吸引.这就使它进入水中时具有更大的速度,结果就产生热量.所以当水分子离 开水面时,它们带走了热量;配当它们回到水面时,则产生了热量.当然,如果不存在净的蒸 发现象的活,什么结果也不会发生水的温度并不改变.如我们向水面上吹风使蒸发 的分子数一直占优势,水就会冷却、因此,要使汤冷却就得不停地吹! 当然,你们应当了解,刚才所说的那个过程实际上要比我们所指出的更为复杂.不仅水 分子进入空气,不时还有氧分子或氮分子跑到水里,“消失”在一大堆水分子中,这样空气就 溶解在水中了;氧和氮的分子进入水中,水里就含有空气.如果我们突然从容器中抽走空气 那么空气分子出来要比进去来得快,这样就形成了气泡.你们可能知道,这对潜水员是很不 利的 方铅矿 盐在水中的溶解 图 图1-7 现在我们来考虑另一种过程.在图t6中我们从原子的观点来看固体在水中溶解如 果我们把结品盐粒丢入水中,会出现什么情况呢?食盐是一种固体,也是一种晶体,并且是 食盐原子”的有规则的排列.图1-7是普通食盐氯化钠的三维结构图,严格地说,这 种晶体不是用原子面是用我们所谓的离子构成的!离子就是带有额外电子的原子,或失去 一些电子的原子,在食盐晶体中我们发现了氯离子(带有一个额外电子的氯原子)和钠离子 (失去一个电子的钠原子).在固态食盐中,所有的离子都由于电的作用而吸引在一起,但是 当我们把食盐投到水里后,就会发现,由于带负电的氧和带正电的氢对离子的引力有一整 离子离散了.在图16中有一个氯离子松开来了,其他的原子则以离子的形式在水中浮动 这张图画得相当仔细.例如注意水分子中的氢原子一端大多靠近氯离子而在钠离子周图 所见到的大多是氧原子的那一端,因为钠是正的,而水的氧原子一端是负的,它们之闻有电 的吸引.我们能不能从这幅图画中看出盐究竟是溶解于水中还是从水中结晶出来?当然 我们看不出来因为当某些原子离开品体时,另一些原子又重新聚集到晶体上.整个过程是
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I原予的运动 勿二个边蚕过程如时发的情泥,它取决于水中的盐的含量是超过还是少于形成平衡所需 要的数量.所谓平衡我们指的是这种情况,即原子离开晶体的比率正好与到晶体的比率 相同.假如在水中几乎没有什么盐,离开的原子就比固去的原子多食盐就溶解.但另一方 面,如果水里的“食盐原子”太多,那么回去的就多于离开的,食盐就结晶 我们顺便说一下物质的分子这个概念只是近似的,而且只是对某些种类的物质才有意 利义.很清楚,在水的情况下,三个原子彼此确实粘在一起但是在固体的氯化钠情况下就不那 么明确了.在氯化钠中钠离子和氰离子只是以立方休的形式排列.这里没有一种把它们自 然分成“食盐分子”的方式. 现在回到我们的溶解与淀积的讨论上,如果增加食盐溶液的温度,那么原子离开的比 率就会增加,而原子回来的比率也会增加.结果是一般很难预言会朝哪一个方向发展,固体 溶解得多一些还是少一些,当温度提商时,大多数物质更易溶解,但是某些物质则更不易溶 解 §1-4化学反应 到现在为止,在我们所描述的一切过程中,原子和离子的伙伴并没有变更,但是当然也 有这称悄况,原子的组合的确改变了,形成新的分子.图 1-8就是说明这一情况的.在一个过程中如果原子的伙伴 重新排列,我们就称之为化学反应,其他前面所描述的过 程称为物理过程,但是二者之间并没有明显的界限.(大自 然并不关心我们究竞如何去称呼,她只知道不断地进行工 作)图1-8装示碳在氧气中的燃烧.在氧气中,两个氧原 子紧紧地吸引在一起.(为什么不是三个甚至四个吸引在 碳在氧气中的燃烧 已?这是此类原子过程的一个很典型的特征,原子是非 图1-8 常特别的:它们喜欢一定的伙伴,一定的方向,等等.物理学的任务就是要分析每一个原子 为什么想要它所希望要的东西.