第二章 4 固体

问题 ?

观察食盐颗粒和松香的外形,它们的外形各有怎样的特征?

问题插图

再用显微镜观察精盐和松香粉末的外形,两者有什么样的差别吗?


食盐颗粒总是呈现立方体形,松香颗粒没有规则的几何形状。

晶体和非晶体

固体可以分为晶体和非晶体两类。

石英、云母[1]、明矾、食盐、硫酸铜、味精等是晶体。

雪花是水蒸气凝华时形成的晶体,它们都具有相似的几何形状,即图案中都有六个角(图2.4-1)。食盐晶体是正六面体形,明矾晶体总是八面体形,天然石英晶体(俗称水晶)的中间是一个六棱柱,两端是六棱锥(图2.4-2)。晶体有天然的、规则的几何形状(图2.4-3)。

图2.4-1
图 2.4-1 雪花的形状

玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体。非晶体没有规则的外形。

图2.4-2
图 2.4-2 几种晶体的几何形状
图2.4-3
图 2.4-3 晶体的外形

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,晶体具有确定的熔点,非晶体没有确定的熔化温度,这就是区别之一。此外,其他物理性质也有差异。

实验

观察玻璃和云母片上石蜡熔化区域的形状

把熔化了的石蜡薄薄地涂在薄玻璃片和单层云母片上,再将烙铁通电烧热,然后用烙铁头分别接触玻璃片和云母片的背面(图 2.4-4)。观察玻璃片和云母片石蜡熔化区域的形状(图 2.4-5)。

图2.4-4
图 2.4-4 实验装置
图2.4-5
图 2.4-5 熔化区域的形状

石蜡熔化区域形状的不同说明了什么?


从实验结果可以看出,玻璃片上石蜡熔化区域的形状近似于圆形,表明玻璃沿各个方向的导热性能相同;云母片上石蜡熔化区域的形状呈椭圆形,表明云母沿不同方向的导热性能不同。还有些晶体沿不同方向的导电性能不同;而有些晶体沿不同方向的光学性质不同,这类现象叫作各向异性(anisotropy)。如图2.4-6,方解石晶体是各向异性的晶体,它能把光分解为两束光而沿不同方向折射,形成双折射现象。非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的,这叫作各向同性(isotropy)

图2.4-6
图 2.4-6 方解石的双折射现象

思考与讨论

常见的金属没有规则的形状,但具有确定的熔点。它们是晶体还是非晶体?


从金属的显微图样中可以看到,它是由许多细小的晶粒组成的(图2.4-7)。每个晶粒都是一个小的单晶体(monocrystal),有规则的形状且各向异性。

图2.4-7
图 2.4-7 显微镜下铝—锂—锰合金的断裂面

但是,由于这些小的单晶体的取向杂乱无章,所以金属没有确定的几何形状,也不显示各向异性,仅保留了在一定压强下具有确定熔点的特征,我们把它称为多晶体(polycrystal)。蔗糖受潮后粘在一起形成的糖块,看起来没有确定的几何形状。但是用放大镜观看,仍可以发现组成糖块的一个个晶体粒。粘在一起的糖块也是多晶体,单个的蔗糖晶体颗粒是单晶体。

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,某一种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。1982年,人们用扫描隧道显微镜观察到物质表面原子的排列。

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2.4-8是食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图。

图2.4-8
图 2.4-8 食盐晶体的微观结构

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,碳原子如果按图2.4-9那样排列,就成为石墨,而按图2.4-10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。

图2.4-9
图 2.4-9 石墨的微观结构
图2.4-10
图 2.4-10 金刚石的微观结构

原子(或者分子、离子)并不是静止不动的。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。

同种物质也可能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,天然石英是晶体,而熔化以后再凝固的水晶(即石英玻璃)就是非晶体 (图2.4-11)。有些非晶体在一定条件下也可以转化为晶体。

