生活中的科學|刀是怎樣切開一張紙的?

2020-12-22 科學探索菌

紙屬於有機物,是由植物纖維構成的。刀能切開紙,並不是刀刃進入了分子或原子之間的縫隙,刀更不可能將分子或原子切碎。

普通刀刃的厚度在0.5毫米左右,分子直徑的數量級為10^-7毫米。分子是由原子構成的。可見,刀的厚度遠遠超過了分子尺度,根本不可能深入分子或者原子間的縫隙。刀更不可能將原子切碎或者壓碎。原子由核外電子和原子核構成,只有發生核反應,原子才會破碎。刀同樣也破壞不了分子結構。

刀切紙,本質上是破壞分子間的結合

紙是由植物纖維疊加交錯形成的。

刀切紙時,需要有足夠大的力量,使切割方向上的植物纖維發生斷裂,這樣一張紙才能被刀一分為二。作用力不斷持續,超過了植物纖維的承載極限,纖維就會發生斷裂,然後沿著施力方向形成一條裂紋。力的作用效果不同,產生的裂紋也是不同的。

植物纖維是由有機分子構成的,切割並不會使這些有機分子發生破壞,切割破壞的是分子與分子之間的結合。

次級鍵和化學鍵

分子的形成,分子與分子之間的結合,本質上都是電磁相互作用。在化學上,通常又分為作用於分子內部的化學鍵,以及作用於分子之間的次級鍵。兩者相比,化學鍵比次級鍵更強。

分子是由原子或者離子結合而成的,使它們結合了這種作用力被稱之為化學鍵,包括離子鍵和共價鍵。切割紙張時,不需要克服這種力量。

分子與分子之間依靠次級鍵結合,從微觀角度來看,切割紙張破壞的就是次級鍵。分子間作用力(範德華力)、氫鍵、疏水作用力、滷鍵等都屬於次級鍵。之所以不是化學鍵先斷裂,就是因為化學鍵比次級鍵更強,當然是更脆弱的最容易遭受到破壞。

次級鍵中的分子力比較強,以它為例說明一下。分子力包括吸引力和排斥力兩種。當兩個分子之間相距較遠時,表現為吸引力;當兩個分子之間相距較近時,則表現為排斥力。之所以出現這種差異,是因為吸引力和排斥力的本質不一樣。分子間的吸引力源於分子偶極矩;而分子間的排斥力源於外層電子的重疊,電子是費米子,遵守泡利不相容原理,提供排斥力的便是這種量子力學效應。

刀與紙之間並沒有真正的接觸

刀切割紙張時,破壞的是分子與分子之間的結合力,但刀刃並不能觸及分子層面。從微觀角度來看,刀與紙之間並不存在真正的接觸,而是通過電磁力施加作用力的。

彈力,摩擦力,分子力等都屬於電磁力,只是作用層面及作用效果存在差異。物質的化學性質一般與外層電子有關,電子與原子核都帶電荷,化學反應過程中的能量本質上也是電磁能。不管是原子與原子結合,還是分子與分子之間結合,作用力本質上都是電磁力。

當距離小於某一個尺度時,從宏觀角度來看,物質與物質之間相互接觸了。從微觀角度來看,物質與物質之間並不存在真正的接觸,它們都是在電磁力的相互作用下接近或者結合在一起的。

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