第九章物態(tài)和物態(tài)變化

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1、第九章物態(tài)和物態(tài)變化物理學(xué)是一場奮戰(zhàn)，強大的對手是自然?！s·惠勒約·惠勒（JohnWheeler，1911～），美國普林斯頓大學(xué)教授，理論物理學(xué)家，“黑洞”等名詞的創(chuàng)造者。物質(zhì)是由分子組成的。分子在不停地做無規(guī)則運動，它們之間存在著相互作用力。這兩種作用相反的因素決定了分子的三種不同的聚集狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。物質(zhì)處于不同狀態(tài)時具有不同的物理性質(zhì)。人類對物質(zhì)屬性的認識是從宏觀到微觀不斷深入的過程。應(yīng)該說，人們對新材料或傳統(tǒng)材料新功能的開發(fā)和研制從來沒有停止過。從遠古的石器時代，到后來的青銅器時代、鐵器時代……

2、新材料在人類文明進程中都扮演了重要的角色。第九章1固體思考與討論把一些常見的固體物質(zhì)分為兩組：一組是玻璃、蜂蠟、硬塑料等；另一組是鹽粒、砂糖、石英等。兩類固體物質(zhì)的外表各有什么特征？8/8晶體和非晶體固體可以分為晶體和非晶體兩類。石英、云母云母是一種礦物，化學(xué)成分為鋁硅酸鹽，可以剝成一片片的薄層。有些云母的絕緣性能很好，在過去沒有塑料的年代，云母常在電器中用做絕緣物。、明礬、食鹽、硫酸銅、蔗糖、味精等是晶體。雪花是水蒸氣凝華時形成的晶體，它們的形狀雖然不同，但都是六角形的圖案。食鹽晶體總是立方體形，明礬晶體總是八面

3、體形，石英晶體（俗稱水晶，圖9.1-1）的中間是一個六棱柱，兩端是六棱錐。圖9.1-1水晶圖9.1-2幾種晶體的幾何形狀玻璃、蜂蠟、松香、瀝青、橡膠等是非晶體。非晶體沒有確定的幾何形狀。蔗糖受潮后會粘在一起形成糖塊，看起來沒有確定的幾何形狀。但是用放大鏡觀看，仍可發(fā)現(xiàn)組成糖塊的一個個晶體粒。粘在一起的糖塊是多晶體（polycrystal），單個的晶體顆粒是單晶體（monocrystal）。由于多晶體是許多單晶體雜亂無章地組合而成的，所以多晶體也沒有確定的幾何形狀。常見的金屬是多晶體，利用金相顯微鏡可以看到金屬的細微

4、結(jié)構(gòu)（圖9.1-3）。8/8圖9.1-3顯微鏡下鋁-鋰-錳合金的斷裂圖晶體管、集成電路的工作與材料的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，材料內(nèi)原子的排列不能是雜亂無章的，所以制作晶體管、集成電路只能用單晶體，例如單晶硅、單晶鍺。如何以較低的成本生產(chǎn)高純度、大尺寸的半導(dǎo)體單晶體，是發(fā)展微電子工業(yè)的關(guān)鍵之一。圖9.1-4單晶硅在微電子工業(yè)中應(yīng)用廣泛除了形狀是否規(guī)則外，晶體和非晶體在物理性質(zhì)上也有所不同。我們在初中已經(jīng)學(xué)過，晶體有確定的熔點，非晶體沒有確定的熔點，這就是區(qū)別之一。此外，其他物理性質(zhì)也有差異。根據(jù)單晶體與多晶體的區(qū)別，你認為多晶

5、體是否會有確定的熔點？實驗把熔化了的蜂蠟薄薄地涂在薄玻璃片上。把一枝縫衣針燒熱，然后用針尖接觸蜂蠟層的背面，不要移動，觀察蜂蠟熔化區(qū)域的形狀（圖9.1-5甲）。8/8圖9.1-5蜂蠟熔化區(qū)域的形狀把玻璃片換成單層云母片，再做以上實驗。在玻璃片上和云母片上，蜂蠟熔化區(qū)域形狀的不同說明了什么？有些晶體沿不同方向的導(dǎo)熱或?qū)щ娦阅懿煌?；有些晶體沿不同方向的光學(xué)性質(zhì)不同。這類現(xiàn)象稱為各向異性（anisotropy）。非晶體沿各個方向的物理性質(zhì)都是一樣的，這叫做各向同性（isotropy）。由于多晶體是許多單晶體雜亂無章地組合

6、而成的，所以多晶體是各向同性的。思考與討論通過晶體呈現(xiàn)的特殊物理性質(zhì)，你認為晶體在微觀結(jié)構(gòu)上可能有什么特點？晶體的微觀結(jié)構(gòu)為什么晶體的形狀和物理性質(zhì)會與非晶體不同？人們認為很可能是它們的微觀結(jié)構(gòu)不一樣。從17世紀到19世紀，陸續(xù)出現(xiàn)了一些假說，認為各種晶體內(nèi)部的微粒是按各自的規(guī)則排列著的，但是由于當時檢測技術(shù)的限制，缺少實驗證據(jù)，所以這些想法只能是假說。到了20世紀初，通過X射線在晶體上衍射的實驗，這種假說才得到證實。在20世紀70年代，人們又用電子顯微鏡觀察到了鈾、釷原子的像。到了1982年，掃描隧道顯微鏡的問世

7、，使人類第一次觀察到原子在物質(zhì)表面的排列狀況。關(guān)于晶體對X射線的衍射，《選修3-4》中會有粗淺的描述。在各種晶體中，原子（或分子、離子）都是按照一定的規(guī)則排列的，具有空間上的周期性。圖9.1-6是食鹽晶體中氯離子和鈉離子分布的示意圖。8/8圖9.1-6食鹽晶體中氯離子和鈉離子分布的示意圖有的物質(zhì)在不同條件下能夠生成不同的晶體。那是因為組成它們的微粒能夠按照不同規(guī)則在空間分布。例如，碳原子如果按圖9.1-7甲那樣排列，就成為石墨，而按圖9.1-7乙那樣排列，就成為金剛石。石墨是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間距離較大，原子間的作

8、用力比較弱，所以石墨質(zhì)地松軟，可以用來制作粉狀潤滑劑；金剛石中碳原子間的作用力很強，所以金剛石有很大的硬度，可以用來切割玻璃。原子（或者分子、離子）并不是在圖9.1-6和圖9.1-7所畫的那些點上靜止不動。它們在不停地振動，圖中所畫的那些點，是它們振動的平衡位置。同種物質(zhì)也可錢以晶體和非晶體兩種不同的形態(tài)出現(xiàn)，也就是說，物質(zhì)是晶體還是非晶體，并不是絕對的。例