第七章 固体、液体和气体的性质.docx

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1、第七章固体、液体和气体的性质在20世纪上半叶，物理学对固体的研究主要是针对自然界天然存在物体的一些物理现象，例如各种金属和非金属晶体。但到20世纪下半叶，固体物理逐渐演变为含义更广的凝聚态物理（液态也包括在内）。研究方法上主要是从微观结构和微观粒子（分子、原子、电子）的运动来研究其宏观性质。我们从分子动理论可以知道，分子不停地在做无规则运动，它们之间有相互作用力存在。分子力的作用使分子聚集在一起，分子的无规则运动又使它们分散开来，这两种作用相反的因素决定了分子的三种不同的聚集状态：固态、液态和气态。固体和液体有一个共同点，即原子、分子间距离较短，彼此间有较强的作用，

2、它们都不易被压缩。而气体和液体都没有一定的形状，都具有流动性，所以统称为流体。气体分子间距离较大，分子间的作用十分微弱，可以认为气体分子除了跟别的分子或跟器壁碰撞时有相互作用外，不受其他任何作用力，所以气体分子可以到达容器的任何角落而充满整个容器。本章我们将学习固体、液体和气体的性质，以及它们的微观结构。第七章A固体的基本性质瑞典皇家科学院于1996年10月宣布，将当年诺贝尔化学奖授予美国的罗伯特·柯尔、理查德·斯莫利和英国的哈罗德·克罗托。这三位科学家获奖的原因是他们发现了一种新的碳的同素异构体：碳-60。这种分子形状很像足球的新材料有许多独特的性质，将在21世纪

3、的经济建设中发挥重要的作用。图7-1那么，极微小的“足球”为什么会在科技界引起如此巨大的轰动效应呢？要解释这些问题，我们必须从固体的微观结构及其基本性质讨论起。一、晶体和非晶体固体是一种物质的凝聚态。从结构上说，一般可以把固体分成晶体和非晶体两大类，我们平时接触的物质，如金属、玻璃、木材、泥土等，其中哪些是晶体？哪些是非晶体呢？6/6拓展联想你知道什么是凝聚态物质吗？物质除气、液、固三种常见状态外，还有介于液、固之间的中间态、等离子态、低温下的特殊量子态（如超流态）等。除稀薄气体外，包括稠密气体在内的其他各种物质状态统称为物质的凝聚态，人们对凝聚态物质的研究是从结构

4、最有规律的晶体开始的。1．晶体与非晶体的区别自然界中存在的大多数固体都具有晶态结构，例如，大家都知道的岩石、金属、食盐、糖、味精、硫酸铜等都是晶体，泥土、棉花和肌肉纤维等也都由晶体构成，甚至构成生命的物质基础——蛋白质、核酸等，它们也是晶体。我们生病的时候要吃药，而各种固体状态的药品，如消炎片、阿司匹林等都由晶体构成。现在已经证实，甚至许多活着的病毒也是晶体。所以，我们可以毫不夸张地说：“人类生活在晶体世界里！”最普通的非晶体就是玻璃，所以有时候非晶体也叫玻璃体，谁能想到，这种透明晶亮的玻璃反而不是晶体呢！当然，除玻璃外，常见的非晶体还有橡胶、石蜡、沥青和塑料等。晶

5、体和非晶体无论在外形上还是物理性质上都有很大区别。晶体具有规则的几何形状，非晶体没有规则的外形。图7-2所示是几种晶体的形状。图7-3（a）所示是呈立方体外形的食盐晶体，图7-3（b）是呈八面体的明矾晶体，图7-3（c）是石英晶体的外形图：中间是六面棱柱，两端是六棱锥，图7-4是由矿物石英形成的紫水晶的外形图，在地壳中的大多数矿石都以晶体形式存在，例如可做成贵重首饰的钻石和翡翠就存在于天然矿石中。图7-5是世界上最大的切割好的钻石——库里南Ⅰ号（530.2克拉），它被镶嵌在英国国王的权杖上。图7-2图7-36/6图7-4图7-5在初中已学过，晶体有一定的熔点，而非晶

6、体没有一定的熔点，另外，晶体和非晶体还有许多物理性质也不相同。晶体在不同方向上的物理性质（力学、热学、电学、光学性质等）是不尽相同的，这种现象称为晶体的各向异性，是区别于非晶体的一个基本特征。现在我们一起来做几个小实验，比较一下晶体与非晶体的物理性质究竟有哪些不同之处。（1）取一张云母薄片和一块玻璃片，在上面涂上一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触云母片和玻璃片的下表面，比较一下观察到的结果。从实验可知，在云母片上熔化的石蜡呈椭圆形，如图7-6（a）所示；在玻璃片上呈圆形，如图7-6（b）所示。这表明了云母晶体在各个方向上的导热性能是不一样的；非晶体玻璃在各个方向

7、上的导热性能却是相同的。图7-6（2）在不同方向对云母片用力，在某个方向上可以把云母片很容易地撕成片状，而其他方向就不易撕开。说明云母晶体在不同方向上的力学性质是不同的，而玻璃不管在什么方向上受到撞击，都会“粉身碎骨”，说明非晶体的力学性质在各个方向上是相同的。进一步实验可知，晶体的光学性质也是各向异性的，如在不同方向上，晶体有不同的折射性质等。点击晶体与非晶体之间是可以相互转化的。天然水晶是晶体，而熔化以后再凝结成的水晶——石英玻璃却是非晶体，非晶体在一定条件下也可转化为稳定的晶态物质，这一转化叫晶化过程。6/62．单晶体与多晶体晶体又分单晶体和多晶体。整个物