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1-2 物质由原子构成

如果在某次大灾难中,所有的科学知识都将被毁灭,只有一句话能够传给下一代人,那么,怎样的说法能够以最少的词汇包含最多的信息呢?我相信那就是原子假说(或原子事实,或随便你叫它什么名字),即万物都由原子构成,原子是一些小粒子,它们永不停息地四下运动,当它们分开一个小距离时彼此吸引,而被挤到一堆时则相互排斥。只要稍微想一想,你就会看到,在这句话里包含关于这个世界的极大量的信息。

为了表明原子观念的威力,假设我们有半厘米大小的一滴水。让我们非常贴近地观察它,我们看到的只有水——光滑的、连续的水。即使我们用现有的最好的光学显微镜(大致放大2000倍左右)来放大这滴水,把它放大到10米大小——大约有一个大房间这么大,仍然非常贴近地观察它,我们将仍旧看到相当光滑的水,不过有一些小的、足球形状的东西在里面游来游去。非常好玩。这些东西是草履虫。你可能就此打住,对草履虫及其扭动的纤毛和卷曲的身体感到好奇,除了把草履虫放得更大看看它的内部之外不再往下看了。当然,这是生物学的一个题目,但是眼下让我们跳过它,继续更贴近地观察水这种物质本身,把它再放大2000倍。现在这滴水已经有20千米大了,如果我们非常贴近地看,就会看到某种挤在一堆的东西,它们不再有光滑的外表了,看起来像是从很远的距离外看到的足球比赛时场上的一堆人。为了看清这种挤在一堆的东西究竟是什么,我们再把它放大250倍,就会看到与图1-1中所示相似的某种东西。这个图是放大了10亿倍的水滴图,不过在几个方面理想化了。首先,各个粒子用简单的方式画成具有明确的边缘,这是不精确的。其次,为了简单起见,把它们画成几乎是按照一定的图式做二维排列,而实际上它们当然是在三维空间中四下运动。注意图中有两种“小斑”或圆,分别代表氧原子(黑色)和氢原子(白色),并且每个氧原子有两个氢原子和它连在一起(一个氧原子和它的两个氢原子组成的小组叫做一个分子)。图中还有一个被理想化的地方是,自然界中的真实粒子是不断地振动着、跳来跳去、相互缠绕在一起、彼此互绕着旋转。因此你必须把这幅画面想象成动态的而不是静止的。另外一件没法在图里画出的事实是,粒子是“粘在一起”的:它们互相吸引,那一个拉着这一个,等等。可以说,整个一群都“胶合在一起”。另一方面,这些粒子也不是相互挤压。如果你试图把两个粒子挤得太靠近,它们就互相推开。

图1-1 放大10亿倍的水滴

原子的半径为1到2×10 -8 cm。10 -8 cm现在叫做1 (这仅是另一个名称而已),因此我们说它们的半径是1 到2 。另一个记住原子大小的方法是:如果把一个苹果放大到地球那么大,那么苹果里的原子就近似是原来的苹果那么大。

现在想象这个大水滴,连同它的所有那些粘在一起、一个挨着一个、振动着的分子。水保持着它的体积;它不会散开,因为它的分子互相吸引。如果水滴是在一个光滑的斜面上,那么水会流走,但是它不会消失,分子不会飞走,因为它们之间有吸引力。分子的这种振动运动就是我们所说的热:当温度升高,这种运动也加强了。如果我们加热水,这种振动也增强,原子之间的体积也增大。如果继续加热,到了分子间的吸引力不足以把它们拉在一起时,分子就会飞走,互相分离。当然,这正是我们生成水蒸气的方法——升高温度;粒子由于运动增强了而飞走。

图1-2是一幅水蒸气的图像。这幅水蒸气图像有一个缺陷:在通常的气压下,整个房间里只可能有不多的水分子,在这幅图大小的区域里(指放大10亿倍之前)肯定不会有多至三个分子。大部分这么大的方形区域里一个分子也没有——但是我们碰巧在这张图里有两个半或三个分子(这样这张图才不会完全空白)。于是,在水蒸气的情况下,我们比在水的情况下更清楚地看到了水分子的特征。为简单起见,把水分子画成具有120°的夹角。实际上这个夹角为105°3′,氢原子中心与氧原子中心的距离为0.957 ,因此我们对这个分子已了解得很清楚了。

图1-2 水蒸气

我们来看看水蒸气或任何其他气体有些什么性质。这些气体分子是彼此分开的,他们会撞击墙壁并反弹回来。想象一个房间里有不少网球(成百个)不停地来回弹跳。当它们撞击墙壁时,就把墙壁向外推(当然我们必须把墙推回去)。这意味着,气体施加一个躁动不安的力,而我们粗糙的感官(我们自己并没有被放大10亿倍)只感到它的平均推力。为了把气体限制在一个范围内,我们必须施加一个压力。图1-3表示一个盛放气体的标准容器(这幅图用在所有的教科书中),一个带活塞的汽缸。因为水分子的形状在这里并不重要,为简单起见,我们把它画成网球或小黑点。它们不停地沿所有的方向运动。有这么多分子一直不断地撞击顶部的活塞,因此,为了使活塞不被这种不断的撞击从罐子里顶出来,我们就必须施加一个力把活塞压下去,这个力叫做压力(实际上,这个力等于压强乘面积)。显然,这个力和面积成正比,因为如果我们增大面积而保持每立方厘米内的分子数不变,那么分子与活塞碰撞的次数与活塞的面积按同样的比率增加。

