杨槐馨：物质的外表与内在——性质与结构【云里·悟理-第6课】

　　第六课

　　物质的外表与内在——性质与结构

　　主讲人

　　《云里 · 物理》系列微课简介

　　在这一课，我给大家介绍一下物质的内在与外表——性质和结构。首先我们要记住两点，第一点是物质的性质是由物质的结构所决定的；第二点是物质的状态和它所处的环境密切相关，经常使用温度和压强这两个物理量来描述环境。

　　根据生活中的常识我们最容易理解的是气相、固相和液相三相之间的变化以及它们结构和物性的关联。最常见的是水的三相变化：给一小块冰加热，它会溶解为水；给水继续加热，它就会变成水蒸气。组成这块冰的物质的量是一定的，而水、水蒸气和冰的体积却发生了显著的变化，由此可以直观地想象出，由分子或原子组成的物质在这三态之间结构发生了非常大的变化。

　　生活中还有一些关于结构变化的现象，就没有这么直观了。如图所示，拉开的回形针放到水中，它很快地又恢复了形状，这是为什么呢？这里边涉及到的是原子层次的结构变化——马氏体相变。这种相变过程经过两个相，物质的原子之间会产生一个位移，这个位移在畴结构上有一些区别，从而使合金可以“记住”它原来的形状。这种现象并不罕见，我们经常看到的某些热敏或压敏器件就具有这种现象。举个例子，我们压一下手机屏，再给它一个温度会出现你的压纹，这里便涉及到固体内部结构的变化。有些材料在一个非常小的温度范围（接近室温）就可以发生原子层次的相变，而这种相变会导致它们的光学性能发生改变。

　　物质的存在形态

　　01

　　现在再来讨论物质的形态，我们回到物理学家和化学家相遇的地方——元素周期表。如果你去一个化学家的办公室或者物理学家的办公室，经常可以看到墙上有张大大的元素周期表，因为这是他们来做很多研究的一张路线图。本文中提到的基本粒子是原子、电子、原子失去或得到电子后形成的离子以及原子通过一定的键合作用形成的分子。物质存在六态：固态、液态、气态、等离子态 、玻色—爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态。日常生活中接触最多的是固态、液态和气态，但这并不意味着整个宇宙中它们就是所占比例最大的三个态。因为人类实际上是一种非常脆弱的生物，在整个宇宙中我们生活的地球处于宜居带。它与恒星保持着合适的距离，在这个范围内它还需要一定的气压、适当的温度来维持水的三相变化，这样人类才得以生存。因为我们所处的环境适宜，这也远远限制了我们对这个世界的感知。在整个宇宙中占到主导的状态并不是固态、气态和液态，而是等离子态。等离子态是种高能态，它是原子失去电子后形成的一种电离态。在整个宇宙中，很多的星球内部气压和温度都非常的高，所以在其中的物质都处于等离子态。举个例子，把水变成蒸汽状态以后，如果继续加热到一定程度，那么水分子就会分离成氧原子和氢原子；我们再进一步给它加热，原子又会变成离子，这些离子组成的稳定状态就是一种等离子态。

　　宇宙中大部分发光星球内部的物质差不多都处于等离子态。

　　等离子体的组成显然和气体有很大的区别，气体是由中性的原子或分子组成的，而等离子体却是由带电粒子所组成，由此很容易想到等离子体具有导电性。除此之外，我们知道带电的粒子进入磁场后会受到洛伦兹力的作用，所以等离子体在磁场的响应和中性分子也是截然不同的。等离子体的结构决定了它的性质与气体的性质明显不同。

　　在这里介绍几种常见的等离子态。一个是极光，极光是来自太阳的高能粒子进入地球以后，在地磁场的作用下运动到了南北两极，再与大气层中的分子或原子发生碰撞，从而产生的一种非常绚丽的自然景象。既然我们能看到极光，就说明在这个过程中产生了光子。因为我们的视网膜本质上是一个非常单调的光学探测器 ，当我们看见一个物质并能辨认它的颜色时，实质上我们接收到的是一定波长的光子信号。

