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自然科学概论 第三章第三章 物质世界的统一性 第三节 物质物质是任何有质量并占据空间的东西。气体、液体、固体、生命体，是我们通常熟悉的物质。更广义的物质是任何科学上可以观测的客体。电磁场是一种广义的物质，因为它可观测，他有能量和动量。我们把狭义的物质称为“物质”，以区别于“场”。从成分看，可分为单质、化合物、聚合物、合金等。从温度、压强、体积、院子排列等物理性质来看，物质以气、液、固、晶体、非晶体，以及超流、超导等状态存在。这些不同的状态称为相。物质都是由少数几种基本粒子组成。每一种粒子都有它的反粒子，由反粒子组成的物质称为反物质。而场的属性与侠义的物质截然不同。场不具有质量，不占据空间。场与场之间可以叠加，称为场的叠加原理。场与物质可以发生相互作用。一、 物质的相物质可以不同的相存在。比如水，在0摄氏度以下是冰，为固相，在0摄氏度以上，100摄氏度以下是水，为液体，在100摄氏度以上是蒸汽，为气相。相是物质的热力学性质。以不同的相存在的同一物质，其物理性质有显著的不同。相往往又被称为态，比如说气态，液态等。另外有一种热力学中的态，或状态，含义完全不同。同样是水蒸气，如果其温度或压强发生变化，就说它的状态发生变化。相，是物质的一类相对均匀的状态的集合，这里的均匀指化学成分和物理性质均匀。气相密度小，容易压缩，分子可以自由活动，可以充满所能到达的空间。液相密度大，不易压缩，可以自由流动，没有固定的形状，有明显的界面。固相密度大，不易压缩，有固定的形状，对形变有抵抗力。还有一些不常见的相，都各自有共同的物质。处于气相的物质，通常就称之为气体，液相的物质称为液体，处于固相的物质，就称为固体。物质的相发生变化，就称为相变。常见的相变就有溶解和凝固，蒸发和凝结。凝固是溶解的逆过程，凝结是蒸发的逆过程。某种物质发生溶解的温度，称为熔点，发生沸腾的温度，称为沸点。在不同的压强下，同一种物质的熔点和沸点不同。也就是说熔点和沸点随压强而变。另外一种是升华，从固相直接变为气相。比如冰直接变为水蒸气，硫磺直接变为硫磺蒸气。升华的逆过程就是凝华。物质的相变可以用相图来表示。如下水和碘的相图：气相与固相之间的分界线，称为气化曲线。液相与固相之间的分界线，称为溶解曲线。气相和固相之间的分界线，称为升华曲线。三条线交汇的点，称为三相点。气化曲线上的一点，对应一对确定的温度和压强。比如在温度为100摄氏度，压强为1atm的条件下，水会沸腾，而且水和蒸汽可以共存，二者的压强相等。这种情况下的蒸汽称为饱和蒸汽，起压强称为饱和蒸汽压。由于不同物种的熔点和沸点不同，不同物质在常温常压下处于不同的相，不放称之为常态。常压基本是1atm。在这个压强下，水的熔点是0摄氏度，沸点是100摄氏度。因此水的常态是液态。二氧化碳的沸点是-78.47摄氏度，因此它的常态是气态。沸点不是很低的气体，在常温下可以通过加压的方式使其液化。如石油气，天然气，氧气等。气体液化后便于运输。氦是地球上最那液化的物质。硫的常态是固态，但很容易熔化。铅的常态是固态。它在金属中也是比较容易熔化的。在一般的家用的炉上就可以做到。金的熔点很高，所以有真金不怕火炼。钨丝可以用来做灯丝。二、 宏观物质的物理性质同一物质的不同的相，其物理性质也不同。气体分子之间的作用力很弱分子之间的距离与分子直径比较起来要大得多所以，从微观上说，气体分子能够非常自由的震动及平动。从宏观上说，气体的密度小，流动性好.而和气体比较起来，液体分子间作用力更大，分子则紧密堆积，分子与分子紧紧挨在一起，所以，从微观上说，液体分子有振动和平动，但不如气体分子自由，这表现在宏观上就是，液体的密度比气体大，流动性一般来说也没气体好。气体和液体在流动的性质上有很多共同之处，都称为流体。气体是可以压缩流体，液体是不可压缩流体。而固体分子间的作用力比气液要大，因而，固体分子被紧紧吸引成一堆，固体间的作用力相当大。