高中物理固体和液体讲义

固体和液体

我们知道，分子不停地做无规则运动，它们之间又存在相互作用力．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．物理学又把固态和液态统称为凝聚态．凝聚态物理学是当前物理学发展最迅速的分支学科之一．

固体和液体都呈凝聚态．它们有一个共同的特点：它们的分子间的距离跟分子本身的大小具有相同的数量级，因而分子间有较强的相互作用．这使得固体和液体都不易压缩，在微观结构上不像气体那样无序．

固体可以分成晶体和非晶体两类．

晶体都具有规则的几何形状．例如，食盐的晶体呈立方体形，明矾的晶体呈八面体形，石英的晶体中间是一个六面棱柱，两端是六棱锥．冬季的雪花，是水蒸气在空气中凝华时形成的冰的晶体，它们的形状虽然不同，但一般是六角形的规则图案．非晶体则没有规则的几何形状．

晶体和非晶体除了外形上的差异外，在物理性质上也有所不同．

实验：取一张云母薄片，在上面涂一层很薄的

石蜡，然后用烧热的钢针去接触云母片．观察接触

点周围的石蜡熔化后所成的形状．

然后再在玻璃片上做同样的实验.

从实验中我们看到，熔化了的石蜡在云母片上

呈椭圆形，而在玻璃片上呈圆形．实验现象表明，

云母晶体在各个方向上的导热性能不同，而非晶体

玻璃在各个方向上的导热性能相同．

晶体在不同的方向上不仅导热性能不同，而且

机械强度和导电性能等其他物理性质也不一样．也就是说，晶体的物理性质与方向有关，这种特性叫做各向异性．而非晶体的各种物理性质、在各个方向上都是相同的，所以是各向同性的．

总之，晶体在外观上有规则的几何形状，有确定的熔点，一些物理性质表现为各向异性；非晶体在外观上没有规则的几何形状，没有确定的熔点，一些物理性质表现为各向同性．

实际上，一种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，也就是一种物质是晶体还是非晶体，并不是绝对的．例如，天然水晶是晶体，而熔化以后再凝结的水晶（即石英玻璃）就是非晶体．许多非晶体在一定的条件下可以转化为晶体．

固体的微观结构

组成晶体的物质微粒（分子或原子、离子）依照一定的规律在空间中整齐地排列、晶体中物质微粒的相互作用很强．微粒的热运动不足以克服它们的相互作用而远离．微粒的热运动表现为在一定的平衡位置附

近不停地做微小的振动．

从1912年开始，人们应用X射线对晶体结构进行研究，

证实了这种假说是正确的．现在，人们用电子显微镜对晶体内

部结构进行直接观察和照相，进一步证实了这种假说的正确

性．

食盐的晶体结构示意图，说明食盐的晶体是由钠离子Na+

和氯离子CI－组成的，它们等距离、交错地排列在三组相互垂直的平行线上，因而食盐具有正立方体的外形．

晶体外形的规则性可以用物质微粒的规则排列来解释．同样，晶体的各向异性也是由晶体的内部结构决定的．

左图表示在一个平面上晶体物质微粒的排列情况．从图上可以看出，在沿不同方向所画的等长直线AB、AC、AD上，物质微粒的数目不同．直线AB上物质微粒较多，直线AD上较少，直线AC上更少．正因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起晶体的不同方向上物理性质的不同．

有的物质能够生成种类不同的几种晶体，是因为它们的物质微粒能够形成不同的晶体结构．例如，碳原子如果按图甲那样排列就成为石墨，按图乙那样排列就成为金刚石．

石墨是层状结构，层与层之间距离较大，作用力较弱，沿着这个方向容易把石墨一层层地剥下．石墨的层状结构决定了它的质地松软，可以用来制作粉状润滑剂，也可以用来制作铅笔心．

金刚石中碳原子间的作用力很强，所以金刚石有很大的硬度，可以用来切割玻璃．如果把它装在钻探机的钻头上，能够钻入坚硬的岩石内．

石墨和金刚石，除了力学性质不同外，其他物理性质也有很大差异，例如石墨的密度小，金刚石的密度大；石墨能导电，金刚石不能导电．

不只是碳元素能组成不同的晶体，其他元素也有这种情况．例如黄磷和红磷的化学成分相同，但是黄磷具有立方体结构，而红磷具有与石墨一样的层状结构．液体的微观结构

液体的性质介于气体和固体之间．它一方面像固体，具有一定的体积，不易压缩；另一方面又像气体，没有一定的形状，具有流动性．液体的这些性质是由它的微观结构决定的．

液体在汽化时，体积改变可达上千倍；而在凝固时，体积大约减小10％．这表明，液体分子的排列更接近于固体．跟固体一样，液体中的分子也是密集在一起的，因而液体具有一定的体积，不易压缩．但是，液体分子之间的相互作用不像固体中的微粒那样强，液体分子只在很小的区域内作有规则的排列，这种区域是暂时形成的，边界和大小随时改变，有时瓦解，有时又重新形成．液体由大量这种暂时形成的小区域构成，这种小区域杂乱无章地分布着，因而液体表现出各向同性．

液体分子间的距离小，相互作用力很大，液体分子的热运动与固体类似，主要表现为在平衡位置附近做微小的振动．跟固体不同的是，液体分子没有长期固定的平衡位置，在一个平衡位置附近振动一小段时间以后，又转到另一个平衡位置附近去振动，即液体分子可以在液体中移动，这就是液体具有流动性的原因．

液体中的扩散现象是由液体分子运动产生的．分子在液体里的移动比在固体中容易得多，所以液体的扩散要比固体的扩散快．

非晶体的微观结构跟液体非常类似，可以看作是粘滞性极大的液体．所以严格说来，只有晶体才能叫做真正的固体．