【正文】 第七章 從粒子到宇宙 【 知識(shí)梳理 】 1．走進(jìn)分子世界 能保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒稱為分子，分 子很小，一般分子直徑的數(shù)量級(jí)為 1010 m在高倍 電子顯微鏡下，可以看到一些物質(zhì)的分子． 物質(zhì)是由大量分子組成的，分子間有空隙；分子 一直處于永不停息的動(dòng)動(dòng)中；分子間同時(shí)存在著相互作用的引力和斥力． 說(shuō)明： ① 不同物質(zhì)內(nèi)部分子間空隙的大小不同；同種 物質(zhì)在不同情況下分子間的距離也會(huì)不同，比如溫度、壓強(qiáng)等的變化，都會(huì)影響分子間的距離． ② 物體的溫度越高，分子的 運(yùn)動(dòng)越劇烈．由于分子的運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)，所以分子運(yùn)動(dòng)又稱為熱運(yùn)動(dòng)． ③ 分子相互作用的情況與 分子間距離的大小 有 關(guān) .當(dāng)分子間的距離等于 10－ 10 m時(shí)，這個(gè)距離稱 為分子間的平衡距離，此時(shí)，分子間的引力和斥力相等；當(dāng)分子間的距離小于 1010 m時(shí)，斥力起主要作 用；當(dāng)分子間的距離大于 10－ 10 m時(shí)，引力起主要作 用；當(dāng)分子間的距離大于分子直徑 10倍時(shí)，分子間 的作用力就變得很?。? 分子 間 的引力和斥力都隨分子間距離的增大而 減小，隨分子間距離的減小而增大，但斥力的變化比引力的變化快 ． 大多數(shù)物質(zhì)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)體積變小 (水例 外，水結(jié)冰時(shí)體積變大 )；液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)體積顯著 增大，如水在汽化為水蒸氣時(shí)體積要增大約 1 700 倍，物質(zhì)在物態(tài)變化時(shí)發(fā)生體積上的變化，主要是由于構(gòu)成物質(zhì)的分子在排列方式上發(fā)生了變化． 固體分子間的距離很小，為 l10 － 10510 － 10 m， 分子間的作用力很大，每個(gè)分子只能圍繞某一點(diǎn)振動(dòng)，因此，固體有一定的體積和形狀． 液體分子間的距離較小，為固體分子間距離的 兩倍左右，分子間的作用力較大，每 個(gè)分子可以在一定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，因此，液體有一定的體積，無(wú)一定的形狀，具有流動(dòng)性． 氣體分子間的距離很大，分子間的作用力很小， 每個(gè)分子能自由地沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，因此，氣體無(wú)一定的體積和形狀，具有流動(dòng)性，而且很容易被壓縮． D．納米科技簡(jiǎn)介 納米科技是指在納米尺度 (約在 1— 100納米之 間 )上研究物質(zhì)的特性和相互作用以及利用這些特 性的科學(xué)和技術(shù)，這一技術(shù)使人類認(rèn)識(shí)和改造物質(zhì)世界的能力延伸到原子和分子水平，可以說(shuō)是當(dāng)今最重要的新興科學(xué)技術(shù)之一． 任何材料通過(guò)復(fù)雜的納米機(jī)器都可以制成納米 尺度的超細(xì)粉末，當(dāng)物質(zhì)小到納米尺度時(shí)，它的理化性質(zhì)都有所變化，具有一些奇異和反常的性質(zhì)，如塊狀金的熔點(diǎn)是 l 064℃ 而制成納米的超細(xì)顆粒后，熔 點(diǎn)只有 33℃ ；銅到了納米級(jí)就不導(dǎo)電；而絕緣的二 氧化硅在 20 nm時(shí)卻開(kāi)始導(dǎo)電；通過(guò)納米技術(shù)，陶瓷 可以變得有韌性；通常在高溫下才能燒結(jié)的材料，通過(guò)納米技術(shù)在低溫下就能燒結(jié)，而且能將不易互熔的金屬冶煉成新的合金． 納米材料是納米技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，已成為世 界各國(guó)納米科技發(fā)展的熱點(diǎn)，納米材料是指材料的幾何尺寸小到納米尺度，并且具有特殊性能的材料，例如： ① 納米 金屬顆粒納米金屬顆粒表面上的原子 十分活躍．