梅乐芝经理的科普文章 （七）

第7节物质的组成

物质是用什么构成的？这个问题可能很早就出现在人们的脑海中。春秋时中国的五行理论，其中有。后来五行成为一种包罗万象的体系，从伦理到中医等等不一而足。古希腊时期，恩培多克勒提出四元素组成万物。后来德谟克利特提出原子论，指出万物是由不可分之物（原子）构成。这是一种构思，缺乏实证。

爱尔兰人波义耳给出了一个可行的定义：元素是一种单纯的物质，不能使用物理或化学方法分解为更简单的物质。后来英国人道尔顿又重新提出了原子论。此时已有大量元素被发现，他认为：元素均由不可再分的微粒组成。这种微粒称为原子。原子在一切化学变化中均保持其不可再分性。这一观点重复了德谟克利特的观点，当然他还提出了一些可验证的推论。部分正确部分错误。不过毕竟是可验证的理论，最终原子理论于二十世纪初广泛接受。

意大利人阿伏伽德罗提出了分子论，认为分子是物质组成的基本单元，而分子是由原子构成。这些原子数量及元素类型决定了分子的性质，最终决定了物质的属性。我们常见的物质存在状态是固态、液态、气态，通常称为固体、液体、气体。这些状态的区别就在于分子之间的关联方式不同。固体：分子保持位置不变，间距很小（与分子大小相比）仅在固定位置附近轻微振动。液体：分子无固定位置，间距相对固体情况要大，但整体还还能保持完整性。气体：分子不仅无固定位置，间距非常大，必须施加外因才能维持（引力或密闭容器）不扩散消失。

无论物体什么状态，其分子都在运动，程度与温度相关。温度越高，运动越快。换而言之，温度就是分子运动平均状况的指标。对于固体而言，当温度越来越高，分子的振动越来越剧烈，维持固体各分子保证自己位置的约束相对越来越弱。某些分子因为振动更剧烈而离开原始位置，则固体开始熔化为液体。液体分子没有固定位置，导致可以流动。但整体还可以保持分子不脱离集团。当温度更高，分子运动更快时，某些液体表面分子速度太快，离开液体表面，脱离了液体整体。当大量液体分子开始离开液体表面，液体开始汽化，成为气体。气体的分子间距太远，相互之间基本没有关联。如果没有约束存在，分子就消失得无影无踪。

前面讨论了液体和气体的压力。在地球表面，比如某块钢板。空气中大量分子快速运动，撞击到钢板。这些撞击的整体效果就是大气压力。同样钢板置于水中，大量水分子撞击效果就是水的压力。可以看到，钢板面积越大，则撞击效果越明显，对应压力就越大。我们通常使用压强来定义压力效果。就是固定受压面积，来测定压力大小。测定的压力就定义为压强。压强=压力/面积。通常的大气压就是指大气压强。

思考：

1温度是分子运动速度的平均指标。那么就存在某些分子运动速度远大于平均速度，某些分子速度远小于平均速度。冬天天寒地冻，在外面晾衣服，衣服上都结冰。但是晾一段时间，衣服还是可以晾干，就是这个原因。同样情况，液体表面的某些分子也可以脱离表面，成为气态分子。如果将液体保持着密闭环境，将气态分子清除，对液体而言，其状态有什么变化？

2热量在不同温度的物体之间传递。实质是分子平均运动速度降低，就意味这热量流失。分子平均运动速度升高，就是吸收热量。注意，只是分子平均运动速度，并不涉及分子数量和分子密集程度问题。前面曾经提到，温度有下限，-27315c，而没有上限。原因就是分子运动速度（正常情况下，宏观规模的运动是有方向的。速度就是某方向上的运动快慢程度，速度概念里面包含了方向因素。在分子级别时，讨论的是大量分子的速度大小，不涉及方向）最低为0，就是完全不运动。无法为负。原理上而运动速度可以任意快，也就是温度没有上限。但实际上速度也有上限，最快不超过光速（爱因斯坦相对论要求。2011年9月22日，意大利格兰萨索国家实验室接收730公里以外的从欧洲核子研究组织发射的中微子束的时候，发现中微子比光子提前607纳秒到达目的地，意味着有超过光速的情况出现。2011年11月17日重复验证。2012年2月报道，有可能是实验误差导致的情况。也就是说超光速尚未证实存在。）。温度定义，如果以温度下限为基准，定义为0度，这就是热力学温度定义，以英国人开尔文的名字命名，使用k来表示。0k=-27315c，0c=27315k。如果让1个分子完全静止，这算不算达到0k呢？

3地球大气离地面85公里至800公里之间称为热层，最高温度可达2000c那么宇航员所穿的宇航服会不会因为热而损坏？

4同质量的冰体积居然比水体积大，是否意味着固态情况下分子距离大于液态呢？事实上冰的分子和水的分子形状不同！虽然组成相同，冰中的水分子像张开翅膀的蝴蝶，而液态

（本章未完，请翻页）水分子则是蝴蝶的翅膀稍稍收拢。同时也说明水分子之间的间距与冰中水分子之间间距没多大差距。

5同体积酒精和同体积水混合，结果体积并没有达到原体积的两倍。表明某种液体的分子间隙过大。而某些液体分子过于稠密，表面看起来不像液体，而像固体。沥青，常用于公路铺设、防水密闭材料、建筑结合剂（注意不是柏油，沥青来自石油，柏油来自煤焦油）。澳大利亚昆士兰大学进行了一项沥青滴漏实验，以表明沥青是液体。用了60年时间滴出8滴。

