第一章分子动理论内能 非晶体没有规则的几何形状。 晶体和非晶体在物理性质上也 拿举取 有所不同。例如,我们在初中已经学 过,晶体有确定的熔点,非晶体没有 率享水 确定的熔点。 下面,我们来探讨晶体和非晶 兼章率 体还有哪些不同的物理性质。 图1,3-2漂亮的黄水晶 图1,3-3各种形状的雪花 演示 取一张薄云母片,在上面涂一层很薄的石蜡,用烧热的钢针去接触云母片的另一面。 观察接触点周围的石蜡熔化后所成的形状。然后再在玻璃片上做同样的实验,比较观察的 结果。 从实验中我们看到,熔化了的石蜡在云母片上呈椭圆形(图1.3 4甲),而在玻璃片上呈圆形(图1.3-4乙)。 这个实验表明,云母晶体在各个方向上的导热性能不同,而玻 璃(非晶体)在各个方向上的导热性能相同。 晶体在不同的方向上不仅导热性能可能不同,而且机械强度、导甲云母片上化了的石蜡 电性能等其他物理性质也可能不一样。也就是说,晶体的物理性质 可能与方向有关,这种特性叫做各向异性( anisotropy)。非晶体的 各种物理性质,在各个方向上都是相同的,所以是各向同性 ( isotropy)的。 乙玻璃片上熔化了的石蜡 片雪花、一颗盐粒就是一个晶 图13-4云母片的导热性 体,我们把它叫做单晶体。某些单晶能是各向异性的 体是制造高科技产品的重要原料,在 制造集成电路时,要用纯度很高的单晶硅或单晶锗。 我们在生活中看到,大盐块常常是由许多小盐粒粘在一起 甲单晶硅在生长炉中成长的情形 组成的,每个小盐粒都是一个单晶体,它们杂乱无章地排列着, 形成的大盐块就是多晶体。平常见到的各种金属材料,都是多 晶体,如果把铁块放到金相显微镜下观察,可以看到它是由许 许多多晶粒组成的。多晶体没有规则的几何形状,也不呈现各 向异性,但是同单晶体一样,仍然有确定的熔点。 乙用晶片制作的集成电路 一种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现,也就 (尚未切割) 是说,一种物质是晶体还是非晶体,并不是绝对的。例如,天 图13-5 然水晶是晶体,而熔化以后再凝结的水晶——石英玻璃,就是
(第一章分子动理论内能 非晶体。有的物质能够生成几种不同的晶体,例如碳原子可以形成层状结构的晶体——松软的 石墨,也可以形成正八面体结构的晶体——坚硬的金刚石。有些非晶体在一定条件下可以转化 为晶体。例如,古老建筑的窗玻璃会出现局部结晶状态。人们在研究中还发现,在冷却得足够 快、温度足够低时,几乎所有的材料都能成为非晶体。 探索者 是晶体.还是非晶体? 找来敦大的蔗糖颗粒,在放大镜下观察。观察时,要用针翻 动晶体仔细看清晶体各个面的形状。描述这种晶体的外形。 把大糖粒弄碎,再在放大镜下观察。小颗粒的外形与大颗粒 的相同吗? 把蔗糖放到锅里加热,.熔化后再凝固,形成糖块。块状的糖 是晶体还是非晶体?设计一个实验进行研究,并阐述你的结论 图1.3-6糖葫芦上的糖是 晶体还是非晶体? 液体液体的宏观性质介于气体和固体之间,它一方面像固体,具有一定的体积,不易 压缩;另一方面又像气体,没有一定的形状,具有流动性。液体的这些性质是由它的微观结构 决定的。 液体在汽化时,体积会增加上千倍;而在凝固时,体积改变只有约10%。这表明,液体分 子的间距更接近于固体,液体分子也是密集在一起的,因而液体具有一定的体积,不易压缩。 但是,液体分子之间的相互作用不像固体中的微粒那样强,液体分子只在很小的区域内呈较规 则的排列,这种区域是暂时的,边界和大小随时改变,有时瓦解,有时又重新形成。