无论如何,两个氧原子形成了一个饱和的适宜的分子) 这些碳原子应该处于固态晶体之中(可以是石墨,也可以是金刚石).现在比如说有 个氧分子跑到碳这边来,每个氧原子可以抓住一个碳原子而以一种新的组合 氧 起飞走,这就是所谓的一氧化碳气体分子,它的化学名称是CO.这种气体分子很 筒单:字母“O实际上就是这个分子的一个画象.但是碳吸引氧的能力比氧吸引氧或者 碳吸引碳的能力更大.因此在这个过程中氧原子可能在到达时只带有一点点能量,但是氧 和碳的结合却是非常彻底而剧烈的,所有靠近它们的原子都吸收能量.于是就产生了大量 的分子运动的能量—动能.当然,这就是燃烧.我们从氧和碳的结合得到了热量.这种 热量通常是以热气体的分子运动的形式存在的,但是在某些情况下,由于热量非常大而发出 了光,这就是怎样产生火焰的过程 此外,一氧化碳分子并不感到满足.它可能再缚住另个氧原了因此,可能出现远为 复杂的反应:氧与碳会结合起来,同时偶而又与一氧化碳分子碰撞.于是一个氧原子可能结 合到一个CO分子上,最终形成另一个分子,它包含一个碳原子和两个氧原子,称为二氧化 碳,并以CO2表示.假如我们以很快的速度在很少的氧气中燃烧碳的话(例如,在汽车引擎 金刚石在密气中也可以燃烧
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费曼物理学讲义(第一卷 請勿用 中,爆炸是如此迅遽,以致没有时间形成二氧化碳)訉形成了大逯的一氧化碳.在许多这种 重新排列的过程中,火量的能量被释放出来,依反应条件的不同而形成爆炸、火焰等等.化 於学家研究了这些原子的排列况,发现每一种物质都是某种类型的原子的排列 为了说明这个概念我们来考虑另一个例子.如果我们走到一个紫罗兰花圃里去我们 知道那是一种什么香气.这是某种分子或者说原子排列钻进了我们的鼻子.首先,这种分 利子是怎样钻进来的呢?这很容易.假如香气是飘浮在空气中的某种分子,它们就会到处晃 之动四面八方地撞来撞去,很可能偶而钻进了我们的鼻子,肯定分子并不想特别进入我们的 嗅觉器官.在挤成一堆的分子中,大家都无目的地到处徘徊而碰巧有一些分子却发现自己 原来已到达人的鼻子中了 现和,化学家可以取一些象紫罗兰香气这样特殊的分子进行分折,然后告诉我们原子在 空间的精确排列,我们知邈二氧化碳分子的结构是筒单而 对称的:O一0-一O.(这也很容易用物理方法来确定,)然 384而即使对化学中那些非常复杂的原子排列,人们也可以通 过长期的、卓越的探索工作来查明其排列方式.图1-9是空 空气中的男』气中紫罗兰香气图.我们再一次发现有氮氧以及水蒸气 Ⅺ(为什么这儿有水燕气?因为紫罗兰是湿的所有的植物 子都会蒸发水气.)然而我们还看到一个由碳原子氧原子及 图1-3 氢原子组成的“怪物”,它也选择了一种特殊的排列形式这 种形式比二绒化碳的排列远为复杂;事实上,它是一种极为复杂的排列.遗憾的是,我们无 法画出所有那些在化学上已确实知道的情况,因为所有的原子的精确排列都是三维的而我 们的画面只是二维的.六个碳原子组成了一个环,但它不是扃平的,而是一种“皱褶”的环 环的所有角度和间距都已知道所以一个化学式貝是这样的分子的一个画象当一位化学家 把它写在黑板上时,粗略地说,他是在二维空间里“画”图.比如,我们见到六个碳原子组成 的一个“环”,在一个端点还悬挂着一条碳“链”,链的第二个端点的碳上有一个氧原子,还有 三个氢原子连在那个碳原子上,两个氢原子和三个碳原子竖在这儿等等 化学家是怎样发现这种排列的呢?他把几瓶东西混合起来,如果变红了,就说明,在某 处有两个碳原子与一个氡原子联结在一起;如果变蓝了,就说明根本不是那么一回事这是 所做过的最奇妙的探索工作之一——有机化学.为了发现极其复杂的阵列中的原子排列 化学家观察两种不同的物质混合后究竟会发生什么事?