6地球内部都是液体，中心是金属液体，外层是岩石液体，就表面薄薄一层固体。就因为地壳内部是液体，所以地球的薄壳相当于漂浮在液体上，可以移动。我们所能观察的地球历史，就是外壳漂移和沉浮的历史。

7地球表面山的极限。自从印度次大陆撞上欧亚板块后，青藏高原就开始形成，撞击部位形成了喜马拉雅山脉，持续在上升中。那么山脉是否会持续上升，没有终止呢？地壳下面是岩浆液体，当山太高以后，下面承载的岩石受的重力太大就陷入岩浆中，这时山就无法继续升高。估计地球可以承载的山的高度大约20公里。火星有21公里高的山，是太阳系中最高的山。但火星内部已经冷却，无法再让山增高了。同样情况，冰厚度增加到一定程度，压力使得冰熔点降低，出现湖泊。在南极冰层下大约有140多个湖，其中最大的是沃斯托克湖，在冰下4000米。形成时间超过50万年，面积157万平方公里。

8在显微镜下，可以观察水中的灰尘、花粉粒的运动，从侧面可以得知水分子的运动规律，就是没有规律。这一运动称为布朗运动，以英国人布朗命名。

9液体分子之间有吸引力，维持液体体积不变。造成这种吸引力的因素和原子的类型有密切关系。水内部的分子受到各个方向吸引力，但是表面的水分子只能收到下方的吸引力，造成水分子被拉入水中。最终表面的水分子数量达到最小，无法再被吸入内部。就在水表面就形成一层膜，这次膜具有一定韧性，可以让小动物、昆虫在上面奔跑。这层膜的效果就使用表面张力来等效。

在液体与气体（非液体同一种物质）分界面，大量液体分子进入气体，称为汽化。少量气体分子进入液体，称为溶解。当进入的气体分子数量和重新离开液体的气体分子数量相等时，称为饱和溶解，这时候进入液体的分子数量不再增加。此时一定体积的液体中溶解的气体分子总质量称为溶解度。当液体外气体分子的数量减小时，表现为气压强降低，则液体中的气体分子数量会下降，在一个较低水平重新达到平衡，也就是说，气压降低，则气体溶解度下降。当温度升高时，分子活动加剧，气体分子更容易离开液体，也导致溶解度下降。因为溶解度随气压和温度相关，因此给出溶解度时，就得同时给出当时的压强和温度。

固体和气体，也有类似情况，不过只有少量固体可以吸收大量气体，多数固体吸收的气体微乎其微。而固体也可以溶解到液体中，事实上，我们身体的大量生理活动，都是因溶解才得以发生。液体溶解固体，也同样有溶解度，时常伴随着放热或吸热。液体温度升高时，多数固体的分子更易进入液体，溶解度增加，这个和气体完全相反。

思考：

1水中生存着大量动物，除了那些哺乳动物可以从空气获得氧气，其他动物都是从水中获取氧气，这些都是从空气溶解进入水中的。1立方米空气含氧气大约320克，1立方米海水含氧气6克-12克，北极地区海水中氧气含量几乎是赤道地区的2倍。可以肯定，海洋动物的呼吸效率更高。

2海边的渔民在潜水时经常会得潜水病。在潜入海中四十米后，气压增加到五个大气压，空气中的氮气大量溶解进入血液中。当浮出水面时，气压恢复标准大气压，则血液中的氮气大量逸出，形成气泡，堵塞毛细血管，尤其是脑部，引起身体障碍。治疗这种疾病，就让病人进入高压气室，这样氮气泡又慢慢溶解进入血液。等身体无碍后，缓慢降低压力，让氮气慢慢逸出体内，最后可以恢复正常。军队的潜水员则呼吸氧气和氦气的混合气体，氦气的分子是单原子，溶解度随压力基本不变，因此可以自如地在海中上下。但是氦气很贵，一般人用不上。空气中的氦气非常少，工业获取氦气是从存在放射性元素衰变产物的天然气中提取。氦气的密度仅大于氢气，并且不可能燃烧，是安全的气球的填充气。德国制造齐柏林飞艇，由于无法从美国进口到氦气，故使用氢气填充，最后因氢气泄漏燃烧发生灾难。

3盐是人体必需的物品。盐在水中的溶解度随着温度增高变化很小。而和盐伴生的硝随着温度增加溶解度大幅度增加。早期海边产盐（满清以前）是用火加热大锅海水，让盐结晶。后期是置海水于浅池中，让太阳暴晒，大量的盐就结晶而出。内陆的盐池也同样如此，可以夏天产盐，并且冬天可以产硝。