以至于微观上，固体分子没有了平动，只能在原位置可怜的振动，宏观上看来，固体的密度也比气体要大，而且固体没有流动性。物质在流体中运动，会受到流体的摩擦。比如汽车在路面行驶，受到空气的摩擦阻力。船在水里穿行，受到水的阻力。物体的运动速度越大，受到的阻力越大。流体的阻力还与物质的行踪有关。受阻力晓得形状是流线体。流体中的压强还与压强有关。流速度大的地方压强小。物体上下的流速差可以产生升力，如机翼，有一个向上的倾斜角，使得机翼上方的空气流速大，下方的空气流速小。于是下方的空气压强比上方的大。这个压强差就是升力。如图：流速增加，流体的静压力减小。这是对同一流体而言的，并且在流动过程中，没有获得任何别的能量。试想，获得能量的空气，与室内空气（未获得能量），二者不能简单地用是否流动快慢来比较压力的大小。所以，电风扇出口的空气，显然不是室内的空气，二者不能用流速大小来衡量压力的大小。其实，获得电风扇的动能后的空气，在其流动中，其压力的确是在减少，但仍然要比室内空气压力要大. “伯努利方程”只是一般的能量守恒方程，这是没有考虑有能量加入的方程。其实，在流体力学里面，都会讲解获得机械能的伯努利方程。比如，在长距离的流体输送过程中，是依靠中间加压来实现长距离输送的。如我国的“西气东输”，中途就设有许多加压站，才能将西部的天然气输送到上海。加压站就是提高流体的压力。例如高速运动的火车，会对将近距离的物体产生一定的吸力。这主要是流体的粘性产生的卷吸作用，其道理与叶片背面类似。由于空气具有一定的粘性，则依附在高速运动火车表面的空气，会因粘性随列车一起运动，而使列车周围的空气减少，从而产生一定的负压，所以对附近的物体（如空气、人等）产生一定的吸力。列车运动的速度越快，带走的空气就越多，吸力就越大。固体是物质存在的一种状态。与液体和气体相比固体有比较固定的体积和形状、质地比较坚硬。通过其组成部分之间的相互作用固体的特性可以与组成它的粒子的特性有很大的区别。研究固体的物理科学叫做固体物理学。一般来说，一个物体要达到一定的大小才能被称为固体，但对这个大小没有明确的规定。一般来说固体是宏观物体，除一些特殊的低温物理学的现象如超导现象、超液现象外固体作为一个整体不显示量子力学的现象。 固体有两类，即晶体和非晶体。晶体又分为单晶体和多晶体，而多晶体是由许多小单晶体(称为晶粒)组成的。我们所常用的物质分为金属晶体（所有金属都是，例如铁、铜、镁、锌等晶体,有三个特征：(1)晶体有一定的几何外形；(2)晶体有固定的熔点；(3)晶体有各向异性的特点）原子晶体（金刚石、金刚沙等）、离子晶体（离子晶体：一般由活泼金属和活泼非金属元素组成， 大多的盐（除ALCL3外，它是分子晶体）强碱（碱）金属氧化物。（氯化钠、氯化铯等）、分子晶体（干冰等）、混合型晶体又叫过渡型晶体（石墨等），还有人造晶体，总之，晶体从科学工作者来说是具有几何形状的固体，对光有折射率，例如红宝石、蓝宝石、硫酸铜晶体、纯金属有光泽所以金属是晶体、雪花有一定的几何形状，所以雪花是分子晶体，单质的碘它有金属光泽所以单质碘是分子晶体，有很多的晶体的颗粒很小，肉眼观察不到它的几何形状，但仍是晶体，例如白沙糖，很小的颗粒，但它是分子晶体，我们常用的食盐，晶体颗粒很小，但它是离子晶体。还要指明的是有些物质在常温常压下是气体，一旦降温到它成固体时它是晶体了,例如二氧化碳就是这样，它是分子晶体 晶体内部结构中的质点(原子、离子、分子)有规则地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的几何多面体。组成某种几何多面体的平面称为晶面，由于生长的条件不同，晶体在外形上可能有些歪斜，但同种晶体晶面间夹角(晶面角)是一定的，称为晶面角不变原理。晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型。晶体都有一定的对称性，有32种对称元素系，对应的对称动作群叫做晶体系点群。按照内部质点间作用力性质不同，晶体可分为离子晶体、原子晶体、分子晶体、金属晶体等四大典型晶体，如食盐、金刚石、干冰和各种金属等。