当化学家描述原子的排列时,物理 学家从来不怎么相信化学家了解他在谈论的是什么.大约在20年前就能在某些情况下用 物理方法来研究这些分子的排列(不完全象我们这个分子那样复杂,只包括了它的一部分), 而且能通过测量而不是观察颜色来确定每个原子的位置,嗨!你瞧!化学家几乎总是正确 的 结果,实际上紫罗兰的香气里有三种略为不同的分子,其差别仅在于氢原子的排列不 同 化学的一个任务是给物质命名,从而使我们知道它是什么,给这种形状起个名字看看 这个名称不仅要表明形状而且还要说出这里是一个氧原子,那里是一个氢原子—确切地 说出每个原子的名称和位置,所以我们可以设想,为了全面起见化学名称一定是十分复杂 的,你们看!这个东西的比较完整的名称是4(2,2,3,6-四甲基-5-环己烯基)-3-丁烯
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1章原予的运动 勿2-酮它告诉你这样东西的结构还告诉你这就是它的排列方式.我们可以意识到化学家所 用遇到的困难,也懂得这样长的命名的理由.化学家们Q 於并不想把名称搞得这样晦涩难解,但在试图用词汇来 CH 描写分子时,他们却遇到了非常棘手的问题 利 图1-10是a鸢尾酮香料的分子结构图 我们怎么知道存在着原子呢?可以用上面提到过 一cH ∠的一种技巧:我们假设存在着原子而一个又一个的结 果与我们的预言相符合;如果事物真是由原子组成的 图1-10紫罗兰香a尾 的话,它们就应当如此,此外,也多少有点更为直接的正 否料的分子结构图 据,下面就是一个很好的例予,由于原子是如此之小,你用光学显微镜观察不到它,事实上, 即使用电子显微镜也不行.(用光学显微镜,你们只能看到大得多的东西)要是原子一直在 运动,比如水中的原子,那么如果我们把某种较大的球放到水中去,这个比原子大得多的球 就会晃来晃去一—航象玩球时,一个很大的球被许多人打来打去一样.人们向各个方向推 球,结果球在场地上作不规则的运动.同样,“大球”也将运动,因为它在各方面受到的碰撞 不等,在各个时刻受到的碰撤也不等.因此,如果我们用很好的显微镜观察水中很小的粒子 (胶粒),就能看到微粒在不停地跳动,这是原子碰撞的结果.这种运动称为布朗运动 我们在晶体结构上也可看到进一步的证据.在许多情况下由X射线分析推断出的结 构在空间“形状”上与自然界中的晶体实际上显示出来的形状相符合.实际晶体的各个“面” 之间的夹角与从晶体是由多层”原子构成的假设推断出来的角度之差在秒以下 一切都由原子构成.这就是关键性的假设.例如在整个生物学中最重要的假设是:动 物所做的每件事都是原子做的、换句话说:没有一件生物所做的事不能从这些生物是用服 从物理定律的动原子组成的这个观点来加以理解这在开始时并没有认识到:提出这种 假设需要作一些实验与推理但现在它已被接受了,它是在生物学领城内产生新观念的最有 用的理论 如果一块由个挨一个的原子组成的钢或盐可以具有这种有趣的性质;如果水—它 只不过是些小滴,地球上到处都有——可以形成波浪和泡沫,这些波浪冲向水泥堤岸时会产 生冲击声和奇妙的浪花;如果流细水水远只能是一堆原子那么还会有什么呢?假设我们 不是把原子排成确定的型式,再三重复,不断反复,或者甚至形成象紫罗兰香气那样复杂的 东西而是制造出一种各处都不相同的排列:不同的原子以不同的方式配置,不断改变从不 重复,那么事情会变得更加不可思议吗?—那个在你面前走来走去与你攀谈的东两可能 是一大群排列得非常复杂的原子吗?这个东西的彻底复杂性可能动摇你对它产生一些什么 想象吗?当我们说我们是一谁原予,这不意味着我们只是一堆原子,当你站在镜子前,你 就能在镜子里看到,一堆并非简单地一个一个重复排列的原子所组成的东西将会具有如何 丰富而生动的内容!