4硝石

（本章未完，请翻页）（硝酸钾，智利硝石：硝酸钠，挪威硝石：硝酸钙，芒硝：二水硫酸钠）溶解于水，吸收大量热，因此可以用来制冰。古代埃及和中国都使用过这种方法。

5汞，常温下液态，俗称水银。可以溶解大多数金属。汞溶解银后形成的合金，用于补牙填充。古代的鎏金技术就是使用汞溶解金，涂抹在器物表面，再加热令汞挥发。最后打磨成型。

6铁、钴、镍的化学性质接近，都可以吸收一氧化碳。一个原子配四个一氧化碳分子。大家可以计算一体积铁可以吸收多少体积的一氧化碳。

二十世纪开始后，物理学进入一个新的阶段。原子本认为是不可再分，阴极射线实验发现电子，证明原子内部还有其他结构。最终认定原子中心是原子核，带正电，周围是电子环绕，带负电。类似于地球环绕太阳的情况。电子以接近光速的速度绕原子核而行，原子的质量基本集中在原子核，而原子核的体积相比原子所占的体积（在分子范围）可以忽略，也就是说原子内部其实空空荡荡。不同元素的原子内电子数量不同。当电子数量较多时，电子还分层环绕，就像太阳系情况。

我们通常发现不同的元素的特性，主要是原子内部外层电子变化引起。我们认为的剧烈燃烧、爆炸等现象其实是不同分子之间的原子互换或分子分裂后原子重组新的分子过程。这些过程根本不涉及原子核的任何变化，仅仅是不同原子在重组中外层电子的搭配情况有所变化。

在某种情况下，原子核之间也会发生作用，合并或分裂，这时候就是通常我们所说的核反应。某些元素的原子核不稳定，会自发发生分裂。导致元素衰变为其他元素。这个是天然的核反应过程。将那些不稳定的原子核集中在一起，让分裂过程变得剧烈，或将原子核强行合并产生新元素，这是人工的核反应过程。

观察：

1早期电视或电脑显示器，都是使用阴极射线管（crt）来产生图像。屏幕本身是厚玻璃，仔细观察会发现玻璃后面是小点组成都阵列。每个小点是由三个更小的点组成。使用时，高速电子流击中小点，使得小点发亮。这些小点称之为荧光粉。电子流打在荧光粉上，改变了荧光粉原子中电子所在的位置，当改变位置的电子回原位置时，就发出肉眼可见的光。不同类型的荧光粉发的光颜色不同，发光的持续时间也不同。我们使用余辉时间来描述发光持续时间。短余辉荧光粉、中余辉荧光粉、长余辉荧光粉就是荧光粉发光持续能力的通常划分方式。等离子显示屏，虽然工作方式与阴极射线管不同，但显示出不同颜色都是发光材料的原子内部电子回到原位置而产生的可见光。早期的日光灯、现代的节能灯原理与等离子显示屏类似。

2自然中很多元素的原子核会发生变化。地球的生命都使用碳元素，并且在生命周期内会和外界环境进行碳交换。空气中存在大量氮元素，某些氮原子受到宇宙中高能射线打击，原子核发生变化，变成碳14元素。这些碳14原子与通常的碳12原子不同，其原子核不稳定，会慢慢衰变为氮原子核。衰变的速度是每5730年数量减少一半（称为半衰期）。但因为宇宙射线的补充能力，空气中碳14元素与正常碳12元素比例恒定。某生物在生命周期内进行碳循环，碳14元素随之进入身体，两种碳元素同样在生物体内保持恒定比例。当生物死亡后，遗骸中的碳14只衰变，而无补充。通过测定碳14的比例，可逆推出生物距今的时间。方法的缺陷：不同时期可能碳14的比例不同，在生物埋藏过程中可能存在污染，衰变速度较快，时间较长的碳14含量过低，误差太大。可以测定的最长时间是6万年左右。这种方法可以推广到检查地球年龄，生命起源的时代，月球的年龄等等。只要选合适的不稳定元素即可。铀铅测年法-通过测量铀235和铅207以及铀238和铅206的比例测量石头，可以测量大约一百万到超过45亿年的年代。钾氩测年法-钾40衰变为氩40。可以测量超过100,000年的石头。铷锶测年法-铷87衰变成锶87有13亿年的半衰期。用于测量火成岩和变质岩，还被用于测定月球岩石。

3原子、弹使用铀233、铀235、钚239来制造，早期通过分离铀238和铀235来进行。铀235的半衰期是7亿年，铀238的半衰期是45亿年。所以现在铀矿中的铀235很少。天然铀矿中铀235含量大约07%，核电站使用铀235来发电，其浓度大约3%，制造武器的浓度大于90%。现在分离铀235的技术主要是使用离心机对六氟化铀气体进行，依赖密度的微小差异实现浓缩。攻击伊朗分离铀235的计划就是通过计算机病毒使离心机工作过速而损坏。分离后的剩余铀238由于密度高，常常制造弹头，称为贫铀弹。作为穿甲弹比钨制弹效果好，并且容易燃烧，威力大。由于存在衰变性，对生物dna易造成破坏，诱发白血病、婴儿畸形等。在伊拉克战场上曾大量使用。

（本章完）

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