同一晶体也有单晶和多晶(或粉晶)的区别。在实际中还存在混合型晶体。按导电和导热的性质，物质可以分别导体、绝缘体、半导体。一般来说，良好电体，也是良导热体。：导体导电的原因：导体中有能够自由移动的电荷（、）（金属导电是由于金属中存在大量的自由电子（）；绝缘体绝缘的原因：电荷几乎都被束缚在原子范围内，不能自由移动。导体和绝缘体没有明显的界线，在条件改变后，绝缘体可以变成导体，导体也可以变成绝缘体。例如：加热使绝缘体中的一些电子挣脱原子的束缚变为自由电荷，此时，绝缘体就变成导体了。半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10E-5E欧姆米之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅 是最常用的元素半导体；化合物半导体包括-族化合物（砷化镓、磷化镓等）、-族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。半导体五大特性掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。 硅是集成电路产业的基础，半导体材料中98是硅，半导体硅工业产品包括多晶硅、单晶硅（直拉和区熔）、外延片和非晶硅等，其中，直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等。单晶硅和多晶硅的应用最广。 超导体:一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动几乎消失，材料的电阻趋近于0，此时称为超导体，达到超导的温度称为临界温度。1911年，荷兰科学家卡末林 昂内斯用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（268.95）时，水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料1。但这里所说的高温，其实仍然是远低于冰点0的，对一般人来说算是极低的温度。1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。自从高温超导材料发现以后，一阵超导热席卷了全球。科学家还发现 铊系化合物 超导材料的临界温度可达125K（150.15）汞系化合物超导材料的临界温度则高达135K。如果将 汞 置于高压条件下，其临界温度将能达到难以置信的164K。1997年，研究人员发现，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。1999年科学家发现 钌铜化合物 在45K（230.15）时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机数据存储中的应用潜力将是非常巨大的。高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。同样的元素，原子排列不同，就有不同的宏观特性。改变原子的排列结构，就可得到完全不同的材料。改变煤，可以得到砖石，改变沙子，可以得到半导体芯片，改变泥土、水和空气，可得到玻璃。随着科技发展，人类可以创造出自然界没有的材料。继塑料、半导体、超导体、液晶之后，20世纪末出现了一种全新的材料纳米材料。纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等 。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。三、 物质的原子理论物质的原子理论最早由古希腊的哲学家德谟克利特、琉西帕斯和尹壁鸠鲁派提出。原子论认为，物质可以分割为最小的基本单元，这个基本单元称为原子。18世纪，波斯科维奇用牛顿力学建立了最早的原子结构理论。