實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)如果將銅或鋁做成納米顆粒，遇到空氣就會(huì)劇烈燃燒，發(fā)生爆炸，可用納米金屬顆粒的粉末做成固體作為火箭的 燃料、催化劑． ② 納米金屬塊體金屬納米顆粒粉體制成的塊狀金屬材料，會(huì)變得十分結(jié)實(shí)，強(qiáng)度比一般金屬高十幾倍，同時(shí)又可以像橡膠一樣富有彈性． ③ 碳納米管碳納米管是由石墨中一層或若干 層卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米，它的密度只有銅的 1/6，而強(qiáng)度卻是銅的 l00 倍，輕而柔軟又非常結(jié)實(shí)的材料可用來(lái)制 作防彈背心．如果用納米管做 成繩索，則從月球上掛到地球表面也不會(huì)被自身重力所拉斷，可以用它作為地球 —— 球乘人的電梯． ④ 納米氧化物材料氧化物納米顆粒的最大本 領(lǐng)是在電場(chǎng)作用下或在光照下迅速改變顏色．作為士兵防護(hù)激光槍的眼鏡和廣告板，在電、光的作用下會(huì)變得更加絢麗多彩． ⑤ 納米陶瓷納米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的 塑性、硬度大、耐高溫，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在更高的溫度下，汽車會(huì)跑得更快，飛機(jī)會(huì)飛得更高． ⑥ 納米半導(dǎo)體材料納米半導(dǎo)體材料能發(fā)出各 種顏色的光，可以做成小型激光的光源，它還可以直接吸收陽(yáng)光中的光能并直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，它還 能使海水淡化． 納米材料具有優(yōu)異的光、力、電、熱、磁等性能， 應(yīng)用前景極為廣泛．諸如現(xiàn)在有納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米化學(xué)和納米加工等．預(yù)計(jì)納米技術(shù)將超過(guò)計(jì)算機(jī)工業(yè)，成為未來(lái)信息技術(shù)時(shí)代的核心．到那時(shí)，納米電子學(xué)將用量子元件代替微電子器，巨型計(jì)算機(jī)可被裝入口袋里；通過(guò)納米技術(shù)可將幾噸的衛(wèi)星減至幾克；微型機(jī)器人可進(jìn)入人體血管內(nèi)進(jìn)行工作，英特爾公司宣布已制造出 30 nm 的量子半導(dǎo)體． 2021年 10月 29日，中國(guó)科 學(xué)納米技術(shù)科學(xué)研究中心成立，進(jìn)行納米基礎(chǔ)理論與應(yīng)用開(kāi)發(fā)的研究． 納米科技將使人類進(jìn)一步掌握物質(zhì)世界的規(guī) 律，掌握改造微觀世界的武器，對(duì)開(kāi)發(fā)新能源、保護(hù)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等，將會(huì)產(chǎn)生極大的影響． 2．探索更小的微粒 分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒，但不是 組成物質(zhì)的最小微粒．分子由原子組成．不同原子組成的分子構(gòu)成化合物，如水分子是由氫原子和氧原子組成的，玻璃分子是由氧原子和硅原子組成的；同種原子組成的分子構(gòu)成單質(zhì)，如石墨、金剛石、富勒烯都是由碳原子組成的單質(zhì)分子，氧氣是由氧原子組成的單質(zhì)分子． 帶電 體的基本性質(zhì)是能夠吸引輕小物體，如頭 發(fā)、紙屑、通草球等． 用摩擦的方法使物體帶電，叫做摩擦起電． 摩擦起電 必須是兩種不同物質(zhì)組成的物體相互摩擦，這是由于不同物質(zhì)的原子核束縛電子的本領(lǐng)不同，當(dāng)兩個(gè)物體相互摩擦?xí)r，哪個(gè)物體的原子核束縛電子的本領(lǐng)弱，它就容易失去電子，使跟它相摩擦的物體得到電子，因此，摩擦起電的實(shí)質(zhì)不是創(chuàng)造了電荷，而是電子的轉(zhuǎn)移，在摩擦起電中，失去電子的物體因缺少電子而帶正電，得到電子的物體因多余電子而帶負(fù)電，因此相互摩擦的兩個(gè)物體帶的是等量的異種電荷． 由于分子和原子在通 常情況下是不帶電的，而 磨擦起電使物體帶上了電，說(shuō)明原子是可分的． b．兩種電荷 自然界中只存在 兩種電荷，一種叫正電荷，另一種叫負(fù)電荷．人們規(guī)定，用絲綢摩擦過(guò)的玻璃捧所帶的電荷叫做正電荷，用毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒所帶的電荷叫做負(fù)電荷． 