图2.4-11
图 2.4-11 石英玻璃

科学漫步

石墨烯实验研究背后的故事

我们知道,物体是由原子、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。用机械的方法把物体粉碎、研磨,可以得到很细的粉末,但实际上一粒这样的粉末仍比这里说的“小单元”大得多。当构成材料的“小单元”的某个维度达到纳米尺度时,它的性质就会发生很大的变化。石墨烯就是一个典型的例子。

石墨烯具有六边形的晶格结构(图2.4-12),单层厚度仅为0.335 nm。2010年的诺贝尔物理学奖授予了安德烈·盖姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫两人,以表彰他们对石墨烯的开创性实验研究。

图2.4-12
图 2.4-12 石墨烯六边形的晶格结构

安德烈对待研究工作一直颇具想象力和好奇心。例如,他在利用超导强磁铁发现水分子具有抗磁性后(水滴悬浮在磁场中),便开始思考:生物体内绝大多数物质是水,而且生物体内的蛋白质也具有抗磁性,如果将生物体放入磁场内,会像水滴一样悬浮吗?于是,他把一只活体青蛙放入磁场,在精确的计算下,这只青蛙真的悬浮在了磁场中。安德烈将这个实验结果发表在了物理期刊上,并为他赢得了2000年的“搞笑诺贝尔物理学奖”。然而,他的想象力并未止步,也从未停止……

在2004年之前,人类对材料的研究已经进入纳米、甚至原子尺度,人们也对石墨烯的结构有了更清晰的认识,预言了单层石墨可能会有非常好的物理性质。但如何把石墨不断磨薄,薄到只有一个原子的厚度,然而,这个世界性难题还是让很多科学家们望而却步了,甚至有人质疑单层石墨是否能够独立存在。安德烈的想象力再一次“拯救”了这项研究,在助手们试图将石墨块磨成石墨烯而陷入“绝境”的时候,安德烈在偶然的机会下,观察到助手们用透明胶带去除石墨块表面的污渍。这时他天才的直觉引导他将粘过的胶带放到仪器下观察,发现远比助手们打磨好的样品薄了许多,有的甚至只有几十个原子那么厚。随即,他便利用透明胶带反复地粘黏,直到获得了单层的石墨——石墨烯。石墨烯独特的结构使得它在力学、电学等方面具有很多奇特的物理性质。

在力学特性方面,石墨烯是目前人类已知的强度最高的物质之一。强度比世界上最好的钢铁还要高百倍之多。同时还具有很好的韧性,且可以弯曲。在电学、热学特性方面,电子在石墨烯中“奔跑”的速率(即迁移率)比在硅材料中高出数十倍甚至上百倍,这有利于进一步提高计算机处理器的运算速率。

无论是搞笑的,还是货真价实的诺贝尔物理学奖,安德烈的研究总是让人颇感意外。解决具有挑战性的科学问题,除了扎实的理论和精密的仪器外,好奇心、想象力、对日常生活的细致观察和灵活运用也同样重要。

练习与应用

1.某人为了检验一块薄片物质是否为晶体,做了一个实验。他以薄片的正中央O为坐标原点,建立Oxy平面直角坐标系,在两个坐标轴上分别取两点x1y1 ,使x1y1O点的距离相等。在x1y1 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x1 点和y1 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。

请说明:以上结论科学吗?为什么?

2.食盐晶体的结构可以用钠离子和氯离子空间分布的示意图表示(图2.4-8),图中相邻离子的中心用线连起来了,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 ρ 为2.17×103 kg/m3 外,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:图中最小立方体的个数与离子数目相等。

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2.4-13表示了岩盐晶体的平面结构:粉红点为氯离子,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AA1,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,不考虑扇形以外远处离子的作用。

图2.4-13
图 2.4-13 岩盐晶体的平面结构

(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,而且它们之间的相互作用遵从“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AA1分界线断开?

提示: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。

 

[1] 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,在过去没有塑料的年代,云母常在电器中当作绝缘物使用。

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发布时间:2021-1-11 12:32:01  阅读次数:29

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