的形成,从而达到降雨的目的,这就是人工降雨. 粗纤维测定仪同样,在我们平时烧开水时用的自来水中含有许多气体,它们以小气泡的 形式存在.当水的温度逐渐升高接近10 00℃时,水蒸气就会不断地通过这些小 气泡的表面进入到其内部,使小气泡逐渐加大.同时气泡由于受到水的浮力而 逐渐地上升,一直达到水面而破裂,并将其内部的水蒸气释放到空气中.当这 种气泡大量地产生时,水就沸腾了.然而,如果小气泡本来就非常非常小,由 于表面相的存在,这个气泡就很可能无法增大.当这种情况发生时,水即使被 加到很热的程度也不会沸腾,这就是过热液体. 在研究原子核时,由于处在原子核表面的核子与原子核内部的核子的受力 情况不同,表面效应往往也是一个不容忽视的问题.
团簇的物理性质凝聚态的微粒,凝聚态的薄膜也可以有较大的 表面效应.原子结合成分子,大量分子或离子聚集成各种固体、液体、气 体、等离子体等聚集状态,构成各种宏观尺度的物体.然而许多凝聚态的 微小颗粒,表面效应的影响使它们具有特殊的物理性质,不同于宏观尺度 时该凝聚态的性质.因此,在比原子世界基本特征尺度大一个量级以上, 从1nm到100nm范围内,有一个介观世界,即介于宏观世界和微观原子 世界之间的世界. 研究介观尺度下物质性质和运动规律的物理学分支是介观物理学,也已成 为现代物理学迅速发展的重要前沿学科之一. 固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的对称性质.凝聚态的表 面层具有特殊的物理性质,可能有特殊的用途,研究凝聚态表面层的性质和规 律的物理学分支是表面物理学,表面物理学研究在超高真空下这几个原子层内 原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来原子或分子以及在表面几个 原子层内的外来杂质的电子状态和其它物理性质. 表面物理学是20世纪60年代以后固体物理学中一个重要的、发展极为迅 速的领域,已成为现代物理学迅速发展的重要前沿学科之一.
9.8 团簇的物理性质 超微粒的性质 团簇是由几个原子到几千个原子所组成的凝聚体.团簇的空间尺度约从 0.1~10 00nm.团簇虽然是凝聚态颗粒,但由于它的体积很小,表面效应、量 子效应十分显著,使这些颗粒的物理、化学性质都和同样物质的宏观固体很不 相同. 研究团簇的物理规律的是团簇物理,又称超微粒物理. 1981年,爱基特(O.Echt)等人用超声喷注加冷凝的方法使惰性气体氙产 生中性团簇Xe,然后用30V的脉冲电子束轰击使之电离.通过质谱分析发现 n 在n=13、19、25、55、71、87、147等处强度具有明显的峰值.说明原子数 n为这些值的团簇最稳定.构成团簇的原子数n的这些值称为幻数. 不同物质团簇的幻数并不相同,几种惰性气体、碱金属、碱土金属、四价 元素的幻数如表9-6所示. 团簇的空间尺度一般小于可见光的波长,在可见光的照射下反射率小于 1%,因此它的光学性质完全不同于同种物质的宏观凝聚体. 团簇的光学性质来自三方面的贡献:单个原子的光学性质、原子与载体的 1 9第九章 凝聚态物理、材料物理和介观物理 8 表9-6 几种惰性气体、碱金属、碱土金属、四价元素的幻数 团簇组分团簇幻数 界面、整个团簇的集体效应.
金属微团簇能够完全吸收可见光,一般显现为黑色. 磁性与材料的组分、结构和状态有关,尤其受材料尺度的影响.团簇的结 构不同于宏观固体材料,其磁性有新的特征. 铁磁体团簇一般具有单磁畴结构,即所有原子磁矩沿相同方向平行排列. 存在从铁磁性到超顺磁性的转变和超顺磁弛豫.因此铁磁性物质的颗粒小于临 界尺寸成为铁磁体团簇时,就变为超顺磁体. C与碳纳米管 60 关于碳团簇的研究,1984年发现当n<30时,幻数为奇数n=3、11、15、 19、23等;当n>30时,幻数为偶数n=60、70、78、80等.后来发现,C 60 团簇特别稳定,由于它的稳定性极高,人们又称团簇C为C分子.它的正式 6060 名称是巴基敏斯
C分子的结构现在已经完全确定.它很像一个足球,每个顶角上有一个 60 碳原子.因此它简称足球烯.C分子之间主要通过范德瓦尔斯力而凝聚在一 60 起.在室温下,形成面心立方结构,其晶格常数a=14.198?.但在249K时, C固体发生相变,形成简单立方结构. 60 在C固体中掺入碱金属A,形成AC(A=K,Rb,Cs,0≤x≤6)晶体. 60x60 研究表明:AC为面心立方结构,是超导相.几种物质的转变温度如表 360 9-7所示.AC为体心正交结构,AC为体心立方结构,都是非超导相. 表9-7 160660 物质名称K3C60Rb3C60Cs3C60RbTl2C60 转变温度/K18293 33 48 §9. 9 8 团簇的物理性质 1 9
C超导体是现在所有的有机物超导体中转变温度最高的,具有较大的临 60 界电流、临界磁场,有广阔的应用前景.C固体有半导体特性、非线性光学 60 性质、特殊的磁性特性. 1991年1 11月,日本电器公司基础研究实验室宣布合成了一种新的碳结 构.这种结构是一种针状的碳管,碳针的直径大约在1nm到30nm之间,长 度可达1μm.这种碳针由一些柱形的碳管同轴套构而成.每根碳针所含碳管 的数目约在2~50层之间.两层之间的距离约为0.34nm.这种碳针称为碳纳 米管,也称巴基管.碳纳米管有一些特殊的力学、电学、磁学、热学性质,是 一种新纳米材料. 2 0第九章 凝聚态物理、材料物理和介观物理 0 第十章 宇宙的结构和演化 §10.1 太阳系、银河系和星系 我们生活的地球有多么大? “坐地日行八万里”说明绕地球一周是四万公 24 里,精确地讲,地球的半径是6378.14km.地球的质量约为5.974×10kg, 3 地球的平均密度约为5.54g/cm,比铁的密度还要小.
