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1、物理学热学 物质的微观模型第1页，本讲稿共21页1.5 1.5 物质的微观模型物质的微观模型o前前面面几几节节都都是是从从宏宏观观上上来来讨讨论论物物质质的的性性质质的的。若若要要从从微微观观上上讨讨论论物物质质的的性性质质，必必须须先先知知道道物物质质的的微微观观模模型型。本节将从实验事实出发来说明物质的微观模型本节将从实验事实出发来说明物质的微观模型1.5.1 1.5.1 物质由大数分子组成物质由大数分子组成o物物质质由由大大数数分分子子所所组组成成的的论论点点是是指指宏宏观观物物体体是是不不连续的，它由大量分子或原子（离子）所组成连续的，它由大量分子或原子（离子）所组成第2页，本讲稿共2
2、1页o例例如如:气气体体易易被被压压缩缩；水水在在40000atm40000atm的的压压强强下下，体体积积减减为为原原来来的的1/31/3；以以20000atm 20000atm 压压缩缩钢钢筒筒中中的的油油，油油可可透过筒壁渗出透过筒壁渗出o这这些些说说明明气气体体、液液体体、固固体体都都是是不不连连续续的的，它它们们都都由微粒构成，微粒间有间隙。由微粒构成，微粒间有间隙。o大家知道，大家知道，1mol1mol物质中的分子数，即阿伏伽德罗常物质中的分子数，即阿伏伽德罗常量量 N NA A=6.0210=6.02102323/mol/mol 1cm 1cm3 3的水中含有的水中含有3.310
3、3.3102222个分子，个分子，o1 1 m m3 3的的水水中中仍仍有有3.3103.3101010个个分分子子，约约是是目目前前世世界界总总人人口口的的5 5倍倍。正正因因为为分分子子数数远远非非寻寻常常可可比比，就就以以“大大数数 ”以示区别。以示区别。第3页，本讲稿共21页o（一）（一）分子（或原子）不停的热运动中分子（或原子）不停的热运动中o物质不仅由大数分子组成，而且每个分子都在作杂乱无章的热物质不仅由大数分子组成，而且每个分子都在作杂乱无章的热运动。这一性质也可由很多事实予以说明，这里仅介绍扩散与运动。这一性质也可由很多事实予以说明，这里仅介绍扩散与布朗运动。布朗运动。1.5.
4、2分子热运动的例证分子热运动的例证 扩散、布朗运动与涨落现象扩散、布朗运动与涨落现象（1）扩散（扩散（diffusion）标准状况下：标准状况下：1摩尔氧摩尔氧1摩尔氮摩尔氮氧氧.氮混合气体氮混合气体第4页，本讲稿共21页 气体和液体中的扩散现象是分子热运动所致。气体和液体中的扩散现象是分子热运动所致。o固固体体中中的的扩扩散散现现象象通通常常不不大大显显著著，只只有有高高温温下下才才有有明明显显效效果果。因因温度越高，分子热运动越剧烈，因而越易挤入分子之间。温度越高，分子热运动越剧烈，因而越易挤入分子之间。o工业中有很多应用固体扩散的例子工业中有很多应用固体扩散的例子。o例例如如渗渗碳碳是是
5、增增加加钢钢件件表表面面碳碳成成分分，提提高高表表面面硬硬度度的的一一种种热热处处理理方法。方法。o通通常常将将低低碳碳钢钢制制件件放放在在含含有有碳碳的的渗渗碳碳剂剂中中加加热热到到高高温温，使使碳碳原原子子扩扩散散到到钢钢件件的的表表面面，并并进进一一步步向向里里扩扩散散，然然后后通通过过淬淬火火及及较较低低温温度度的的回回火火使使钢钢件件表表面面得得到到极极高高的的硬硬度度和和强强度度，而而内内部部却却仍仍然然保保持持低碳钢的较好的韧性低碳钢的较好的韧性o又如在半导体器件生产中，使特定的杂质在高温下向半导体晶又如在半导体器件生产中，使特定的杂质在高温下向半导体晶体片表面内部扩散、渗透，从
6、而改变晶片内杂质浓度分布和表体片表面内部扩散、渗透，从而改变晶片内杂质浓度分布和表面层的导电类型。面层的导电类型。第5页，本讲稿共21页(2)(2)布朗运动布朗运动第6页，本讲稿共21页 科科学学家家们们对对这这一一奇奇异异现现象象研研究究了了5050年年都都无无法法解解释释，直直到到18771877年年德耳索（德耳索（DelsauxDelsaux）才正确地指出：）才正确地指出：o这是由于微粒受到周围分子碰撞不平衡而引起的。这是由于微粒受到周围分子碰撞不平衡而引起的。o从而为分子无规则运动的假设提供了十分有力的实验依据。从而为分子无规则运动的假设提供了十分有力的实验依据。o分子无规则运动的假设