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請勿用於盈利之目的 2 基本物理 §2-1引言 在本章中我们将考察有关物理学的最基本观念—即我们在目前所知道的事物的本 性,这里将不去涉及我们如何知道所有这些观念是正确的那个认识过程;你们在适当的时 候会学习到这些具体的细节 我们在科学上所关心的事物具有无数的形式和许多属性,举例来说,假如我们站在岸 边眺望大海,将会看到:这里有海水、拍击的浪花、飞的泡沫以及汹涌的波浪,还有太阳、 光线、蔚蓝的天空、白云以及空气的流动一风;在海边有砂粒,不同色纹和硬度的岩石;在 海里浮游着生物,此生彼灭;最后,还有我们这些站在海岸边的观察者;甚至还有幸福和怀 念.在自然界的其他场合,难道不也同样出现如此纷繁复杂的事物和影响吗?无论在哪里 到处都是这样错综复杂和变化无穷.好奇心驱使我们提出问题,把事物联系起来,而将它们 的种种表现理解为:或许是由较少量的基本事物和相互作用以无穷多的方式组合后所产生 的结果 例如,沙粒和岩石是两回事吗?就是说,沙粒只不过是大量的细小石块吗?月亮是不是 块巨大的岩石呢?如果我们了解岩石,是否就能了解沙粒和月亮呢?风是否与海洋中的 水流相类似,就是一种空气的流动?不同的运动有代么共同特征?不同的声音有什么相似 之处?究竞有多少种颜色?等等等等.我们就是试图这样地逐步分析所有的事情,把那些 乍看起来似乎不相同的东西联系起来希望有可能减少不同类事物的数目,从而能更好地理 解它们 几个世纪以前,人们想出了一种部分解答这类问题的方法,那就是:观察推理和实验 这些内容构成了通常所说的科学方法.在这里,我们将只限于对那些有时称之为基本物理 中的基本观点,或者由于应用科学方法而形成的基本概念作一描述 现在我们要问:所谓“理解”某种事情指的是什么意思?可以作一想象:组成这个“世界” 的运动物体的复杂排列似乎有点象是天神们所下的一盘伟大的象棋*,我们则是这盘棋的观 众.我们不知道奕棋的规则所有能做的事就是观看这场棋赛.当然假如我们观看了足够 长的时间,总归能看出几条规则来.这些奕棋规则就是我们所说的基本物理.但是,即使我 们知道了每条规则,仍然可能不理解为什么下棋时要走某一步棋这仅仅是因为情况太复杂 了,而我们的智力却是有限的.如果你们会下棋就一定知道,学会所有的规则是容易的但 是,要选择最好的一着棋,或者要弄懂别人为什么走这一着棋往往就很困难了.在自然界 里,也正是如此,而且只有更难一些.但是,至少我们能发现所有的规则.实际上我们今天 还没有找到一切规则时而会出现一些象奕棋中的“以车护王”那样的情况,使我们仍然感到 无法理解).除此之外,我们确实能用已知规则来解释的事情也是非常有限的,因为几乎所 有的情况都是极其复杂的,我们不能领会这盘棋中应用这些规则的走法,更无法预言下一步 这里指的是国际象祺.—译者注
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