假如在一次浩动中所有的科学知识都被报毁,只剩下一 句话留给后代,什么语句包舍最多的信息?我相信,这是原 子假说,即万物由原子(微小粒子)组成,它们永恒地运动 着,并在一定距离以外互相吸引,而被挤压在一起时则互相 排斥,在这句话里包含了有关这世界巨大数量的信息 费恩曼① 第一章分子动理论内能 在融化的浮冰 春天到来,冰雪消融,大地复苏。残雪、浮冰、春水,还有看不见的弥漫在空中 的水汽,形成一幅美丽的画卷 水,为什么会以如此不同的形式存在?壮丽的大自然背后隐藏着什么秘密呢? ①费恩曼( Richard Phillips Feynman,1918-1988),美国物理学家,杰出的物理教育家,由于在量子电动力学方面的贡 献获1965年诺贝尔物理学奖
(第一章分子动理论内能 分子及其热运动 自古以来,人们就不断地探素物质组成的 秘密。两千多年以前,古希腊的著名思想家德漠 克利特( Democritus,约前460一前370)认为, 万物都是由极小的不可分的微粒构成的,并把 这种微粒叫做原子①,在古希腊学者提出古原子 论观点的同一时期,我国古代的墨家学派也曾 提出原子的观点,认为对物质进行分割时,分割 到“端”就不能再分割下去了。这些古代的学说 虽然没有实验根据,却包含着原子理论的萌芽 科学技术发展到今天,人们逐渐揭开了物 质组成的秘密。现在,原子的存在早已得到实验 的证实。科学研究还表明,一方面,原子也不是 不可再分的;另一方面,原子还能够结合成分 子,分子是具有一定化学性质的最小物质微粒。 实际上,构成物质的单元是多种多样的:或 是原子(如金属),或是离子(如盐类),或是分 子(如有机物)。在热学中,由于这些微粒做热量然古希腊人不可能直接观察到原子,但是德漠克利特 运动时遵从相同的规律,所以在这里把它们统有他的思考,他认为人可以到花香,那是因为花的原 称为分子( molecule) 子飘到人的鼻子里的缘故。 ■「分子的大小分子是很小的,不但用肉眼不能 直接看到它们,就是在光学显微镜下也看不到。现在有 了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜,我们已经能用它观 察到物质表面的分子。图1.1-1是我国科学家用扫描隧 道显微镜拍摄的石墨表面原子的照片,图中每个亮斑都 是一个碳原子。 怎样才能知道分子的大小呢?下面介绍一种粗略测 图1.1-1扫描隧道显微镜拍摄 定分子大小的方法。 的石墨表面的原子 ①古代学者所说的原子与现代物理学中的原子不间,现代物理学中的原子是有结构的
第一章分子动理论内能 实验》 用油膜法估测分子的大小 1选择油酸分子为估测对象 把很小体积的油酸滴在水面上时,水面上会形成一 油酸分子 层油酸薄膜,薄膜是由单层油酸分子纽成的①,其示意图 包电 如图1,1-2所示。粗略地把油酸分子看做球状,测出油膜 的厚度σ,就是油酸分子的直径。 油膜的厚度等于水面上这一小滴油酸的体积跟它在图1,1-2水面上单分子油膜的示意图 水面上摊开的面积之比,因此,要估测油酸分子的直径, 就要解决两个问題:一是茯得极小的一滴油酸并测量其体积,二是测量这滴油酸在水面上 形成的油膜面积。 2.如何获得极小的一滴油酸并测量它的体积 配制好一定浓度的油酸酒精溶液(例如油酸加酒精至200m)。用注射器嗄入 定体积的这种溶液,把它一淌一滴地滴入小量綺中,计下液淌的总數,便知道每淌 溶液的体积。由此,便可以计算出每1淌这种溶液中所含纯油酸的体积。 如果把滴这样的溶液淌入水面,溶液中的酒精将很快挥发,水面上的油膜便是这淌 溶液中的纯油酸所形成的。 3.如何测量油膜的面积 先往边长30~40ⅷm的浅盘里倒入约2cm深的 浮在水面上的炸子粉油酸膜 水,然后将癖子粉或石膏粉均匀地撒在水面上。用注 射器向水面滴入滴油酸酒精溶液,油酸立即在水面 散开,形成一块薄膜(图1.1-3)。待薄膜形状稳定后 在浅盘上放一块玻璃板,将油酸膜的形状用彩笔描在 玻璃板上 图1.1-3水面上形成一块油膜 将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,计 算轮廓范围内正方形的个数(不足半个的舍去,多于 半个的算一个)。这个数目乘以单个正方形的面积就得到油膜的面积,这样,根据1滴油 酸的体积V和油膜面积S,就可以算出油膜的厚度σ 即油酸分子的直径 S 物理学中测定分子大小的方法有许多种。用不同方法测出的分子大小并不完全相同,但数 量级是一致的。测定结果表明,除了一些有机物质的大分子外,一般物质分子直径的数量级为 10-0m。例如水分子的直径约为4×100m,氢分子的直径约为2.3×10-0m ①油酸的分子式为C1 HcOoH,它的一部分是羧基一COOH,对水有很强的亲合力而与水分子结合,另一部分C1H3 对水没有亲合力,要冒出水,因此油酸分子就一个个直立在水面上形成单分子厚度的油膜
