浅谈物理与化学密切联系

甘肃农业大学
论文
论文名称：浅谈物理与化学的密切联系
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完成日期：二〇一二年十二月一日
浅谈物理与化学密切联系
概述：当阿基米得懒懒沉入粼粼的波光，皇冠谜题的答案就在氤氲的暖雾中破水而出。

当哥白尼伫立在寒风猎猎的望远镜下，清澈坚毅的眼眸里描绘了苍穹的历法。

当牛顿漫步于草长莺飞的英格兰林肯郡格兰瑟姆，每株春风中舒展的浅绿中都蕴含着他摧枯拉朽的新鲜思想。

当人类试图窥测天地的法则，他们细小的身躯便爆发出无穷的精神力量。

这种力量迸发出耀眼的光芒，裂帛一般抻裂那盘踞在先哲眼前的凝重的黑，让出一条光明的大道。

它的名字叫做物理。

不管是早先的描述性甚至略带主观臆断色彩的物理还是到后世信奉世界就是一个大的机械钟的刻板物理，一代又一代的物理学家同在如山的算草中寻觅着终极世界的蛛丝马迹。

物理学的卷标就是变幻莫测的数学模型和错综复杂的实验图解。

严谨的态度与缜密的思维是物理学赖以生存的根本。

就像在夜空中运行的繁星，绚丽多姿的星座背后是更加完备且不可侵犯的基本原理。

炼金术是化学的起源，无论是东方还是西方。

哲人柜里，炼丹炉旁，跳跃着的是最古久的化学之光。

阴阳五行的冥冥规则，九级天使的森严等级，使得化学的前世浸浴在玄学和神学的重重迷雾中。

周围的人相信他们有着不可告人的神秘力量，能把石头点化成金，可以在水中凝出水银，会把看似无用的破铜烂铁加以变幻做成取你性命的剧毒之物，甚至在他心情不舒畅的时候还能把视线中的人类变成青蛙或是猪头。

东方的他们身在深宫大内或是深山老林，同样为着一个目的，炼制出龙床之上的皇帝老儿梦想的不死之药；西方的他们整天宅在光线昏暗的小黑屋里，面孔在闪烁的火光中忽明忽暗，折断的鹰鼻贪婪的吸嗅着升腾的蓝雾，拖地的黑色长袍裹着枯枝一般诡谲的身手。

他们的兴趣就是从甲虫，蛇皮，矾土，汞齐中提取出能使石头变成金子的哲人石。

很难想象，在这样的媚权狂潮和金钱畸欲作用下，化学会被称之为科学。

有谁想到，多年以后，一丝不苟的物理会与神秘飘渺的化学碰撞化合，为后世留下一支自然科学的奇葩——物理化学。

物理和化学，就像海洋和火焰，理性与激情，蓝色和红色。

当他们偶然相遇，深深恨晚，在看似矛盾的对立面中巧妙而深刻的找到了接洽的通道，在绝无可能的宿命笼罩下达到了精确而优美的平衡——
物理化学，在一片罗兰紫的清凉软雾中，缓缓舒展开她风华绝代的曼妙身姿。