　　极光

　　如果你并不想去极地看极光，而是想很方便便宜地感知一下等离子态，可以在网上买一个等离子球来观察。等离子球的结构并不复杂，它的腔内充满了惰性气体（一般是氩气），底部有一个振荡变压器，直流的低压电在经过振荡变压器后变成交流高频高压电，而高压电的电压非常高，它可以把腔内的氩气电离，从而形成等离子体。通上电后我们就可以观察到漂亮的辉光发电现象，如果用手靠近或触摸等离子球表面，可以清晰地看到接触点与中心产生了一个亮线连接起来。为什么会产生这种亮线呢？人体是一个导体，在等离子球的电极和地面之间形成了一个电阻比较低的态，所以带电的粒子就顺着这个线走过来了。想证实这个理论也很简单，用氯化钠单晶（一个绝缘体）来靠近等离子球就会发现没有这么大的变化，因为它是一个绝缘体，周围环绕的空气也是绝缘体，它们不能与等离子球形成一个非常大的电势差别。

　　等离子球

　　了解完高能的等离子态，接下来介绍费米子凝聚态和玻色—爱因斯坦凝聚态，它们是物质在低能下的两种量子状态。科学家根据基本粒子的内禀性质将其分为两类，一类叫做玻色子，一类叫做费米子，简单来说它们的区别是处在基态的时候，不同玻色子可以存在于同一能量状态下，而对于费米子则不行，它们遵循泡利不相容原理，需要处在不同的能量台阶上。当然这不是最准确的一个描述，但是大家可以先了解一下这个原理。

　　玻色子和费米子

　　对于可以处在玻色—爱因斯坦的凝聚态的原子，还是气体状态的时候，这些原子是非常个人主义的，我们可以把它们当作张三、李四、王五，但是随着环境温度的降低，这种气体的原子的振动会越来越小，当温度降到足够低时，它们会表现出一个非常整体的行为，就像突然分不清这些人谁是谁，它们被凝聚到相同的量子态，这就是玻色—爱因斯坦凝聚态。在玻色—爱因斯坦凝聚态中，所有的原子都是一些集体主义的原子。举一个例子，在操场上有许多人本来沿着各种方向运动，但是突然有人讲大家一起向右走，然后大家就整整齐齐的向右走，像这种不能区分谁是谁的态就是玻色—爱因斯坦凝聚态。

　　讲到玻色—爱因斯坦凝聚态的时候，这里边有好多故事，非常出名的一个是物理学领域的伯乐识千里马的故事。年轻的玻色由于他没有多大的名气，写了一篇论文晦涩难懂发表不了，于是他就把它寄给了爱因斯坦，爱因斯坦并没有因为这是来自一个无名小辈的文章而弃之不理，反而认真阅读了他的文章，发现这里边是一些非常有意思的物理理论，所以他基于这篇文章，不仅把它翻译成德文发表了，还对此进行了进一步的推论，推导出如果有一些玻色子在温度足够低的时候会形成这样一种宏观的量子态。玻色—爱因斯坦凝聚态理论提出来以后，很多科学家都想在实验上实现它。这里边显然是有难度的，一是低温的获得，温度如何进一步降低是一个巨大的挑战；二是要找到合适的系统，这个系统它既要是一个玻色系统，又要随着温度的降低气体粒子之间不会成键变为固体或者液体。常见的氮气降到77K时就会发生液化，显然不符合条件。人们利用氢气和氦气都进行了一系列的尝试，也都没有得到非常理想的结果，虽然在这里边也观察到了一些超流现象，但它也不是一个非常典型的玻色—爱因斯坦的凝聚态。真正的玻色—爱因斯坦凝聚态的实现发生在1995年，三位美国科学家他们分别利用激光冷却以及在磁阱中蒸发，进一步降低了温度，使环境温度达到了nK的级别，观察到铷原子和钠原子产生的非常量子化的玻色—爱因斯坦凝聚态。在这种状态下，几乎全部的原子都凝聚成了量子状态，他们三个人也因此获得了2001年的诺贝尔物理学奖。

　　气体，液体，固体结构简述

　　02

　　讲完高能的等离子态和非常基态的玻色—爱因斯坦凝聚态，再来讲一讲和我们日常生活联系最紧密的气、固、液三态。无论是什么状态，都与环境温度有着密切地联系。温度具有统计的概念，是大量原子做热运动的集体表现。当我们降低温度的时候，原子的振动就会慢慢地减弱，直到绝对零度的时候，它还有一个最低限度的振动。尽管我们的眼睛无法分辨这个世界是动态的，但实质上原子一直处在不停地运动之中。固体中每个原子都在其固定的晶格附近来回振动，随着能量的增高，它的振动幅度会越来越大，当它有足够的能量挣脱原子之间的强作用力时，它就变成了液体。液体中原子或分子之间的作用力没有在固体中那么强，但它依然存在于局域的结构中，不过它附近的原子也各在其动态变化中。