地球到太阳的平均距离称为天文单位au,1au=(149597870660±20)m 8 ≈1.496×10km.地球绕太阳运动,一年绕一圈. 太阳有多么大?太阳半径为696100km,是地球的109倍.太阳质量为 303 1.98 889×10kg,是地球的3 3330 000倍.太阳平均密度约为1.42g/cm,是地 球密度的0.256倍,即大约是地球密度的1/4.从太阳表面发出的光射到地球 表面,需要走8分17秒,即497s.
太阳周围有九个大行星,从里向外依次为:水星、金星、地球、火星、木 星、土星、天王星、海王星、冥王星.行星周围还有卫星在围绕行星运动.这 九大行星绕太阳公转大体上是在同一个平面上,并且公转的方向是一致的.除 了冥王星之外的各大行星绕太阳的轨道都是接近圆的椭圆,冥王星的轨道偏心 率比较大.太阳周围还有数千个小行星、彗星.小行星一般轨道的偏心率比较 小,但彗星运行的轨道一般是偏心率很大的椭圆.这些星体构成了太阳系.这 九大行星绕太阳运动轨道的半长轴、偏心率、公转周期、近日点和远日点以及 §10. 0 1 太阳系、银河系和星系 2 1 到太阳的距离、公转运动的平均速度列在表10-1. 表10-1 大行星运动和轨道性质 行星 轨道半长轴 a/au 偏心率e 近日点距 /au 远日点距 /au 公转周期 T 公转平均速尽管冥王星的公转周期最长,表明它是太阳的九大行星中最外面的一个绕 太阳转的行星,但是由于冥王星轨道的偏心率很大,冥王星绕太阳运动时,有 一段时间它到太阳的距离会比海王星到太阳的距离还要近.
天文学中常用光年(l.y.)作为距离的单位,光年就是光在真空中传播1年 16 所走的距离,1l.y.=0.9461×10m.天文学中更常用的距离单位是秒差距(pc), 秒差距的意义是,从一个远方星体上来看太阳和地球,太阳与地球之间的最大张角 为1(″) 时,这个星体和地球的距离是1(pc).秒差距的含义见图10-1. 图10-1 秒差距的含义图 16 秒差距比光年更长,1pc=(3.08567758074±0.0000 0000 00004)×10m=3.262l.y..描述更远的距离则可用千秒差距(kpc)和兆秒差距(Mpc), 36 1kpc=10pc,1Mpc=10pc. 离太阳系最近的恒星是毗邻星,它到太阳系的距离是4.34l.y.,即它发 出的光要过4.34年才传到太阳系.毗邻星虽然是离太阳系最近的恒星,但它 发的光不亮,即使在晴朗的没有月亮的夜晚,也不可能用肉眼直接看到它. 太阳系外相邻的恒星之间的距离是光年的量级,大范围内许多星体集合在一起 构成一个星系.太阳所属的星系就是银河系,它实际上包含了大约一千亿个恒星. 银河系的形状像一个中间厚边缘薄的圆饼或圆盘,整个银河系在绕中心旋 ①按中华人民共和国国家标准GB3102.1—93的规定,l.y.代表光年,以往有些书用ly代表光年. 2 0第十章 宇宙的结构和演化 2 转.太阳系在银河系里处于距银河系中心约260 000l.y.的地方,它绕银河系 中心运动的速度是2 220km/s.太阳系绕银河系中心转一周所需要的时间约为 8 2.23×10a. 银河系外还有许多类似于银河系的星系存在.它们有的比银河系大,
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