一个个平常而不平凡的名字，若雄奇壮丽的彗星，曳着流光夺目的大纛，领跑科学的足迹。

粉碎了人类不知天高地厚的永动机幻想的热力学第一定律和热力学第二定律被广泛应用于各种化学体系，特别是溶液体系的研究。

吉布斯对多相平衡体系的研究和范托夫对化学平衡的研究，阿伦尼乌斯提出电离学说，能斯脱发现热定理都是对化学热力学的重要贡献。

当1906年路易斯提出处理非理想体系的逸度和活度概念，以及它们的测定方法之后，化学热力学的全部基础已经具备。

劳厄和布喇格对X射线晶体结构分析的创造性研究，为经典的晶体学向近代结晶化学的发展奠定了基础。

阿伦尼乌斯关于化学反应活化能的概念，以及博登施坦和能斯脱关于链反应的概念，对后来化学动力学的发展也都作出了重要贡献。

20世纪20～40年代是结构化学领先发展的时期，这时的物理化学研究已深入到微观的原子和分子世界，改变了对分子内部结构的复杂性茫然无知的状况。

1926年，量子力学研究的兴起，不但在物理学中掀起了高潮，对物理化学研究也给以很大的冲击。

尤其是在1927年，海特勒和伦敦对氢分子问题的量子力学处理，为1916年路易斯提出的共享电子对的共价键概念提供了理论基础。

1931年鲍林和斯莱特把这种处理方法推广到其他双原子分子和多原子分子，形成了化学键的价键方法。

1932年，马利肯和洪德在处理氢分子的问题时根据不同的物理模型，采用不同的试探波函数，从而发展了分子轨道方法。

价键法和分子轨道法已成为近代化学键理论的基础。

鲍林等提出的轨道杂化法以及氢键和电负性等概念对结构化学的发展也起了重要作用。

在这个时期，物理化学的其他分支也都或多或少地带有微观的色彩，例如由欣谢尔伍德和谢苗诺夫两个学派所发展的自由基链式反应动力学，德拜和休克尔的强电解质离子的互吸理论，以及电化学中电极过程研究的进展——氢超电压理论。

第二次世界大战后到60年代期间，物理化学以实验研究手段和测量技术，特别是各种谱学技术的飞跃发展和由此而产生的丰硕成果为其特点。

电子学、高真空和计算机技术的突飞猛进，不但使物理化学的传统实验方法和测量技术的准确度、精密度和时间分辨率有很大提高，而且还出现了许多新的谱学技术。

光谱学和其他谱学的时间分辨率和自控、记录手段的不断提高，使物理化学的研究对象超出了基态稳定分子而开始进入各种激发态的研究领域。

光化学首先获得了长足的进步，因为光谱的研究弄清楚了光化学初步过程的实质，促进了对各种化学反应机理的研究。

这些快速灵敏的检测手段能够发现反应过程中出现的瞬时中间产物，使反应机理不再只是从反应速率方程凭猜测而得出的结论。

这些检测手段对化学动力学的发展也有很大的推动作用。

先进的仪器设备和检测手段也大大缩短了测定结构的时间，使结晶化学在测定复杂的生物大分子晶体结构方面有了重大突破，青霉素、维生素B12、蛋白质、胰岛索的结构测定和脱氧核糖核酸的螺旋体构型的测定都获得成功。

电子能谱的出现更使结构化学研究能够从物体的体相转到表面相，对于固体表面和催化剂而言，这是一个得力的新的研究方法。

60年代，激光器的发明和不断改进的激光技术。

大容量高速电子计算机的出现，以及微弱信号检测手段的发明孕育着物理化学中新的生长点的诞生。

70年代以来，分子反应动力学、激光化学和表面结构化学代表着物理化学的前沿阵地。

研究对象从一般键合分子扩展到准键合分子、范德瓦耳斯分子、原子簇、分子簇和非化学计量化合物。

在实验中不但能控制化学反应的愠度和压力等条件，进而对反应物分子的内部量子态、能量和空间取向实行控制。

在理论研究方面，快速大型电子计算机加速了量子化学在定量计算方面的发展。

对于许多化学体系来说，薛定谔方程已不再是可望而不可解的了。

福井谦一提出的前线轨道理论以及伍德沃德和霍夫曼提出的分子轨道对称守恒原理的建立是量子化学的重要发展。

物理化学还在不断吸收物理和数学的研究成果，例如70年代初，普里戈金等提出了耗散结构理论，使非平衡态理论研究获得了可喜的进展，加深了人们对远离平衡的体系稳定性的理解。

众神手植的物理化学之苗在一代又一代物化学家的辛勤耕作和细心呵护下已然
傲然挺立在自然科学的万花园中，不胜枚举的成果和理论状若旖旎灿烂的满树繁花，勋章一般骄傲地向世人昭示着物理与化学的联姻才能取得的这般无可代替的科学突破。