(第一章分子动理论内能 阿伏加德罗常效]我们在化学课中已经学过,1mol 的任何物质都含有相同的粒子数,这个数目用阿伏加德罗 把分子看儆小球,是 常数( Avogadro constant)NA来表示。1986年用X射线 对分子做出的简化模型 法测得的阿伏加德罗常数是 实际上,分子并不真的都 是小球,分子还有复杂的 N=6.021367×103mo 内部结构 通常可取 说到分子的大小, NA=6.02×103mo 般情况下知道分子直径的 分子很小很小,所以常见物体中所含的分子数很多很 数量级就可以了。分子直 径的数量级可以使我们了 多。1cm3水中含有的分子数约为3.3×102个,假如全世 解分子是多么微小。 界60亿人不分男女老少都来数这些分子,每人每秒数1 个,也需要17万年左右的时间才能数完。把1g酒精倒入 贮存100亿立方米水的水库中,酒精分子均匀分布在水中以后,每1cm3水中的酒精分子仍然 在100万个以上! 「分子的热运动]我们在初中已经学过,一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。随 处可见的扩散现象,就是物质分子永不停息地做无规则运动的证明。 思考与讨论 扩散现象 什么是扩散现象?如果记不清楚了可以看看初中的物理课本。通过扩散现象,我们 可以对分子的运动做出什么猜测? 空气 玻璃板 二氧化氮 甲把空的广口瓶扣在装有棕色二氧化 乙蓝色的硫酸铜溶液逐 氮的瓶子上面的玻璃板上,抽去玻璃板, 渐扩到无色的清水中 过一会儿上面的瓶中也出现了棕色气体 图1.1-4这些现象说明了什么? 温度越髙,扩散进行得越快。这表示温度越高,分子的无规则运动就越剧烈。正因为分子 的无规则运动跟温度有关系,所以通常把分子的这种运动叫做热运动( thermal motion)。制 遣晶体管和集成电路时,要在某些纯净物质中掺入其他元素,这样的工艺就是在高温条件下通 过扩散完成的
第一章分子动理论内能 」「布翊运动]1827年英国植物学家布朗(R. Brown,1773-1858)在研究植物授粉的过 程中,无意间在显微镜下发现,悬浮在水中的花粉在不停地做无规则的运动。这是不是因为植 物有生命而造成的?布朗用当时保存了上百年的植物标本,取其微粒进行实验,并另取一些没 有生命的无机物粉末进行实验。布朗发现,不管什么徽粒,只要足够小,就会发生这种运动, 而且微粒越小,运动就越明显。这说明这种运动不是生命现象。为了纪念布朗的这个发现,人 们把液体或气体中悬浮微粒的无规则运动叫做布朗运动( Brown motion)。 实验 观察布朗运动 显微镜物镜 把墨汁用水稀释后取出一滴放在 昱微镜下观察(图1.1-5),可以看到悬 聋玻璃 的 浮在液体中的小炭粒在不停地做无規则 运动,炭粒越小,这种运动越明显。 载物玻璃 悬浊液 甲实验装置示意图 乙显微镜下看到的微粒 图1.1-5观察布朗运动 在显微镜下追踪一个小炭粒的运动,每隔30s记录一次 炭粒的位置,然后用直线把这些位置依次连接起来,就得到 类似图1.1-6所示的炭粒位置的连线。可以看出,炭粒的运动 是无规则的。实际上,就是在短短的30s内,炭粒的运动也 是极不规则的。 图1,1-6显微镜下看到的三颗傲粒运 动位置的违线 ? 思考与讨论 布朗运动的原因 图1,1-6中所示的几个小颗粒的运动情况并不相同。想想看,布朗运动产生的原因 可能是什么? 起初,人们认为布朗运动是由外界影响,如振动、液体的对流等引起的。但实验表明,在 尽量排除外界影响的情况下,布朗运动仍然存在,只要傲粒足够小,在任何悬浊液中都可以观 察到布朗运动,而且可以连续观察许多天甚至几个月,这种运动也不会停下来。可见布朗运动