第九章 物态和物态变化.docx

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1、第九章物态和物态变化物理学是一场奋战，强大的对手是自然。——约·惠勒约·惠勒（JohnWheeler，1911～），美国普林斯顿大学教授，理论物理学家，“黑洞”等名词的创造者。物质是由分子组成的。分子在不停地做无规则运动，它们之间存在着相互作用力。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。物质处于不同状态时具有不同的物理性质。人类对物质属性的认识是从宏观到微观不断深入的过程。应该说，人们对新材料或传统材料新功能的开发和研制从来没有停止过。从远古的石器时代，到后来的青铜器时代、铁器时代……新

2、材料在人类文明进程中都扮演了重要的角色。第九章1固体思考与讨论把一些常见的固体物质分为两组：一组是玻璃、蜂蜡、硬塑料等；另一组是盐粒、砂糖、石英等。两类固体物质的外表各有什么特征？8/8晶体和非晶体固体可以分为晶体和非晶体两类。石英、云母云母是一种矿物，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，云母常在电器中用做绝缘物。、明矾、食盐、硫酸铜、蔗糖、味精等是晶体。雪花是水蒸气凝华时形成的晶体，它们的形状虽然不同，但都是六角形的图案。食盐晶体总是立方体形，明矾晶体总是八面体形

3、，石英晶体（俗称水晶，图9.1-1）的中间是一个六棱柱，两端是六棱锥。图9.1-1水晶图9.1-2几种晶体的几何形状玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体。非晶体没有确定的几何形状。蔗糖受潮后会粘在一起形成糖块，看起来没有确定的几何形状。但是用放大镜观看，仍可发现组成糖块的一个个晶体粒。粘在一起的糖块是多晶体（polycrystal），单个的晶体颗粒是单晶体（monocrystal）。由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体也没有确定的几何形状。常见的金属是多晶体，利用金相显微镜可以看到金属的细微结构（

4、图9.1-3）。8/8图9.1-3显微镜下铝-锂-锰合金的断裂图晶体管、集成电路的工作与材料的微观结构有关，材料内原子的排列不能是杂乱无章的，所以制作晶体管、集成电路只能用单晶体，例如单晶硅、单晶锗。如何以较低的成本生产高纯度、大尺寸的半导体单晶体，是发展微电子工业的关键之一。图9.1-4单晶硅在微电子工业中应用广泛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，晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点，这就是区别之一。此外，其他物理性质也有差异。根据单晶体与多晶体的区别，你认为多晶体是否会

5、有确定的熔点？实验把熔化了的蜂蜡薄薄地涂在薄玻璃片上。把一枝缝衣针烧热，然后用针尖接触蜂蜡层的背面，不要移动，观察蜂蜡熔化区域的形状（图9.1-5甲）。8/8图9.1-5蜂蜡熔化区域的形状把玻璃片换成单层云母片，再做以上实验。在玻璃片上和云母片上，蜂蜡熔化区域形状的不同说明了什么？有些晶体沿不同方向的导热或导电性能不同；有些晶体沿不同方向的光学性质不同。这类现象称为各向异性（anisotropy）。非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的，这叫做各向同性（isotropy）。由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所

6、以多晶体是各向同性的。思考与讨论通过晶体呈现的特殊物理性质，你认为晶体在微观结构上可能有什么特点？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，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。到了1982年，扫描隧道显微镜的问世，使人类第一

7、次观察到原子在物质表面的排列状况。关于晶体对X射线的衍射，《选修3-4》中会有粗浅的描述。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9.1-6是食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图。8/8图9.1-6食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图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9.1-7甲那样排列，就成为石墨，而按图9.1-7乙那样排列，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

8、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。原子（或者分子、离子）并不是在图9.1-6和图9.1-7所画的那些点上静止不动。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。同种物质也可钱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