不得不说现在的学科间的交叉已经日益频繁且细化，但是不管是哪一门新型的交叉学科都没有物理化学这般成就斐然。

一、本专业介绍
应用化学架接于基础化学和化学工业之间，是化学理论向生产力转化的中介。

它具有明显的应用性和综合性。

也正是这两点使得化学前沿更具丰富多采。

从其应用性来看，应用化学同国民经济和人类生活的各个方面有关。

而且关系越密切的领域，越易被重视而成为重要的化学前沿。

众所周知，不少化学前沿是属于应用化学的范围，诸如能源化学、材料化学、海洋化学等。

另外，从综合性角度来看，应用化学研究对象都是较复杂的物质客体或较复杂的物质系统，往往需要多种学科的结合以及多种理论与技术的结合。

二、物理学与化学客观上的联系
物理是化学的基础，比化学更加基本，普通化学研究的是构成物质的分子的原子的分解和重新组合的规律，研究层次主要在分子和原子两个层次上，只对化学反应规律进行总结整理和加以应用，一般不探究这些规律背后更深层次的原因（那是物理化学这一交叉学科的任务）；物理学则需要研究一切自然现象，研究层次从微观（基本粒子、亚原子粒子、原子、分子）、介观（介于微观与宏观之间，尺度在纳米和毫米之间）到宏观一直到宇观（星际直至整个宇宙），研究的现象包括力、热、光、电等各方面、研究的对象涵盖基本粒子（如质子、中子、电子）、亚原子粒子（如原子核）、原子、分子、微粒（颗粒）、宏观物体、天体、星系直至整个宇宙，以探索物质的运动规律及其动因为根本任务，物理学与其他学科结合产生了大量交叉学科和边缘学科，如天体物理、物理化学等，其范围之广、内容之深是化学无法比拟的；物理学理论（特别是热力学、量子理论等）在更加基本的层次上解释和阐明了化学反应规律的成因，还预言了一些新的未被发现的化学现象，而化学规律则可以检验和证明物理理论正确与否；容易发现，化
学（广义上的）体系中的物理化学（包含热化学、电化学等）等分支学科带有很明显的物理理论（热力学、量子理论等）的痕迹，例如热化学与热力学中最基本的内容几乎完全一致，而对于元素周期律以及化学键理论的理解则离不开原子物理学和现代量子力学，甚至还用到了相对论，这些在物理化学中是非常明显的特征，化学就是在物理学的影响下发展起来的学科，也是受物理学影响最深的学科，比如，理论化学最深刻的部分必定会归结于量子力学。

任何事物的作用是相互的，物理与化学间的影响也是相互作用的，在化学的发展壮大的同时，她又促进了物理学的发展，比如，化学中对物质结构的研究，提出原子理论等的理论，这些化学上的成就促进了物理学中材料的研究与进展，有利于对导体、绝缘体、半导体等的导电的微观原理的研究等。

所以说，物理与化学有着密切的联系。

物理学分为基础物理学和理论物理学，化学同样分基础化学和理论化学，虽然它们研究的内容不尽相同，但它们二者密切联系，优势互补，在它们的基础上建起了许多融合学科，比容《物理化学》、《热化学》、《电化学》、《光化学》、《化学动力学》等学科。

在二者相互联系，相互借鉴的基础上，它们共同取的了巨大成就。

从根本上说来，化学规律属于特定层次和范围内的的物理规律，物理与化学相辅相成，互相促进，一起组成了其它自然科学分支学科（如生物学、天文学等）的理论基础。

三、物理与化学紧密联系的实例分析
早在1661年，波义耳就发现一定量的气体在温度不变的情况下，体积与压力成反比。

17年后，法国物理学家马里奥特也独立地发现了这个规律。

1737年左右，法国物理学家查理又提出了气体体积随温度变化的规律。

1820年，盖吕萨克曾计算出查理定律表达式中常数项的近似值。

根据波义耳定律和盖吕萨克定律，很容易得到气态方程PV＝RT，式中的T 为绝对温度。

当气体为1摩尔时，R＝PV/T，这个方程是由法国工程师兼物理学家克拉佩隆首先提出来的，所以通常称之为克拉佩隆方程。

这些气体定律只能根据原子—分子学说和分子运动学说来加以解释。

到了1738年荷兰机械与物理学家伯努力提出了气体压力与分子运动之间关系的数学表达式。

19世纪下半期法国物理学家阿马加，发现所有气体都不严格遵守波义耳定律，特别是在高压情况下更是如此，他又进行了更周密的实验。

到了1871年，荷兰人范德华考虑到气体分子间相互吸引力和分子本身体积这两个因素提出了非理想气体的状态方程，完成了理论与实验非常一致的公式。

在此基础上，1865年左右，奥地利物理学家洛施米特根据阿佛加德罗假说和分子运动学说，计算出了在标准状态下每立方厘米中气体分子的数目，这一数目是：26870×1019（这是后来进一步测定的精确数字，叫做洛施米特数）。