7、认为分子无规则运动的假设认为o分分子子之之间间在在作作频频繁繁的的碰碰撞撞，每每个个分分子子运运动动方方向向和和速速率率都都在在不不断地改变。断地改变。o任任何何时时刻刻，在在液液体体或或气气体体内内部部各各分分子子的的运运动动速速率率有有大大有有小小，运运动动方方向向各种各样各种各样.o按按照照分分子子无无规规运运的的假假设设，液液体体（或或气气体体）内内无无规规运运动动的的分分子子不不断断地地从从四四面面八八方方冲冲击击悬悬浮浮的的微微粒粒。在在通通常常情情况况下下，这这些些冲冲击击力力的的平平均值处处相等，相互平衡，因而观察不到布朗运动均值处处相等，相互平衡，因而观察不到布朗运动。第7页
8、，本讲稿共21页 o当当微粒足够小时，从各个方向冲击微粒的平均力互不平衡，微微粒足够小时，从各个方向冲击微粒的平均力互不平衡，微粒向冲击作用较弱的方向运动。请见动画演示。粒向冲击作用较弱的方向运动。请见动画演示。o由由于于各各方方向向冲冲击击力力的的平平均均值值的的大大小小均均是是无无规规则则的的，因因而而微微粒粒运运动的方向及运动的距离也无规则。动的方向及运动的距离也无规则。o温度越高，布朗运动越剧烈；温度越高，布朗运动越剧烈；o微粒越小，布朗运动越明显微粒越小，布朗运动越明显。o所以，布朗运动并非分子的运动，但它能间接反映出液体所以，布朗运动并非分子的运动，但它能间接反映出液体（或气体）内
9、分子运动的无规则性。（或气体）内分子运动的无规则性。第8页，本讲稿共21页（二（二)涨落现象涨落现象（fluctuation phenomenafluctuation phenomena）o布布朗朗运运动动不不仅仅能能说说明明分分子子无无规规运运动动，且且更更能能说说明明热热运运动动所所必必然然有的涨落现象。有的涨落现象。o随机地偏离统计平均值的现象称为涨落现象。随机地偏离统计平均值的现象称为涨落现象。o概率论指出，若任一随机变量概率论指出，若任一随机变量M M的平均值为的平均值为 ，o相对均方根偏差称为涨落为相对均方根偏差称为涨落为 第9页，本讲稿共21页o热力学仅适用于描述大数粒子系统。热
10、力学仅适用于描述大数粒子系统。o虽然系统微观统计平均值就是热力学量，但实际上还存在着在虽然系统微观统计平均值就是热力学量，但实际上还存在着在统计平均值附近的偏差。统计平均值附近的偏差。o其偏差有大有小，有正有负。其偏差有大有小，有正有负。可以证明，可以证明，在粒子可自由出入的某空间范围内的粒子数的相对涨落反比在粒子可自由出入的某空间范围内的粒子数的相对涨落反比于系统中粒子数于系统中粒子数N N 的平方根的平方根.第10页，本讲稿共21页（2 2）布朗运动是如何形成的）布朗运动是如何形成的o在任一单位表面积上平均碰撞分在任一单位表面积上平均碰撞分 子数相等，微粒处于力平衡状态。子数相等，微粒处于
11、力平衡状态。o但若悬浮粒足够小，微粒所占区但若悬浮粒足够小，微粒所占区 域内的液体分子数域内的液体分子数 N N 也足够少，也足够少，其其相对均方根偏差相对均方根偏差o知在这一微小区域的涨落现象已相当明显。在微粒移进该区区知在这一微小区域的涨落现象已相当明显。在微粒移进该区区域后，受到各个方向射来的分子的冲击力不能达到平衡而使微域后，受到各个方向射来的分子的冲击力不能达到平衡而使微粒产生运动。粒产生运动。这这时时布布朗朗粒粒子子受受到到四四个个力力作作用用：重重力力、浮浮力力、涨涨落落驱驱动动力力及及布布朗朗粒粒子子在在流流体体中中运运动动造造成成的的黏黏性性阻阻力力，既既然然涨涨落落驱驱动动
