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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，它们都不
2、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 纪的经济建设中发挥重要的
3、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？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最有规律 的晶体开始的。1晶体与非晶体的区别
4、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
5、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一一库里南I号（530.2 克拉），它被镶嵌在英国国王的权杖上。图 7-2图 7-3图 7-4图 7-5在初中已学过，晶体有一定的熔点，而非晶体没有一定的熔点， 另外，晶体和非晶体还有许多物理性质也不相同。
6、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
7、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。2单晶体与多晶体晶体又分单晶体和多晶体。整个物体就是一个晶体的叫做单晶体，如单晶体硅、锗，是 半导体工业的重要原材料。若整个物体是由大量不规则排列的小晶
8、体组成的，就叫做多晶 体（如各种金属材料）。多晶体没有规则的几何形状。由于小晶体的排列是杂乱无章的，因 此多晶体的物理性质在整体上表现为各向同性。但多晶体仍有一定的熔点。二、固体的微观结构晶体和非晶体为什么会有很大区别呢？人们对晶体的研究从17 世纪已经开始了，并根 据单晶体外形的规则性和各向异性的物理性质，提出了一些假说。如今，人们用各种实验手 段可以对晶体的内部结构进行观察和分析，证实了晶体内部的微粒排列是有规则的。为了对 晶体的微观本质有进一步了解，岿须先来研究分子间的相互作用。1分子间的相互作用力分子动理论告诉我们：物质是由大量不停地做无规则运 动的分子所组成，分子间还存在着相互作用力
9、。研究表明， 分子间同时存在着引力和斥力，它们的大小都跟分子间的距 离有关，图 7-7中的两条虚线分别表示两个分子间的引力和 斥力大小随分子间距离变化的情形，实线表示引力和斥力的 合力（即实际表现出来的分子间的作用力）随分子间距离变 化的情形。由图示的曲线可知，引力和斥力都随着分子间距 离增大而减小，当分子间距离等于r0时，分子间的引力和斥 力相互平衡，即合力为零，因此距离r0就相当于正常情况下 分子间的空隙，大约是零点几纳米（10-10m数量级），叫做 分子间的平衡距离。当分子间距离小于r0时，分子间的引力 和斥力同时增大，但斥力增大得较快，因此这时的分子力表现为斥力。当分子间距离大于确 时
10、，分子间的引力和斥力同时减小，但斥力减小得较快，因此，这时的分子力表现为引力。 若分子间距离大于60nm时，分子力就变得十分微弱而可以忽略不计了，表明这时两个分子 间已不存在相互作用力了。点击分子间的相互作用力很复杂。为了处理方便，采用简化的模型进行研究：假设分子间同 时存在引力和斥力的作用，且斥力的有效作用距离比引力小。2空间点阵固体中分子或原子间距离在零点几纳米左右，相互作 用比较明显。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整齐地排列 ，构成“空间点阵”。 微粒在一定的平衡位置附近不停地做微小的振动，晶体具 有规则的外形也就不难理解了。那么，晶体物理性质的各向异性又该
11、如何解释呢？图 7-8 表示在一个平面上晶体物质。微粒的排列情况。在图上所画出的三条等长线AB、AC、AD上，物质微粒的数目均不同，使晶体在不同方向 上的力学性质、导热性、对光的折射率等物理性质都会不同。这就是晶体的物理性质各向异 性的缘由。STS图 7-9 是自然界中存在的一种晶体沸石，它尽管 像岩石一样坚硬，但是它像海绵一样可以吸收液体和气体 受挤压后这些液体和气体又会被挤出来。沸石晶体特有的 结构可有选择地过滤某些化学物质。因此，沸石是一种很 好的分子过滤器，作为催化剂和吸收剂在许多方面有广泛 的应用。*三、巴基球图 7-9有的物质能够生成不同的几种晶体结构，叫做该物质的同素异构体。以碳
12、元素为例，几 个世纪以来，人们只知道固态碳有两种结晶形式：原子排列呈平面层状结构的石墨和呈正四 面体结构的金刚石，如图7-10 (a)、(b)所示。碳-60的发现使人们知道了还有第三种固 态碳的同素异构体，这种“足球”形状的削角正20面体结构的碳分子，称为“巴基球”。(a)石囲的结构模型(b)金刚石的紬构模型也)巴基球分子的结构模型实验已证实，碳-60分子是由60个碳原子组成的笼状大分子，分子直径约7.1X10-10n； 其结构共有60个顶角，一个碳原子占据一个顶角，形成一个“足球”形状，图7-10 (c)就 是碳-60分子的“足球”模型。由碳-60分子在空间作规则排列，便形成碳-60晶体，俗
13、称 “巴基球”晶体。纯净的“巴基球”晶体有金属光泽，微晶粉末呈黄色。“巴基球”分子特 别稳定，不导电，可承受静态压力达 20 万个大气压，还能抗辐射、抗化学腐蚀。在碳- 60 发现之后的20世纪90年代初期，世界上出现了一股碳- 60研究热。许多科学家认为，这种 具有新型分子结构的材料会有很多用途。图7 - 11是“巴基球”用途的示意图。图 7-10STS制作氢存储器和燃料电池制作变色日光镜图 7-11图 7-12除了碳-60 分子外，人们还发现了全部由碳原子构成的一些稳定结构，如“巴基管”， 它是由一些同轴的圆柱形管状碳原子层叠套而成，碳原子在管壁上形成六边形结构，并沿管 壁方向呈螺旋状排列。管直径在几纳米到几十纳米之间，故又称“碳纳米管”，这种巴基管 具有一些奇特的力学和电学性质。