同气体分子运动紧密相关的问题之一是气体的液化。

德莫沃和孚克劳曾以冷却与加压相结合的方法液化了二氧化硫和氨。

之后，法拉第又为进一步研究气体液化的方法，做出了重要的贡献：他在1823年，将氯气变为液体。

科学家们尝试了多种方法，都没有实现氢气、氧气和氟气的液化。

因此把这种气体称之为“永久性气体”，这种名称一直沿用了近1/4个世纪。

1869年，英国物理学家、贝尔洁斯特学院教授安德鲁斯在研究CO2的液化时发现，它有一个温度界限。

推而广之，他认为每一种气体都存在一种温度界限，高于这一温度的气体，即使在很高的压力下也不能被液化。

这一温度叫做临界温度。

在安德鲁斯提出上述观点后不久，两位法国年轻的科学工作者，铁皮匠皮克泰特和制冰匠凯耶特，根据安德鲁斯的启发，终于制得了少量的液态氧和液态氮。

气体液化技术的进一步发展，是根据焦耳—汤姆逊效应，即在低于一定温度的条件下，使气体膨胀以进行冷却。

根据这一原理，德国工程学家林德研究出了气体液化的方法（林德机器）。

与此同时，伦敦皇家科学院的科学家杜瓦，用差不多相同的装置，第一次制造出了液态氢。

杜瓦还发明了一处低温液体容器——杜瓦瓶，这种容器于1892年开始被推广使用。

四、化学与物理学之间的规律与思维
物理学与化学不但在客观上客观上相互联系，而且在主观上也是亲如手足，同样有着密不可分的联系，它们之间有着许多规律和研究思维可以相互借鉴。

1．自然科学一般方法的系统应用
物理、化学都属自然学科范畴，这之间存在着许多共同的关键性概念，如
质量、能量、运动、作用力、气体、电子、平衡、体系、环境等。

在这些共同概念之间不仅有知识之间的互相渗透，也有方法上的互相融合。

在共同知识的演绎下，出现了一些系统的公共思维摸式与基本方法，只不过是各门学科对这些结合点知识的研究方向不同。

如守恒思想的应用在化学方面，主要表现有：质量守恒、物质的量守恒、原子守恒、电子守恒、电荷守恒；表现在物理方面有：质量守恒、能量守恒、机械能守恒、动能守恒、动量守恒、电量守恒等。

平衡的动态性在化学上最突出的是化学平衡、电离平衡、溶解平衡、水解平衡；物理学上则有力及力矩的平衡、理想气体中的P、V、T变化的平衡等。

另外，它们还共同应用数学中的归纳法、平均值法、等效法、整体法、极限法等。

2、专门方法的嫁接应用
2.1 图象的处理方法
如速率是物理运动学中所讲的一个基本物理量，有关图象的表示方法、图象中点、线、面的含义等都可以完全转移到化学反应速率中得到应用。

2.2实验数据处理方法的嫁接
化学和物理不同，正如著名学者吴国庆在一篇文章中谈及物质的物理性质时指出：“化学和物理不同的是，物理关心的是各种性能的理论和正确测量物质性能的方法的原理和仪器，而化学却关心具体物质的具体性能（包括各种具体的数据）。

” 因此中学物理学实验大多都注重物质运动规律研究，在实验过程中为了减少误差，往往要培养学生处理实验数据的能力，包括数据的合理组合、数据的筛选评价、数据的迁移转换、数据的归纳统摄等。

而日常的化学实验在这方面就存在不足，在平时的习题训练中，如果能将这些方法嫁接来处理一些综合性的化学应用实验习题，见到新型化学题将会游刃有余，得心应手。

3、学科规律的对比理解
3.1 楞次定律与勒沙特列原理
表面看这两个定律之间毫无关系，仔细推敲定律的内涵，它们都是研究“补给” 现象的规律。

楞次定律作为判断电磁感应现象中的感应电流方向的规律，通俗的理解为“感应电流的效果总是反抗产生感应电流的原因”；勒沙特列原理作为判断平衡移动方向的基本原理也可理解为“平衡的移动方向总是反抗给定因素的原因”。