12、力力的的大大小小、方方向向完完全全是是随随机机的的，故故微微粒粒的的运运动动也也是是无无规规的的，这这样样的的运动就是布朗运动。运动就是布朗运动。第11页，本讲稿共21页布朗粒子所占空间的粒子数布朗粒子所占空间的粒子数 N N0 0 1010 6 6。o水的分子数密度水的分子数密度n n=N NA A/V Vm m o水的摩尔体积水的摩尔体积V Vm m=1810=1810-6-6m m3 3。o因为因为N N0 0=nVnV，而，而V V=(4/3)=(4/3)r r3 3为布朗粒子所占体积，则这为布朗粒子所占体积，则这样的布朗粒子的半径约为样的布朗粒子的半径约为 布朗粒子线度估计布朗粒子线
13、度估计假假定定相相对对涨涨落落所所决决定定的的相相对对偏偏差差为为1/10001/1000时时仪仪器器即即可可检检测测到到，则则由由相对均方根偏差公式可以估计到相对均方根偏差公式可以估计到第12页，本讲稿共21页o一一般般认认为为布布朗朗粒粒子子的的线线度度（在在液液体体中中）为为1010-6-6m-10m-10-8-8m m,更更小小的的线线度度已已进入通常分子或原子的尺度。进入通常分子或原子的尺度。o从从上上面面的的估估算算可可知知，布布朗朗粒粒子子的的线线度度恰恰处处于于宏宏观观微微粒粒与与微微观观粒粒子子之之间间的的过过渡渡范范围围，它它兼兼有有微微观观运运动的某些特征动的某些特征（如
14、涨落现象）。（如涨落现象）。o1 1 扭摆扭摆第13页，本讲稿共21页其它涨落现象其它涨落现象o2 2 热噪声热噪声（thermal noisethermal noise）约翰约翰约翰约翰JohsonJohson）早在）早在19281928年即提出热噪声是由于传年即提出热噪声是由于传导电子在导体中作无规热运动（即布朗运动）而引导电子在导体中作无规热运动（即布朗运动）而引起的论点。温度越高，电子热运动越剧烈，电流涨起的论点。温度越高，电子热运动越剧烈，电流涨落也越明显，热噪声也越大。落也越明显，热噪声也越大。o热热噪噪声声电电平平与与温温度度成成正正比比的的关关系系称称为为尼尼奎奎斯斯特特（Ny
15、guistNyguist）定理）定理 o热噪声是半导体器件及电子线路中的一种障碍，例如，热噪声是半导体器件及电子线路中的一种障碍，例如，量子放大器（也称脉塞）有极高的放大率，它在宇航量子放大器（也称脉塞）有极高的放大率，它在宇航通讯、军事通讯、红外成像及射电测量中均有广泛应通讯、军事通讯、红外成像及射电测量中均有广泛应用。用。第14页，本讲稿共21页 由由于于其其放放大大率率特特别别高高，在在放放大大被被测测信信号号的的同同时时也也把把热热噪噪声声放放大大了了。为为了了检检测测到到极极微微弱弱的的信信号号，必必须须减减小小热热噪噪声声电电平平。为此必须把放大器置于低温条件（如为此必须把放大器置
16、于低温条件（如77K77K液氮温度下液氮温度下)。o3 3 晴晴朗朗天天空空呈呈现现的的蓝蓝色色；东东方方日日出出、西西方方日日落落时时天天空空的红色。的红色。o这是由大气中气体分子数密度涨落致使光发生散射而产生。这是由大气中气体分子数密度涨落致使光发生散射而产生。理论指出光在气体中的散射强度与波长四次方成反比，这被理论指出光在气体中的散射强度与波长四次方成反比，这被称为分子散射或瑞利散射称为分子散射或瑞利散射。o由于可见光中蓝光易于散射，所以在晴天的天穹呈蓝由于可见光中蓝光易于散射，所以在晴天的天穹呈蓝色；而被大量散射掉蓝色光后的透射光是红色的，所色；而被大量散射掉蓝色光后的透射光是红色的，
17、所以人们看到日出或日落时太阳是火红的。以人们看到日出或日落时太阳是火红的。第15页，本讲稿共21页1.5.3分子间的吸引力与排斥力分子间的吸引力与排斥力o（一）吸引力和排斥力（一）吸引力和排斥力o一、引力一、引力o（1 1）能说明分子间存在吸引力的现象）能说明分子间存在吸引力的现象o 汽化热汽化热 锯断的铅柱加压可黏合；锯断的铅柱加压可黏合；o 玻璃熔化可接合；玻璃熔化可接合；o 胶水、浆糊的黏合作用；胶水、浆糊的黏合作用；o（2 2）这不仅说明分子间存在吸引力，而且因为只有当分子质）这不仅说明分子间存在吸引力，而且因为只有当分子质心相互接近到某一距离内，分子间相互吸引力才较显著，心相互接近到