電荷間相互作用的規(guī)律是：同種電荷相互推斥， 異種電荷相互吸引． c．在靜電現(xiàn)象中，兩個(gè)物體相互吸引有兩種可 能的原因：①帶電體吸引輕小物體；②異種電荷相互吸引． d．檢驗(yàn)物體是否帶電的方法： ① 將被檢驗(yàn)的物 體靠近輕小物體，若相互吸引則帶電，反之則不帶電；② 將被檢驗(yàn)的物體靠近或接觸驗(yàn)電器的金屬球，若驗(yàn)電器的兩個(gè)箔片張開(kāi)則帶電，反之則不帶電；③將被檢驗(yàn)的物體靠近一個(gè)已知的帶電體，若相互吸引或相互推斥則帶電，反之則不帶電． 1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子； 1919年盧瑟福用 a粒子從氮原子核中打出了質(zhì)子； 1932年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子； 1961年蓋爾曼提出了夸克的設(shè)想． b．盧瑟福的原子行星模型 在發(fā)現(xiàn)電子以后，物理學(xué)家們對(duì)原子內(nèi)部的情 況提出種種猜想．著名科學(xué)家盧瑟福在總結(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型．如圖所示，他認(rèn)為原子的中心有一個(gè)直徑約為 l0－ 14m～ 1015 m 的核，這個(gè)核的體積只有整個(gè)原子的一百萬(wàn)億分之一，但它卻集中了整個(gè)原子質(zhì)量的 ％．原子核 帶正電，帶負(fù)電子的電子繞著這個(gè)原子核高速旋轉(zhuǎn)，這好像地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)．原子核帶的正電荷數(shù)與原子核外所有電子帶的負(fù)電荷數(shù)是相等的，整個(gè)原子呈不帶電的中性狀態(tài)，這樣的模型稱為原子的行星模型． 質(zhì)子數(shù) 等于電子數(shù)，但不一定等于中子數(shù)；一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量等于一個(gè)中子的質(zhì)量，一個(gè)電子的質(zhì)量很小，約為一個(gè)質(zhì)子質(zhì)量的 。1/1836倍． 說(shuō)明：盧瑟福提出的原子結(jié)構(gòu)行星模型并不是 原子存在的真實(shí)狀況，實(shí)際上核外的電子并不是像地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)那樣，核外電子的運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有確定的方向和軌道，只能用電子云描述它在原子核外空間某處出現(xiàn)機(jī)會(huì)的大?。x核近外，電子出現(xiàn)機(jī)會(huì)多，離核遠(yuǎn)外，電子出現(xiàn)機(jī)會(huì)少，這是現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)． c．物質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次 說(shuō)明：除了氫的同位素 “ 氕 ” 以外，其他所有原子 的原子核都是由質(zhì)子和中子共同組成的，氕的原子核中只有質(zhì)子，沒(méi)有中子，是特殊的情況，質(zhì)子和中子都是由三個(gè)夸克組成的，但是夸克的種類不同． 現(xiàn)以由碳原子構(gòu)成 的分子 — 一富勒烯來(lái)展示一 下分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如下圖所示． 關(guān)于 “ 粒子世界概貌 ” ，請(qǐng)同學(xué)們參看教材中的 “信息快遞 ” ． D．加速器 顧名思義，加速器就是用來(lái)使粒子加速的機(jī)器， 它通過(guò)電磁場(chǎng)的不同組合形態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子、質(zhì)子、或重離子等帶電粒子的加速，能產(chǎn)生幾百兆到幾千兆電子伏能量的高能粒子流．這些高能粒子流就象炮彈一樣，可以打人物質(zhì)的深層結(jié)構(gòu)，從而使人們了解物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，粒子的能量越高，越能深入到物質(zhì)的內(nèi)部，因此，加速器是探索微小粒子的有力武器，在科學(xué)研究、國(guó)防 建設(shè)等