它们之间都可简单的比喻为“来拒去留”，因此研究方法与思维形式都
是一致的。

如果在化学课上讲完勒沙特列原理后能引导学生类比物理上的楞次定律，在物理课上讲完楞次定律后能引导学生类比化学上勒沙特列原理，学生的整体思维肯定会产生一次飞跃。

3.2 气体状态方程与阿佛加德罗定律
物理学是基础，化学是物理的发展，从史学角度看，气体状态方程、克拉珀龙方程与阿佛加德罗定律之间都是有联系的，随着学科分工的不同，容易让人将两者割裂，在化学课上巧妙地引入气体状态方程、克拉珀龙方程就有利于学生对阿佛加德罗定律及推论、气体摩尔体积更深刻地理解应用。

总之，化学与物理之间没有特别严格的区别，在不同的课堂从不同的角度对比讲授，既可结合共性中的系统方法，又可嫁接个性中的专门方法。

这将对培养学生的综合应用能力是大有裨益，尤其在化学科中借用物理的方法往往能起到事半功倍的效果。

通过对物理与化学的客观和主观的分析，我们发现屋里无化学确实密切相连，若二者相互借鉴，取长补短，则它们将会产生“1+1》2”的效果，它们将会共同为自然科学写下辉煌的华章，共同为社会做出巨大贡献。

五、当前面对学科研究提出的挑战
进入20世纪，人类开始遇到人口增长、资源匮乏、一半恶化等问题的威胁。

物理与化学在解决这些问题上发挥了核心科学的作用。

而在相关学科的发展中则起了牵头作用。

可想而知，在21世纪化学在人类生存、生活质量和安全方面将以新的思路，观念与方式发挥核心科学的作用，该报告在回顾20世纪物理与化学学科发展的基础上，阐明了物理与化学的核心科学作用，并认论述了未来物理与化学学科的发展趋势与研究模式，进一步探讨了相关学科中的基本问题。

六、物理与化学的结合在解决这些问题时具有核心科学作用。

其主要表现在三个方面：
（1）物理与化学相结合不但大量制造各种自然界已有的物质，而且能够根据人类需要创造出自然界本不存在的物质。

（2）物理与化学能够提供组成分析和结构分析手段，使我们能在分子层次上认识天然以及合成物质和材料的组成及结构，掌握和解释结构-性质-功能的关
系，从而能够预测、设计和裁剪分子。

（3）物理与化学掌握了决定物质变化过程的热力学、动力学理论，而且能从理论上指导新物质（如催化剂）和瓜新条件（如高压、高温、超临界状态）的设计及创造，因而能够达到自然过程不能达到的目标。

七、实现可持续发展的基本物化问题-绿色物化和环境物化
环境科学向物理与化学提出的基本问题已经从早期的分析监测方法和环境治理方法转向环境过程研究：
（1）环境过程物化：环境中的物化过程的跟踪、分析、模拟和预测。

（2）环境生物物化：研究天、地、生相互作用的基本物化反应，特别是人和生物对外来物质和能量所做的应答以及人类生活生产活动对环境影响的物化基础。

绿色物化基础问题是：
（1）结合物理与化学紧密联系改变现有生产的化学合成路线和工艺路线，包括环境友好原料、介质和反应条件及原子经济性，使其成为保证人类可持续发展并与生态环境直辖市发展的洁净、节能、节约的生产方式。

（2）用新的环境友好的、对人类和生物无害的化学品，取代现在使用的有害化学品；基于物理与化学的紧密联系用新的工作方法代替原来的有害工作方法。

综述：物理和化学这两门古老而年轻的学科在一起所能激发出的蓬勃的力量是我们无法想象的。

物理授之以肉躯，化学塡之以精魄；物理修塑其风骨，化学粹聚其神魂。

道可道，非常道；名可名，非常名。

物理化学这株自然科学的奇葩还有万般变幻，千钟风情，说不尽，道不完。

但是必须也只有同时植根于物理和化学这两片宽广深厚的沃土，她才能不断吸收鲜活的生命力，永远焕发出不朽的生机。

参考文献
《费曼物理学讲义》第一卷第三章；【作者】理查德·费曼
《化学与人类文明》【作者】中国科学院
《化学作用与物理作用》【作者】郝明义【日期】2002.08.01 【来源】中国图书商报
《生物化学与生物物理学报》第5卷第1-6期【形态项】674
【出版项】上海市：上海科学技术出版社, 1965
【ISBN号】0582-9879
《物理化学学报》【作者】中国化学会《物理化学学报》编委会辑
【形态项】26cm
【出版项】北京市：北京大学出版社, 1985
【中图法分类号】O64。