高中物理竞赛《固体和液体的性质》.doc

竞赛补充阅读材料《固体和液体的性质》

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第四讲《固体和液体的性质》
一、晶体和非晶体
固体可以分成晶体和非晶体两类。在常见的固体中，石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜等都是晶体，玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等都是非晶体。晶体和非晶体在外形上和物理性质上有很大区别。
图1
晶体具有天然的规则的几何形状，它的外形是由若干个平面围成的多面体。例如食盐的晶体是立方体如图1甲，明矾的晶体是八面体如图l乙，石英的晶体(透明的石英晶体叫水晶，中间是六面棱柱，两端是六面棱锥如图1丙。冬季的雪花是水蒸气在空气中冻结时形成的冰的晶体，它们的形状虽然不同，但都呈六角形的规则图案。非晶体则没有规则的外形。
图2甲
图2乙
从实验知道，晶体在不同方向上的物理性质(力学性质、热学性质、电学性质、光学性质等)是不同的。这种现象叫做晶体的各向异性。以导热性为例，我们来看下面的实验。在一张云母片上涂上很薄一层石蜡，然后用烧热的钢针的针尖接触云母片，接触点周围的石蜡就熔化了，而熔化了的石蜡成椭圆形如图2甲所示。这表明云母晶体在不同方向上的导热性是不同的。用玻璃板代替云母片重做上面的实验，熔化了的石蜡则成圆形如图2乙所示，表明非晶体玻璃在不同方向上的导热性是相同的，即各向同性。各向异性是晶体区别于非晶体的一个基本特征，我们可以借助于物体是否具有各向异性来判断它是不是晶体。
晶体可以分为单晶体和多晶体。如果整个物体就是一个晶体，这样的物体就叫做单晶体。上面说的晶体就是指单晶体。单晶体是科学技术上的重要原材料。制造各种晶体管就要用纯度很高的单晶硅或单晶锗。
如果整个物体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体(晶粒)组成的，这样的物体就叫做多晶体。平常见到的各种金属材料就是多晶体。把纯铁做成的样品放在显微镜下观察，可以看到它是由许许多多晶粒组成的。晶粒有大有小，最小的只有10-5厘米那样大，最大的也超不过10-3厘米。每个晶粒都是一个小单晶体，具有各向异性。由于晶粒在多晶体里杂乱无章地排列着，所以多晶体没有规则的几何形状，也不显示各向异性，它在不同方向上的物理性质是相同的，即各向同性。
二、空间点阵
十九世纪中叶，人们根据晶体外形的规则性和各向异性提出了一种假说，认为晶体内部的微粒是有规则排列着的。从1912年开始的应用X射线对晶体结构进行的研究，证实了这种假说的正确。现在，人们用电子显微镜对晶体内部结构进行直接观察和照相，进一步证实了这种假说的正确。
组成晶体的物质微粒(分子、原子或离子)依照一定的规律在空间中排成整齐的行列，构成所谓空间点阵。如果沿着这些物质微粒的行列画出直线来，可以得到若干组平行线，物质微粒就在这些组平行线的交点上。这些交点叫做空间点阵的结点。
图3
图4
晶体中物质微粒的相互作用是很强的，微粒的热运动不足以克服它们的相互作用而远离，因而形成了空间点阵的结构。微粒的热运动主要表现为以结点为平衡位置不停地做微小的振动。
图3是食盐的空间点阵示意图。食盐的晶体是由钠离子Na+和氯离子Cl–组成的，它们等距离地交错地排列在三组相互垂直的平行线上，每个Na+的周围有六个Cl–，每个Cl–的周围有六个Na+。
晶体外形的规则性可以用物质微粒的规则排列来解释。同样，晶体的各向异性也是由晶体的内部结构决定的。
图5
图6
图4表示在一个平面上品体物质微粒的排列情况。从图上可以看出，沿不同方向所画的等长直线AB、AC、AD上，物质微粒的数目不同。直线AB上物质微粒较多，直线AD上较少，直线AC上更少。正因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起晶体在不同方向上物理性质的不同。
有的物质能够生成种类不同的几种晶体，是因为它们的物质微粒能够形成不同的空间点阵。例如，碳原子如果按图5那样排列就成为石墨，按图6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，作用力较弱，沿着这个方向容易把石墨一层层地剥下。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。
三、液体的微观结构
液体的性质介于气体和固体之间。液体一方面象固体，具有一定的体积，不易压缩；另一方面又象气体，没有一定的形状，具有流动性。液体汽化时体积改变上千倍，凝固时体积改变不过百分之十。液体更接近于固体。
跟固体一样，液体中的分子也是密集在一起，因而液体具有一定的体积，不易压缩。液体分子在很小的区域内作有规则的排列，这种区域是由分子暂时形成，边界和大小随时改变，有时瓦解，有时又重新形成。液体由大量这种小区域构成，这种小区域杂乱无章地分布着，因而液体表现出各向同性。
液体分子间的距离小，相互作用力还很大，因此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做微小的振动。跟固体不同的是，液体分子没有长期固定的平衡位置，在一个平衡位置附近振动一小段时间以后，又转到另一个