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物理学上的物质微观结合原理

(2010-01-07 15:10:40)
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杂谈

    万有引力和电磁力是物理学中的最基本的力,这两种力决定了物质存在的物理状态。

    如果相邻分子(或原子)之间的万有引力大于微粒之间的电磁斥力,物质就会由于互相吸引而收缩,直至实现万有引力与电磁斥力的平衡为止。反之,如果相邻分子(或原子)之间的万有引力小于微粒之间的电磁斥力,物质就会由于分子(或原子)之间的互相推斥而膨胀,直至实现斥力与引力的平衡而停止。

物质的物理状态取决于组成分子(或原子)之间的距离。某一种物质在固态,液态或者气态状态下,其分子(或原子)之间的距离处于一个固定的范围之内。这样的不同的范围也可以认为是物质的一种性质。假设某种物质分子间距离与物理状态用下面这个数轴来表示:

物理学上的物质微观结合原理

 

    此物质分子之间的距离在r1-r2之间是固态,距离在r2-r3之间是液态,超过r3则表现为气态。当对某种开放空间中固态物质进行加热,随着温度的不断升高,这中物质就会从固态变为液态,再变为气态。宏观上看是温度的升高引起了这样的变化,微观上则是分子之间的电磁斥力不断增大导致的。之所以要着重强调“开放空间”,是因为温度并不是控制物质状态的决定因素,如果某种物质在加热的过程中体积不发生变化,物质的物理状态的改变也不会发生。举个例子来说,一个密封空心铁球中装满水,之后对铁球进行加热,无论水的温度升高多少,水仍旧会维持液态而不会气化,因为它没有膨胀,分子之间的距离没有变化。如果某种气体温度降低,气体分子之间的电磁斥力就会减小,万有引力大于电磁斥力,相邻的分子就会互相靠近,如果距离足够近,这种气体就会变成液态,或者固态。

    两个分子(或原子)之间的万有引力可以根据组成物质的原子量和微粒之间的距离用万有引力公式比较精确的计算出来。比如对于一个固体中相邻的三个分子A、B、C,

物理学上的物质微观结合原理

 

    A作用于B和C的万有引力都是A所受到的总的引力合力的分力。这个合力能够根据物体的形状、质量以及所处的位置较精确的计算出来。

    相邻分子之间的压力可以利用万有引力公式精确计算。分子之间的电磁斥力却无法用库伦定律精确计算。因为原子中正负电荷数相同,整体不表现出电性,所以无法从整体上去考虑电磁斥力。分子(或原子)之间的电磁斥力只能来自于它们的较外层电子。当相邻的两个分子(或原子)的外层电子在互相接近的运动过程中,电子的电磁推斥力会逐渐增加,如下图所示:

物理学上的物质微观结合原理

 

    由于分子(或原子)之间的电磁斥力不一定只来自于一对电子,而且外层电子之间的距离也无法确定,所以这种斥力无法通过库伦定律准确计算。

    在物质内部,如果万有引力作用大于外层电子的电磁斥力作用,物质就会发生收缩,如果万有引力作用小于电磁斥力作用,物质就会膨胀,物质在最终实现平衡后就能保持形态的稳定。

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