　　谈到气体，这里使用最简单的理想气体模型，忽略分子和分子或原子和原子之间的相互作用，单个粒子本身在做永不停息的无规则运动。我们用动画的形象来描述一下气体的实验定律，可以想象一群小原子在一个空间里面不停地跑来跑去，但受到温度的限制。在一定的温度下，每一个的小原子都会拥有一定的能量，它撞击在壁上的时候，就会给壁一个力，压力是壁受到的力的统计效应。如果温度恒定，那么每一个小分子或小原子运动的能量是恒定的，打在壁上的力度也都差不多，所以当空间体积减小的时候，每单位体积内的原子或者分子的数目就增加，统计下来的结果是打在壁上的压力增加，压强增大，由此可以得到恒温条件下的玻意耳定律。

　　气体遵从的的定律

　　液体是介于固体和气体中间的状态，从结构上来讲它要比固体更无序一些，但相对于气体又更加有序，具有短程序。液晶是一个更为经典的例子，在液晶里面，分子不是沿着所有的方向都有序，而是沿着一定的方向取向有序。有关液体的几个常见性能实质上都是它的界面性能。一个是表面张力，它是液体界面和气体界面的一种行为。一个是浸润，它是液体和固体界面的一种行为。有时我们看到一个小飞虫趴在水面上，以为仅仅是表面张力的作用才使它掉不下去，但实际上是表面张力和超疏水两个机制共同作用的结果。

　　如何更直观地理解表面张力呢？液体和气体接触界面是一个表面层，表面层由于液体在不停地挥发，总有液体分子想要逃离表面层，因此表面层分子的密度是比内部小，当分子之间距离增加的时候会产生一个相互吸引的力，所以它就会趋向于使它的表面积变小。而浸润和不浸润则是位于固体和液体的一个界面行为。固液界面处也有一个表面层，来自于液体内部的原子使劲的去拉它这个界面的原子，而来自固体的原子也会去拉它这个界面的原子，这时就要看看谁的力气大了。如果液体内部原子的力气大，就会发生不浸润的现象，它会团成一团；而如果是固体内部原子的力量要大一些，就会发生浸润现象。

　　表面张力

　　超疏水又是什么？既然谈到了界面以及界面层的原子受到两方原子的竞争，如果界面接触的地方，接触面积发生变化，显然对于浸润现象会有一个比较大的影响。这就是仿生学超疏水材料设想的前提，人们对自然界的很多具有超疏水的一些物体，比如刚才提到的小虫的脚还有荷花的微结构进行了表征，发现它们在纳米和微米的层次上都有好多多层结构，这种结构使得液体和固体界面可以进驻很多气体，减少了固体和液体之间的接触面，从而产生超疏水现象。了解了超疏水现象的原理，就可以利用这种现象构造很多人造的结构来为我们服务。比如可以制造一个超疏水的隔膜，在这个隔膜上有许多微纳的结构，使其具有超疏水的功能，就可以用来实现油水的分离。

　　仿生学

　　界面现象并不仅仅只发生在液体和气体或者液体和固体界面处，其实固体本身无论处于真空环境还是气体环境都有界面现象的，所以经常可以在固体表面看到原子的重构。另外一个是固体和固体的界面。举个例子，在生长薄膜时，处于界面的原子既要和基底的原子相互作用，又要和膜内部的原子相互作用，所以它所处的环境既和基底不一样，也和膜不一样。有时候它会产生一些非常有意思的界面物理行为，比如说界面超导，以及产生在界面处的一些非常特殊的介电或者铁电的性能。