18、某一距离内，分子间相互吸引力才较显著，o我们把这一距离称为我们把这一距离称为-分子吸引力作用半径。分子吸引力作用半径。第16页，本讲稿共21页分子吸引力现象及其解释分子吸引力现象及其解释 很很多多物物质质的的分分子子引引力力作作用用半半径径约约为为分分子子直直径径的的2-42-4倍倍左左右右，超超过过这一距离，分子间相互作用力已很小，可予忽略。这一距离，分子间相互作用力已很小，可予忽略。o二、排斥力二、排斥力o（1 1）能说明排斥力的现象：）能说明排斥力的现象：o 固体、液体能保持一定体积而很难压缩；固体、液体能保持一定体积而很难压缩；o 气体分子经过碰撞而相互远离。气体分子经过碰撞而相互远离
19、。o（2 2）排斥力作用半径）排斥力作用半径o只有两分子相互只有两分子相互“接触接触”、“挤压挤压”时才呈现出排斥力。时才呈现出排斥力。第17页，本讲稿共21页 可简单认为排斥作用半径就是两分子刚好可简单认为排斥作用半径就是两分子刚好“接触接触”时两时两质心间的距离，对于同种分子，它就是分子的直径。质心间的距离，对于同种分子，它就是分子的直径。o因因为为吸吸引引力力出出现现在在两两分分子子相相互互分分离离时时，故故排排斥斥力力作作用用半半径径比吸引力半径小。比吸引力半径小。o液液体体、固固体体受受到到外外力力压压缩缩而而达达平平衡衡时时，排排斥斥力力与与外外力力平衡。平衡。o从从液液体体、固固
20、体体很很难难压压缩缩这这一一点点可可说说明明排排斥斥力力随随分分子子质质心心间间距距的减小而剧烈地增大。的减小而剧烈地增大。第18页，本讲稿共21页（三（三)分子力与分子热运动这一对矛盾分子力与分子热运动这一对矛盾o分分子子间间相相互互吸吸引引力力、排排斥斥力力有有使使分分子子聚聚在在一一起起的的趋趋势势，但但分子热运动却力图破坏这种趋向，使分子尽量相互散开。分子热运动却力图破坏这种趋向，使分子尽量相互散开。o在在这这一一对对矛矛盾盾中中，温温度度、压压强强、体体积积等等环环境境因因素素起起了了重重要要作作用。用。o气体分子由于受到容器的约束而使热运动范围受到限止。气体分子由于受到容器的约束而
21、使热运动范围受到限止。o随着气体密度增加，分子平均间距越来越小，分子间相互随着气体密度增加，分子平均间距越来越小，分子间相互吸引力不能予以忽略且越来越大。吸引力不能予以忽略且越来越大。第19页，本讲稿共21页 o到到一一定定时时候候，分分子子吸吸引引力力使使分分子子间间相相互互“接接触触”而而束束缚缚在在一一起起，此时分子不能像气体那样自由运动，只能在平衡位置附近振动，此时分子不能像气体那样自由运动，只能在平衡位置附近振动，o但还能发生成团分子的流动，这就是液体。但还能发生成团分子的流动，这就是液体。o若若继继续续降降低低温温度度，分分子子间间相相互互作作用用力力进进一一步步使使诸诸分分子子按
22、按某某种种规规则则有有序序排排列列，并并作作振振动动，这这就就是是固固体体。又又如如，好好像像气气体体总总应应存存在在于于容容器器中，其实并不如此中，其实并不如此o例例如如地地球球大大气气层层并并没没有有容容器器把把它它包包住住，处处于于大大气气中中最最外外面面的的散散逸逸层层（见见选选读读材材料料2-12-1）中中极极稀稀疏疏的的大大气气是是靠靠地地球球引引力力把把大气分子拉住而不跑出大气层的。大气分子拉住而不跑出大气层的。第20页，本讲稿共21页 o又又如如早早期期恒恒星星是是由由星星际际云云所所组组成成，使使它它们们成成一一团团气气而而没没有有容器把它包住，也是依靠了万有引力。容器把它包住，也是依靠了万有引力。o再再如如原原子子核核也也可可认认为为一一团团由由核核子子（即即中中子子、质质子子的的总总称称）所所组组成成的的没没有有容容器器的的“气气体体”。核核子子也也在在热热运运动动，质质子子间间受受到到很很强强的的库库仑仑斥斥力力，它它们们不不散散开开是是依依靠靠核核子子间间的的结结合力。合力。o无无论论是是分分子子力力、万万有有引引力力还还是是核核子子间间结结合合力力，它它们们都都分分别别与与粒粒子子热热运运动动形形成成一一对对矛矛盾盾，这这对对矛矛盾盾的的两两个方面相互制约和变化，决定了物质的不同特性。个方面相互制约和变化，决定了物质的不同特性。第21页，本讲稿共21页