对物质热运动的研究 (2)

1、对物质热运动的研究（一）侯马市教研室 王玉生在自然现象的研究中，人们对于热运动是比较关注的，因为它于人们的生活联系比较紧密，许多道理人们希望搞清楚。最早研究热运动的是英国植物学家布朗，1827年，布朗对悬浮在液体中的花粉颗粒的运动进行了研究，发现花粉颗粒的运动轨迹是无规则的，温度越高，运动越激烈，随后人们把“悬浮在流体中的微粒受到流体分子与粒子的碰撞而发生的不停息的随机运动”称为布朗运动。一、对布朗运动的解释对于布朗运动，不只是花粉和小炭粒的运动是这样，对于液体中各种不同的悬浮微粒，都可以观察到布朗运动，人们长期都不知道其中的原因。50年后，J德耳索提出这些微小颗粒是受到周围分子的不平衡的碰撞

2、而导致的运动。1905年，爱因斯坦依据分子运动论的原理提出了布朗运动的理论。就在差不多同时，斯莫卢霍夫斯基也作出了同样的成果。他们的理论圆满地回答了布朗运动的本质问题。他们认为液体分子在做无规则运动，它们与悬浮颗粒发生碰撞，由于各个方向上的碰撞不平衡，造成被碰撞颗粒的运动轨迹的无规则，所以，人们又把大量分子的这种无规则运动，称为热运动，分子运动论也是在此基础上建立起来的。物体的温度高低就是这种大量分子无规则运动的宏观体现。二、 对热运动的认识在自然科学中，人们对于热运动的认识，一直停留在无规则运动的层次，分子运动论提出以后，也只是在表面上对物体的热运动进行了描述，人们知道物体是由大量分子组成，

3、分子之间存在有空隙，分子间存在有相互的作用力，分子间的相互作用还具有分子势能，分子在做永不停息的无规则热运动，热运动的具有分子动能，分子势能和动能的总和称为内能，物体的温度是分子热运动平均动能的标志，对于单个分子，这种无规则热运动主要体现在分子运动的速度，分子运动速度越大，它的温度也越高，对于单个原子来讲，这种热运动主要体现在原子核在自己平衡位置上的振动，温度越高，振动也越剧烈。对于固体，这种运动主要体现在分子在自己平衡位置的振动，温度越高，振动也越剧烈。物质的分子为什么会永不停息的做无规则热运动？理论上没有解释，专家们也说不清楚，因为原始理论上没有描述，人们对于热运动的认识也只能停留在无规则

4、运动的层次，难道热运动就真的是无规则吗？首先，悬浮在液体中的花粉颗粒的运动，它不是一个分子的运动，对于单个分子，它不可能无缘无故地进行永不停息的热振动，对于原子核，也不可能无缘无故的在自己的平衡位置上做无规则的振动，根据常规力学原理，原子核离开平衡位置，如果没有受到外力的作用，它的运动速度和运动方向就不可能发生改变，只是人们没有搞清楚原子核在平衡位置上做无规则热振动的原因，故而对热运动的认识一直停留在表层。本文之所以说它是表层认识，是因为人们对于这种现象，还不能从更深的层次上去加以解释。对于气体分子，如果说它的温度高低取决于分子运动的速度，那么，在常温常压下，声音在空气的传播速度是340米/秒

5、，这种传播是靠空气分子之间的相互碰撞来进行的，考虑到空气分子碰撞需要消耗一定的时间，所以通常状况下，空气分子的运动速度是在几百米/秒的数量级，如果实验者用大型鼓风机对冷空气进行加速，那么，空气分子的运动速度就会很大，比如我们把风速提高到1000米/秒，它的温度是不是就会很高呢？实际上，并不是如此，冷空气仍然是寒风刺骨，可见，空气分子的温度高低不是决定于空气分子的运动速度。对于固体，如果他的温度取决于分子在平衡位置振动的剧烈程度，这种振动实际上就是一种机械振动，机械振动在金属体中的传播速度是5000米/秒的数量级，（可以参考声波在金属体中的传播速度），而热在金属体中的传导速度仅在几个厘米/秒的数

6、量级，显然，固体的温度高低也不是决定于固体分子的振动快慢。三、 热运动的本质要对热运动做出合理的解释，首先需要熟悉“双电子轨道”，大家知道，在原子结构中，电子在原子核外高度旋转的，一个电子绕原子核做平面圆周式的绕核运动，能够在其绕核圆周上产生一种平面圆周式的微观磁力场，简称为微场，微场对反方向进入管道的电子，具有偏向管道中心的磁力作用，就是洛伦兹力作用，从而形成一个稳定的在同一个圆周平面内，沿相反运动的电子轨道，这样的电子轨道称为“双电子轨道”，在双电子轨道中，两个电子沿相反的方向绕核，两个电子在管道中要不发生擦边碰撞，必须在做一种螺线式的轨迹波运动，轨迹波波长的整数倍等于电子绕核的圆周长，即

7、：n = 2R n = 1,2,3 (1.1)在“双电子轨道”中，两个电子沿相反方向绕核，它们每绕一周在管道中要相遇两次，当它们相遇时，由于同性电荷的排斥作用，绕核速度降低，绕核半径变小，当它们相背时，绕核速度增大，绕核半径变大，也就是说，两个电子在双电子轨道的平面内是上下波动的，同样的道理，两个电子在相遇点，相互排斥而原理，在微场的束缚作用下又偏向微场的管道中心，因此，两个电子在双电子轨道中又是左右摆动的，这种上下波动和左右摆动的和运动就是一种螺线式的轨迹波运动，为了不发生擦边碰撞，第一、必须满足（1.1）式限定的条件，第二，当两个电子绕到原子核的一侧的相遇点，对外显示两个电子电量单位的负电

8、性，原子核在两个电子电量单位负电性的吸引下，就会向相遇点产生加速度，当两个电子绕到原子核的另一侧的相遇点，原子核又向另一侧产生加速度，因此，原子核在双电子轨道的平面内是左右振动的，并且其振动频率等于电子的绕核频率，即：振 = 绕 （1.2）这种振动实际上就是原子核的热振动，电子运动速度越大，绕核频率也越大，物体的温度也越高，可见，物体的温度的高低取决于电子的绕核速度，而不是取决于分子的振动速度。原子核在自己平衡位置上的热振动并不是无缘无故的，而是一种受迫振动，是受绕核电子影响的，其规则就是：原子核热振动的频率受迫于双电子轨道中电子的绕核频率，原子核这种“无规则热振动”是原子核受到作用力的结果，是一种有规则的热振动，对于单个原子核，这种热振动是有规则的，总体上来看，物体的温度决定于电子的绕核速度，绕核速度越大，物体的温度也越高。可见，过去人们认为热运动是无规则的，是没有找到它在规则，