液体由大 量暂时形成的小区域构成,这种小区域杂乱无章地分布着,因而液体表现出各向同性。 与气体相比,液体分子间的距离小,相互作用力大。液体分子的热运动与固体类似,主要 表现为在平衡位置附近的微小振动。与固体不同的是,液体分子没有固定的平衡位置,在振动 的同时它的平衡位置也在变化,也就是说,液体分子可以在液体中移动。 液体中的扩散现象是由液体分子的热运动产生的。在相同温度下,液体里分子的移动比在 固体中容易,所以发生在液体中的扩散比在固体中快得多。 非晶体的微观结构跟液体非常类似,可以看作是黏滞性极大的液体。所以严格说来,只有 晶体才能叫做真正的固体。 液体的表面张力叶面上的露珠、玻璃板上的小水银滴,总是球形的;滴管缓慢滴出的 液体不是连续的液流而是一连申的液滴;一些昆虫可以停在水面上而不致沉入水里……这是
第一章分子动理论内能 为什么? 通过下面的实验和分析,我们就会明白其中的道理 实验 把一根棉线的两端系在铁丝环上(棉线不要绷紧),然后 图1,37水黾(音m可以停 把环浸入肥皂水里,再拿岀来,环上就布满了肥皂水的薄膜。 在水面上 这时薄膜上的棉线是松弛的(图1.3-8甲)用热针刺破棉线右 侧的薄膜,观察薄膜和棉线发生的变化。重做这个实验,这叶 用热针刺破棉线左侧的薄膜,观察薄膜和棉线发生的变化 图13-8观察肥皂膜的变化 实验中可以看到,刺破棉线右侧的薄膜,左侧的 薄膜就会收缩(图1.3-8乙);劇破棉线左側的薄膜,右 侧的薄膜就会收缩(图1.3-8丙)。 下面再做一个实验。 图1.3-9观察棉线圈的变化 实验 把—个棉线系在铁丝环上,使环上布满肥皂水的薄膜,这时膜上的棉线圈是松弛的 (图1.3-9甲)。用热针刺破棉线圈里的肥皂膜,观察棉线圈外的薄膜和棉线圈有什么变化 实验中可以看到,刺破棉线圈里的肥皂膜后,棉线圈外的肥皂膜就会收缩(图1.3-9乙)。 这些实验表明:液体的表面就好像张紧的橡皮膜一样,具有收缩的趋势。 为什么液体表面具有收缩的趋势呢?原来,液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫做表 面层,表面层里的分子要比液体内部的分子稀疏些,也就是分子间的距离要比液体内部分子间 的距离大些。图1.3-10显示出液体表面附近分子分布的大致情况。在液体内部,分子间既存在 着引力,又存在着斥力,引力和斥力的大小相等,处于平衡状态。在表面层里,分子间的距离 13
(第一章分子动理论内能 比较大,分子间的相互作用表现为引力。 如果在液面上画一条分界线MN(图1.3 气体 11),把液面分为(1)和(2两部分,那么, 表面层 液体 由于表面层中分子间的引力,液面(1)对 液面(2)有引力F1的作用,液面(2)对液 图13=10 面(1)有引力F2的作用,F1与F2大小相 等、方向相反。液面各部分间这种相互吸引的力,叫做表面张力 图13-11 surface tension)液体的表面张力使液面具有收缩的趋势。在体积相等的各种形状的物体中, 球形物体的表面积最小,所以草叶上的露珠,小水银滴等,都因表面张力而呈球形 科学漫步 液晶 物质通常呈固、液态和气奇。但是 许多有机化合物可以呈现介于晶体和液体 固态 液晶态 液态 之间的状奇。在这种状态下的物质,一方 13-12固态、液晶态及液态的分子排列示意图 面像液体一样具有流动性,另一方面又像晶体,分子在特定方向排列得比软整齐,具有各向异性。 