固液微结构探究

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：但固体和液体的微观结构还有一些特殊的性质。从本质上说，非晶体是粘滞性极大的液体。这就是晶体与非晶体不相同的一个主要特征，它由各向的性质决定。晶体的微观结构在物理学中，根据单晶体外形规则性和物理性质的各向异性，人们一直设想晶体是由微粒子规则排列而成的。因此，利用X射线衍射方法能够“窥视”晶体内部的微观结构。因此，液体分子的这种近程有序而远程无序的微观结构，使它们具有宏观上的各向同性。

在分子运动论的实验中表明，微小的原子或分子间还有空隙。物体被压缩或拉伸就是分子间的距离变化的结果。但固体和液体的微观结构还有一些特殊的性质。

1.固体

固体可以分为晶体与非晶体两大类。如盐（NaCl）、云母（含水铝硅酸盐）、明矾、水晶（SiO₂）、金属等都是晶体；而橡胶、塑料、沥青、松脂等都是非晶体。从本质上说，非晶体是粘滞性极大的液体。因而在讨论固体时就主要是指晶体类固体。

（1）晶体的各向异性

在热学中，晶体的线胀系数和热导率在不同取向上有不同的值，这一热学性质，即为晶体的各向异性。例如石英、明矾、方解石等天然晶体因各向异性，便具有不同的形状和晶面角（晶体的晶面间的夹角叫晶面角，它是一种晶体的特征）。如方解石晶体是一个平行六面体，其晶面角为75°和105°。因此，测量晶面角是鉴别晶体的重要依据。把晶体砸裂后分开的小晶体仍具有相同的形状和晶面角，而非晶体的断裂面往往不是平面，也没有一定的晶面角。这就是晶体与非晶体不相同的一个主要特征，它由各向的性质决定。非晶体的宏观性质是各向同性的。而晶体的各向异性，决定了晶体不论是从熔浆中结晶还是从溶液中析出，在成长过程中，各方向的成长速率不同。因此，晶体在电场中的极化强度、晶体对光的折射率也都是各向异性的。

（2）晶体的熔点

实验表明：在一定压强下加热一种晶体，它的温度会升高，但到达一定温度时，晶体开始熔解，而再继续加热时，温度保持不变，直到全部晶体熔化成液体后，液体的温度才又升高。因此，晶体是有一定的熔点的。其定义是：在1atm下，固态与液态共存平衡的温度就是该晶体在这个压强下的熔点。不同晶体的熔点不同。非晶体没有一定的熔点。

（3）晶体的微观结构

在物理学中，根据单晶体外形规则性和物理性质的各向异性，人们一直设想晶体是由微粒子规则排列而成的。直到1913年劳厄（1879—1960）研究了晶体的X射线衍射条纹，才证明了晶体内部粒子的有规则排列，同时也进一步计算出晶体中粒子间的距离。之后，布拉格（1862—1942）父子又研究了X射线在晶体表面的衍射理论，并于1913年建立了布拉格公式

nλ＝2dsinθ

式中，λ为X射线的波长；d为晶体内一组由粒子组成的平行平面间的距离（即晶格常数）；θ是衍射线与晶面的夹角。

因此，利用X射线衍射方法能够“窥视”晶体内部的微观结构。若将晶体磨出不同取向的表面，则可测定出由粒子组成的各组平面间的距离。

大量的实验表明：晶体中粒子是有规则地、有空间周期性地排列着的。也就是说，如果用点表示粒子（分子、原子、离子或原子集团）的质心，则这些点的空间排列就具有周期性。而表示晶体粒子质心所在位置的这些点就称为结点。结点的总体称为空间点阵。空间点阵的周期性指的是，从点阵中任何一个结点出发，向任何方向作射线，如经过一定的距离后遇到另一结点，再经过相同距离后就一定会遇到第三个结点。实验表明：处于结点的粒子间存在着引力与斥力相平衡的相互作用，粒子间的距离相当于分子间相互作用时的平衡距离。因此，根据晶体的点阵结构就很容易理解晶体的弹性。

实验表明：粒子间的相互作用将能量从高温向低温处迁移，宏观上产生热传导，而晶体的结构是粒子结合成一定的空间点阵，粒子运动的形式是在平衡位置附近的无规则振动。

2.液体

液体是一种能够流动的物质，它的性质介于气体与晶体之间，一方面它像晶体那样有一定的体积，不易压缩；另一方面它又像气体那样没有确定的形状。在物理性质上各向同性。因此，液体在微观结构上既在某些方面接近晶体，又在另一些方面接近气体。

（1）液体分子的排列情况

实验表明：在熔解和结晶时，大多数物质的体积只改变10%左右，而分子间平均距离只改变3%左右。因而说明，液体中的分子和固体中的分子一样，也是密集在一起的。在实验中，用X射线研究熔解与结晶过程时发现液体分子在很小范围的一个短暂时间内排列保持一定的规则性，具有近程有序的特点。但液体中这种能近似保持规则排列的微小区域是由一些分子暂时形成的，边界和大小随时都在改变，有时这种区域会完全瓦解，有时新的区域又会形成。在区域内部，液体分子的排列是近程有序的，这样的区域就叫做液体中的晶团。但晶团与晶团间没有一定的排列规律。因此，液体分子的这种近程有序而远程无序的微观结构，使它们具有宏观上的各向同性。

有关晶团的形成，这里因篇幅所限就不再多述，相关内容可参见普通物理学中的相关介绍。

（2）液体分子运动情况

实验表明：由于液体分子间的距离很小，分子间的相互作用力很大，因此液体分子的运动与晶体相近，主要是在平衡位置附近做微小振动。但是与晶体相比，液体分子间隙大一些，液体分子不会长时间在一个固定平衡位置上振动，仅仅能在一个平衡位置保持一个短暂的时间。液体分子在某一平衡位置上振动（主要是在同一晶团内的其他分子作用力下进行的振动）一段时间后，就转移到另一平衡位置上去振动，经过一段时间后，又转移到第三个平衡位置去振动，从而液体分子可以在整个体积中移动。

3.液晶

实验表明：许多有机化合物在加热时并不直接由固态变为液态，而是要经过介于固态与液态之间的过渡状态。这个过渡状态下的物质就是液晶。

液晶的力学性质和液体一样，也具有流动性，它的光学性质很像晶体，具有各向异性。但液晶只能存在于一定的温度范围内，而这个温度的下限就是晶体的熔点T_M，温度的上限就是由液晶转变为各向同性液态的温度，这个温度就叫做液晶的清亮点T_T。因此，只有在T_M﹤T﹤T_T之间的温度，液晶的光学各向异性才能够表现出来。

目前发现的液晶物质主要有近晶型、向列型和胆甾型三种类型。有关内容可参见普通物理学中的相关介绍。这里不再多述。

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