　　非晶

　　晶体

　　准晶

　　固体可以有三种结构组成：非晶、晶体和准晶。非晶原子之间没有长程有序，最为常见的一种非晶就是我们窗户上的玻璃，一般都是二氧化硅构成，但它并不是完全无序的。如图所示，二氧化硅非晶结构图，每一个硅原子旁边连着氧原子的形成一个硅氧四面体，硅氧四面体之间再通过不是很有序的连接方式形成一个非晶体。晶体原子是长程有序的，具有平移对称性，即只要在空间不停地去移动一个晶胞就可以形成一个晶体。它也有很多的对称性，比如说有一次、二次、三次、四次和六次对称性。如图所示，自然界中比较常见的晶体是这种大单晶，它是由原子一个一个整齐的排起来，所以一般都会有固定的形状，且和它本身结构的对称性相关，但并不是所有的晶体看起来都是这样的。

　　我们生活中还有类晶体叫做多晶，其实多晶才是占主导地位的晶体，它本身在一定的范围内原子排列是有序的，但又不是分布在整个固体里。没有办法一眼区别单晶和多晶，但如果你把它放在X射线下，就可以观察到在一定的范围内，它的排列还是非常有序的。比如说相对热门的很多纳米金属颗粒，虽然只有几个纳米那么大但也是晶体，它就是一种纳米多晶。准晶介于晶体和非晶体之间，它具有与晶体相似的长程有序的原子排列，但是准晶体不具备晶体的平移对称性，它的对称性只有五次对称性或者更高的六次以上的对称性。关于准晶就不展开讲述了，这也是一个获得诺贝尔奖的工作，如果大家感兴趣可以去查找一些资料，其中也有很多的故事。

　　七大晶系

　　研究较多的晶体按照其结构可以分为七大晶系和十四种晶格类型。如图所示，正因为这七大晶系所拥有的对称性决定了自然界中很多非常漂亮的单晶体。这些单晶有一定的形状，而且特定的晶面和晶面之间有一些固定的夹角。人们在真正知道原子怎么排布之前就已经发展出了几何晶体学，并利用几何晶体学来推测晶体内部的结构。这对共价键化合物要容易一点，因为共价键具有方向性，但是对于离子化合物还有分子化合物来讲，显然就要困难很多。如图所示，这是一个自然生成的食盐单晶，是不是感觉看起来和平时厨房里的盐有很大的区别。实质上从原子结构上来讲，它们是没有任何区别的，只不过单晶排列更有序、更大一点。

　　如何看见原子在固体中的排布？

　　03

　　如何知道固体中的原子是怎么排布的呢？这就要提到X射线的故事了，X射线又叫伦琴射线，它是德国科学家伦琴所发现的。当时伦琴在做阴极射线管的实验，他把射线管包得非常的紧，不让它露出来，但是他发现不管射线管包裹得多紧密，旁边的一个荧光屏上总是能够看到荧光。经过思考他推测这里边可能有一种未知的高能粒子，能够穿透包裹物打到荧光屏上。同时他还发现X射线有非常强的穿透能力，甚至可以穿透人的手直接看到我们的骨骼结构，由此拍出了非常出名的伦琴夫人的手的骨骼图象。当时人们并不知道X射线是有辐射性的，因为它是一种高能粒子，实际上对人体是有害的。X射线是一种光子，是电磁波的一种。我们平常能看到的可见光，它的波长位于几百纳米的这样一个范畴内，但对于X射线而言，它的波长要短很多，能量要大很多。

　　可不可以用放大镜或者光学显微镜，直接放大到看到原子呢？答案是不可以。光学显微镜存在分辨极限，当一个波和一个物质，相互作用产生衍射，需要满足一个条件：这个波的波长要和待测物体间隔距离相差不是很大。原子之间的间隔是几个埃的量级，而可见光波长在几百个纳米量级，这显然相差太远了。X射线的波长基本上是在埃这个范围里，由此X射线可以和晶体产生衍射。第一个X射线衍射图像是1912年劳厄得到的，科学家们意识到X射线衍射可以作为一种晶体原子结构表征的手段。

　　这时候两个人出场了，他们对于晶体结构的确定起着非常关键的作用，这就是布拉格父子。他们经过大量的实验，推出来一个对于结构表征非常重要的公式，叫做布拉格公式。通过这个公式根据入射波的波长、入射角和反射角之间的角度，就可以算出晶体内的晶面间距。根据这些晶面间距，就可以推测晶体体内的原子排布。现在结构表征是非常发达，对于所有的物理学、化学还有材料学都至关的重要。