随后，德尔通将原子理论用于化学。德尔通和阿伏伽德罗的工作使科学家开始区分原子和分子。事实上，德尔通的原子结构是不稳定的。核外电子最后必定会全部落在原子核上。1913年，波尔的原子理论解决了这个问题。原子是保持元素的物理性质不变的最小单元。原子（atom）指化学反应的基本微粒，原子在化学反应中不可分割。原子直径的数量级大约是10-10m。原子质量极小，且99.9%集中在原子核。原子核外分布着电子电子跃迁产生光谱，电子决定了一个元素的化学性质，并且对原子的磁性有着很大的影响。所有质子数相同的原子组成元素，每一种元素至少有一种不稳定的同位素，可以进行放射性衰变。原子最早是哲学上具有本体论意义的抽象概念，随着人类认识的进步，原子逐渐从抽象的概念逐渐成为科学的理论。原子核以及电子属于微观粒子，应该用构成。尽管原子的英文名称（atom）本意是不能被进一步分割的最小粒子，但是，随着科学的发展，原子被认为是由电子、质子、中子（氢原子质子和电子构成）由构成，它们被统称为亚原子粒子。几乎所有原子都含有上述三种亚原子粒子，但氕（氢的同位素）没有中子，其离子（失去电子后）只是一个质子。原子尽管很小，用化学方法不能再分，但用其他方法仍然可以再分，因为原子也有一定的构成。原子是由中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的（反物质相反），原子核是由质子和中子两种粒子构成的，电子在核外较大空间内做高速运动。电子是最早发现的亚原子粒子，到目前为止，电子是所有粒子中最轻的，只有9.1110?31kg，为氢原子的1/1836.152701(37)，是密立根在1910年前后通过著名的“油滴实验”做出的。电子带有一个单位的负电荷，即4.810-19静电单位或1.610-19库伦，其体积因为过于微小，现有的技术已经无法测量微观世界的量子理论。原子核由于放出某种粒子而变为新核的现象原子核是一个量子体系，核衰变是原子核自发产生的变化，它是一个量子跃迁过程，它服从量子统计规律对任何一个放射性核素，它发生衰变的精确时刻是不能预知的，但作为一个整体，衰变的规律十分明确若在dt时间间隔内发生核衰变的数目为dN，它必定正比于当时存在的原子核数目N，显然也正比于时间间隔dt。当多个粒子聚集形成更重的原子核时，就会发生核聚变，例如两个核之间的高能碰撞。常见的核聚变发生于氘与氚之间。 核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。在太阳的核心，质子需要3-10KeV的能量才能够克服它们之间的相互排斥，也就是库伦障壁，进而融合起来形成一个新的核。四、 微观世界的量子原理微观世界是量子化世界。量子化是一个含义，就是物理量取分立值。量子化的概念，可以用酒店的房号来做一个直观比喻。比如你可以下榻在希尔顿酒店第5层第5号房间，但你不能住在第5.4层第9.8号房间，这个房间是不存在的。原子中电子的能量，只是某个最低能量的整数倍，也就是说，电子的能量不能连续变化。这种按整数倍变化的能量称为能级，标记能力大小的整数称为能量量子数。对一个封闭的金属盒加热，使其炽热发光。在盒子的壁上开一个小孔，观察里面的露出的光。这样的观察的辐射称为黑体辐射。黑体辐射的能量不是连续变化的，而是某个能量单元的整数倍，我们称最小能量单元为光量子。电子轨道的角动量的方向在外磁场中的取向也是量子化的，只能取几个以整数为角动量量子数。原子核外的电子的状态，用能量量子数和角动量量子数来表征。量子化保证了例子的全同性。两个同类粒子，只要它们的量子态相同，就是完全相同的，不可区分的。世界上任何氢原子，只要其电子没有被激发，都是完全相同的，不可区分的。在宏观世界，我们却不能想象有另一个太阳系和我们这个太阳系完全相同，其中也有完全相同的地球。在地球上，找不到两座完全相同的山，甚至找不到完全相同的足球。微观世界的量子性保证了化学反应和生命繁殖的课重复性。