人们把物质的这种状态叫做液晶态、把处于这种状态的物质叫做液晶( iquid cry?ta)液晶态是介 于固奇和液奇之间的中间态(图1.5-12) 现在已发现几千种有机化合物具有液晶态,天然存在的液晶不多,大多数的液晶是人工合成的。 液晶分子的排列是不稳定的,外界条件的微小变化,例如温度、压力、摩擦、电磁作用、容器表面 的差异等,都会引起液晶分子排列的变化,因而改变液晶的某些性质 有一种液晶,夹在两片叫做“偏振片”的特殊塑料片中,液晶的上下两面安装着电极。在电极 间施加电压时,液晶透光的性质发生变化,这样就能依电极的形状显示出各种字符和图案。利用液 晶的这一特性可以制作显示元件。这种显示方法广泛用于电子手表、电子计算器等仪器中 有一种液晶,随着温度的升高,它的颜色会按红,檀、黄,绿、蓝、献、蒙的顺序改变:温度 降低,又按相反顺序变化。液晶的这种性质,可以用来探测温度。例如,在医学上可用来检查肿瘤: 在皮肤表面涂一层液晶,由于肿瘤部分的温度与周围正常组织的温度不一样,液晶会显示出不同的 颜色,利用这种液晶还可以检查电路中的短路点:把液晶涂在印刷 电路板上,由于短路位置的温度升高,这个地方液晶显示的颜色就 与其他地方不同 从19世纪80年代发现液晶开始,科学家对它进行了80多年 的研究,为它在技术应用上的突破做了准备。20世纪60年代,随 着电子技术的迅速发展,人们将液晶应用于显示技术,于是它在电 子工业,航空工业、生物、医学等领域内获得了广泛的应用。近年 来,液晶的理论又在细胞生物学和分子生物学中得到了发展,随着 1.3-13液晶显示器 科学技术的发展,液晶的理论和技术应用有着广阔的前途 14
第一章分子动理论内能 STS 材料与人类社会的发展 大约100万年前,人类开始把石头当做工具:用带尖的石头打击 野兽,细长的石头挖据食物,石刃锋利的切割食物……石制工具的应用 拉开了田石时代的序幕。这个时代占据整个人类历史的99%,直到约 1万年前,人类才把石头加工成更为精致的器皿和工具,进入了新石器 时代 从利用天然火到摩擦取火,神圣的火加速了人类生产新材料,新工 具的进程。火不仅使人类吃到熟食,而且使人类发明了用黏土成型,火 烧固化做成的陶器,从而迈进陶器时代。在烧陶过程中,某些石头还原 出了铜和锡,凝固后便成为一种合金。于是有了青铜器,人类也进一步 迈入青铜器时代。欧洲的青铜器时代始 于公元前800年,我国黄河流域在公元前 旧石器时代的丁 2000年进入青铜器时代,商朝已是青铜 村人制作的石器 器时代的鼎盛时期 铁器对人类的影响更大,公元前8世纪,北非各地相继进 入铁器时代,中国在春秋末期(公元前6世纪)冶铁技术也达 到了很高水平。从古代的金属兵器和生活器具,到近代的火车 巨龙,钢铁一直扮演着人类材料史上“元帅”的角色 近百年来,特别是近三四十年来,随着科学的发展,制备 材料的工艺有了突飞猛进的进 步,对材料内部结构更加深入 大地湾出土的仰部文化陶器 的研究,形成了一门新兴的学 科—材料科学。人类利用材 料科学的研究成果,得到了超纯的错和硅,才有了今天的半 导体,得到了比现有大块金属强度高100多倍的晶须。现在 用等离子气相沉积的方法,可以在工具表面加上一层硬度跟 金刚石差不 多的薄膜.采 用骤冷的办 法可以使某 西周晚期的青铜器—毛公鼎 些金属生成 用途广泛的玻璃态金属(即非晶态金属)… 今天,材料的概念已经发生了变化,人们 不再单纯地利用天然存在的物质,而是根据窗 要去设计新材料。各种各样的生物材料、智能 非晶态合金 材料。纳米材料正源源不断地涌现