　　X射线衍射仪

　　透射电镜

　　如图所示，左边是实验室里的X射线衍射仪，右边是透射电镜。电镜前几课也讲到过，当把一个电子加到速度非常高的时候，它会体现出波动的性能。如果它的波长和原子之间的距离比较靠近的时候就可以产生衍射。现在我们有上海光源、广东的中子源等可以用来表征结构的手段，经常听到新闻上说终于制造出了“超级的眼睛”。而分析这些原子结构所有的技术在解决衍射问题的时候，它们所依赖的公式都是这样一个简单的布拉格衍射公式。

　　既然提到了物质的结构和性能的关联，我们就不能避开碳这个元素。碳是一种非常简单的元素，它在自然界中扮演着非常关键的角色。在有机化学中碳可以形成烯、炔、烃等，它的成键形式非常丰富的。即使在单质中它有两种非常典型的成键模式，一个是sp3杂化，一个是sp2杂化。在sp3杂化下，一个碳原子拥有四个共价键，形成我们平常所看到的钻石，也就是金刚石结构，这个共价键非常稳定，所以钻石的熔点非常高，硬度也非常大，是非常有用的一种材料。钻石之所以如此珍贵，是因为它不是我们目前所生存的星球上非常容易获得的一种物质。它一般在高温和高压的条件下才能获得，只有在一些极端的自然条件下，才存在着这种天然的钻石。我们平常看到最多的碳结构是石墨，石墨中的碳原子是一种sp2杂化，层内一个碳原子和另外的三个碳原子相连接形成一个六角的平面结构。石墨层和层之间的相互作用叫做范德瓦尔斯力，也就是分子间力，它是一种非常弱的力。这种力有多弱呢？基本上稍微使一点劲，就可以被剥离下来，这也是铅笔芯用石墨制成的原因。当我们的铅笔芯划过纸张的时候，铅笔上面的一些石墨就会被剥离下来附着在纸上，留下印迹。如果原子面很大，拿手一剥就剥下一层来，这就是石墨烯。显然原子没有这么大，那应该如何获得石墨烯呢？如图所示，这是一个电镜照片，在电镜中可以看到一层一层的石墨，再用一个探针就可以把单层的石墨从上面剥下来。但石墨烯一开始并不是这样被发现的，石墨烯的流行伴随着一个非常有意思的故事，叫做用胶带纸所产生的诺贝尔奖。曼彻斯特大学有一个教授和他的学生决定用胶带纸来把石墨一直剥，直到剥出单层的石墨烯，并在上面测到了一些非常有趣的物理行为，从而获得了诺贝尔奖。石墨烯现在是一个非常热门的研究话题，人们在它上面测得了很多非常独特的物理和化学的性能。如果我们把石墨烯卷起来，它们连接起来的时候会形成碳纳米管，碳纳米管是由日本科学家首先在电镜中观察到的，但它在自然界已经存在了很多年，把烧柴时产生的炭灰放在电镜底下去看，里面就有很多碳纳米管。

　　石墨烯

　　最近科学家发现碳原子不仅可以形成石墨烯这种规则的二维结构，也可以形成一种无定型的二维结构。如图所示，这两张图清晰地告诉我们晶体和非晶的区别，左图的石墨烯结构排列非常整齐，而右图这种无定形的结构就是非晶的石墨二维材料，它虽然也会形成与石墨烯相似的局域结构，但长程上是无序的。

　　钻石

　　回到钻石结构，它是由碳碳共价键所形成的三维结构。那么可不可以用石墨烯制造钻石呢？答案是可以的，如果有一个高压高温的装置，就可以把石墨结构通过高温高压变成钻石结构。有读者可能会有这样的疑问，能不能很容易地鉴别出一颗钻石是人工的还是天然的？答案是不能。虽然实验室里有X射线衍射仪和透射电镜，但是把人工钻石和天然钻石放进去时，它们在原子的排布上是非常的接近的。

　　最后再回归到刚开始的两点。第一，物质的状态和它所处的环境温度密切相关，从我们温度轴上我们就可以看见，我们平常所说的固液气三态处在中间，等离子态处在高温状态，而玻色—爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态则是处于温度非常低的基态上。第二，物质的结构和它的性质密切相关，同样是碳原子组成的单质，因为结构的不同，可以是非常便宜的铅笔，也可以是非常昂贵的钻石。希望通过这节课，大家对于物质的状态和结构有一些初步的了解。