2个氢原子和一个氧原子生成一个水分子，这个比例永远不会改变。生命繁殖的后代与其父代有完全相同的特征，是因为量子原理抱走了DNA螺旋结构的不变性。量子原理的另一条是测不准原理。它由1927年德国著名物理学家海森堡提出。海森堡测不准原理是通过一些实验来论证的。设想用一个射线显微镜来观察一个电子的坐标，因为射线显微镜的分辨本领受到波长的限制，所用光的波长越短，显微镜的分辨率越高，从而测定电子坐标不确定的程度q就越小，所以q。但另一方面，光照射到电子，可以看成是光量子和电子的碰撞，波长越短，光量子的动量就越大，所以有p1/。经过一番推理计算，海森伯得出：qph/4。海森堡写道：“在位置被测定的一瞬，即当光子正被电子偏转时，电子的动量发生一个不连续的变化，因此，在确知电子位置的瞬间，关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是，位置测定得越准确，动量的测定就越不准确，反之亦然。”海森堡还通过对确定原子磁矩的斯特恩-盖拉赫实验的分析证明，原子穿过偏转所费的时间T越长，能量测量中的不确定性E就越小。再加上德布罗意关系=h/p，海森伯得到ETh/4，并且作出结论：“能量的准确测定如何，只有靠相应的对时间的测不准量才能得到。”量子力学的测不准一定是针对多个测量结果（可以是一次性测量所得的多个同类客体的多个结果，也可以是多次性测量所得的一个客体的多个结果）而言的，这时的不准确度（即另一种定义的误差）被定义为均方差每个测量结果与所有这些结果的平均值的差的平方和的平方根。每个物理量的经典测量的不准确度原则上可以任意小，而量子力学的测量则是对于相容的物理量来说，不准确度原则上可以任意小，但对不相容的物理量（比如坐标与速度这对物理量就是不相容的）来说，每个量不准确度原则上也可以任意小，但这两个量的不准确度的乘积却有一个原则性的、有限的下限。量子效应是在超低温等某些特殊条件下，由大量粒子组成的宏观系统呈现出的整体量子现象。根据量子理论的波粒二象性学说，微观实物粒子会象光波水波一样，具有干涉、衍射等波动特征，形成物质波（或称德布罗意波）。微观粒子呈现出波动性，即粒子的“轨道”已经失去了意义轨道发生了弥撒（模糊）；当弥撒的轨道在空间发生一定的重叠时，各个粒子的几率分布也有一定的关联量子关联。量子关联长度粒子的平均间距时，系统即为量子系统。这时粒子的位置x与动量p不能同时确定，位置的不确定度x即可认为是量子关联长度；温度T是影响动量不确定度p 的一个因素：由自由粒子的平动动能 p/2m = 3kT/2，得动量不确定度p (3mkT),则位置的不确定度（量子关联长度）x h /(3mkT) 。从而见到：温度越低、粒子质量越小、粒子分布密度越大的系统，越容易呈现出量子效应。量子系统的能量是不连续（量子化）的。与物质波想对称，电磁波可以表现出粒子性。光电效应是电磁波照射在金属表面使金属中的电子逸出的现象。光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。爱因斯坦提出光子理论，圆满解释了光电效应。光子的能量与波长的关系为E=hf=hc/，其中f为电磁波的频率，c为光速，为波长。光子的速度为c，其能量与动量的关系不同于经典力学中的关系。根据狭义的相对论，光子的动量为p=E/c=h/。电磁场、强作用力和弱作用力都有场粒子。场粒子与实粒子碰撞，完全表现出粒子性。而且量子论在工业领域的应用前景也十分美好。科学家认为，量子力学理论将对电子工业产生重大影响，是物理学一个尚未开发而又具有广阔前景的新领域。目前半导体的微型化已接近极限，如果再小下去，微电子技术的理论就会显得无能为力，必须依靠量子结构理论。科学家们预言，利用量子力学理论，到2010年左右，人们能够使蚀刻在半导体上的线条的宽度小到十分之一微米（一微米等于千分之一毫米）以下。在这样窄小的电路中穿行的电信号将只是少数几个电子，增加一个或减少一个电子都会造成很大的差异。微观粒子有一个独特的量自旋。你不妨吧自旋理解为球的自转。