图1-3

现在我们把罐子里的分子增加一倍,因此密度也加倍,而分子的速率则相同,即温度相同。这时,作为一个很好的近似,碰撞次数也将加倍,由于每次碰撞都和以前的“力度”相同,压强和密度成正比。如果我们考虑原子之间的力的真实性质,那么由于原子之间的吸引,我们预期压强会略有减少,而由于原子也占有有限的体积,预期的压强又会略微增大。无论如何,作为一个良好的近似,如果密度足够低,原子数目不多,压强和密度成正比。

我们还可以看看别的情况:如果我们增高温度而不改变气体的密度,即,如果我们增大原子的速率,那么压强会发生什么变化呢?这时,由于原子运动得更快,它们撞击得更有力了,同时撞击得也更频繁了,因此压强增大。你瞧,原子理论的概念多么简单!

我们来考虑另一种情形。假定活塞向内运动,于是原子被缓慢地压缩到一个更小的空间里。当一个原子撞到一个运动的活塞时,会发生什么情况?显然,原子将从碰撞获得速率。你可以试一试:例如,乒乓球从一块向前运动的球拍上弹回,你会发现,弹回的速率比打到球拍上的速率更大。(一个特例是,如果一个原子刚好静止不动而活塞撞上它,它一定动起来。)于是原子离开活塞时要比它们撞上活塞之前更“热”。因此容器中的所有原子的速率都将增大。这意味着,当我们缓慢地压缩气体时,气体的温度会升高。于是,气体在被缓慢压缩时温度升高,在缓慢膨胀时温度降低。

现在回过头来看我们的水滴,向另一个方向上看。假设我们降低水滴的温度,使水里的原子、分子的振动逐渐减弱。我们知道,原子之间是有吸引力的,因此过了一会儿,它们就不会振动得像原来那么欢了。图1-4表示的是在很低的温度下将发生的情况:分子被锁定在一种新的型式中,这就是冰。这幅具体的关于冰的图像是不正确的,因为它是二维的;但是它在定性上是正确的。有趣之点是,它的每一个原子都有确定的位置。你很容易想象,如果我们用某种方法使冰滴一端的原子排成一定的型式,每个原子都处于一个确定的位置,那么由于互相连结的结构是刚性的,在几千米之外(在我们放大的比例尺下)的另一端也会有确定的位置。因此,如果我们拿住一根冰针的一端,它的另一端就会抵抗我们想把它掰开的努力,不像水那样,水由于振动增强,使其中的原子都以各种方式四下运动,结构就破坏了。固体和液体的差别就在于,固体中的原子是按照某种阵列排列的,叫做晶体阵列,即使在长距离上它们的位置也不是随便的;晶体一端的原子的位置由晶体另一端的别的原子的位置确定,哪怕它们之间相隔几百万个原子。图1-4是一幅虚构的冰的阵列图,它不是冰的真实排列情况,虽然它包含了冰的许多正确的特征。正确特征之一是,图中有一种六角形对称性。你可以看到,如果把画面绕一根垂直轴转120°,它将回复原状。因此,冰里存在有一种对称性,这说明了雪花的六边形外貌。从图1-4可以看出的另一件事是,为什么冰融化时体积会缩小。图中示出的冰的具体的结晶图样中有许多“孔”,真实的冰的结构也是这样的。当这种组织瓦解时,这些空可以被分子占据。绝大多数简单物质,除水和活字合金外,都在熔化时膨胀,因为在固态晶体中,原子是密集堆积的,熔化时需要更大的空间供原子活动,但是一个张开的结构则会塌缩,像水的情形。

图1-4

虽然冰具有一种“刚性”的结晶形态,它的温度还是可以变化的——冰也有热量。如果我们愿意,可以改变冰的热量。对冰的情况,热量的涵义是什么?冰的原子并不是静止不动的,它们在振动着。虽然晶体中有确定的秩序——确定的结构,所有的原子仍在“原地”振动。随着我们提高温度,它们振动的幅度越来越大,直到把它们自己从所在的位置上摇下来。我们把这叫做熔化。随着我们降低温度,振动越来越弱,直到绝对零度时原子还有一个最低限度的振动,而不是完全不动。原子的这种最低的振动不足以使物质熔化,只有一个例外,那就是氦。随着温度降低,氦原子的运动尽可能地减弱,但即使在绝对零度下也仍然有足够的运动使之不凝固。除非把压力加得足够大,使原子挤到一堆,氦在绝对零度也不凝固。如果加大压力,可以使它凝固。 pObv99u6ylyIiGGp70LCrCzU0Grf2fjHrM/k8WHaOR6cVYc+9PhUTSjAmsS6yZ+b

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