物質的液態、固態漫談

2021-03-01 東方文化號

一剪閒愁:
看不懂

笑嘻嘻吃酒:
雙月得說明一下。

雙月:

這是英俄科學家宣稱可能已找到計算液體最小可能粘度的方程式,據稱是流體力學重大突破,論文我還在看,作者認為自己這個研究是自然界低能物理的一個極限,有實際應用價值。

笑嘻嘻吃酒:
最小丶液體?液體的界定呢?液體固體氣體的界定,我挺亂的好像。

雙月:
最小可能粘度,受到任意小的剪切力就可以變形的物質就是流體,流體分液體和氣體。區分它們的方式,就是氣體能夠充滿任意的空間,而液體具有一定的體積。通常,液體是一種不可壓縮流體,而氣體可壓縮。更嚴謹的表達是加上「有一定體積」和「不能充滿密閉容器」這個條件。

笑嘻嘻吃酒:
哦,這個講得很確定,玻璃也算液體吧?好像哪裡有這麼講過,固液氣的分類很牛頓。

雙月:
玻璃比較複雜。玻璃是原子運動的很慢的液體,從原子尺度上來看,液體的原子不停地在動。然而玻璃裡面的原子移動極其緩慢,要比我們一般說的液體中的原子運動慢20—30個量級。

笑嘻嘻吃酒:
如果時間尺度足夠大,任意小的力量也能分割固體吧?冷焊現象可以為例證。

雙月:

但從分子動力學和熱力學來說,玻璃其實也可以同時被看作高粘度的液體以及無定形的固體。
關於玻璃是怎樣流動的,還是凝聚態物理和材料科學的未解之謎,所以雖然有幾個猜想,但並沒有給出定論。

笑嘻嘻吃酒:
所以我一直對固液氣的定義挺混亂的。

雙月:
其實在某些科學或工程標準下區分液體還是固體的標準就是看有沒有結晶,玻璃是沒有結晶的,所有固體都是有結晶的。所以松香、石蠟、橡皮泥也是液體。

笑嘻嘻吃酒:
密封容器中的固體液體,一樣能在空間裡彌散一定程度的原子。這與氣體只有程度差異。如果以結晶與否認識差別,也就是分子結構問題吧。

雙月:
但我們又有「非晶態固體」這個說法,所以全看定義了。你可以把玻璃理解為一種即非固體也非液體的中間狀態,還有一個很不嚴謹的描述玻璃的詞,叫「過冷液體」。一些人認為玻璃實際上是一種過冷的液體,因為它冷卻時不存在一級相變。

笑嘻嘻吃酒:
三體的概念恐怕是障礙而非工具,太粗疏了。

雙月:
但在過冷的液態和玻璃態之間有一個二階轉變,所以還是可以區分的,因而這個表述並不嚴謹。我們最早認知固態物質和液態物質的時候,還沒有這麼多分子物理和原子物理的尺度。

笑嘻嘻吃酒:
這個三體加等離子體其實可以用激發態表述啊!常態是固體,激發而液氣等離子。

雙月:
不能這樣講,原子能量最低的態是基態,一切比基態能量高的態都是激發態。

笑嘻嘻吃酒:
基態能量因原子結構而不同,我剛才是用五行觀點看三態,這可能有問題。基態是基於環境而定,在超冷超高壓行星上,金屬氫不就是常態嗎?

雙月:
在化學和物理上,基態有比較嚴格的定義。原子及分子、離子中電子的運動狀態不同時,原子(分子、離子)的能量也不同。這裡的運動狀態,指的是電子在各軌道中的排布形式。其中,能量最低的狀態叫基態,其餘的都叫激發態。

笑嘻嘻吃酒:

不同的溫壓下,基態不同吧?我們確定的基態僅僅是地表標準的。

雙月:

比如一個碳原子內部有6個電子,在1s軌道中,有2個電子,自旋方向相反。
2p能級中,有三個軌道,有兩個電子,它們處於其中兩個2p軌道中,且自旋方向相同,那麼就是基態碳原子

笑嘻嘻吃酒:
基態是個相對標準還是絕對標準呢?

雙月:
對原子來說,是個絕對標準。只要2p能級中的2個電子自旋方向相反,那麼它就變成了激發態。

笑嘻嘻吃酒:
這個存疑。

雙月:
即便它們仍然處於不同的2p軌道,基態原子的能量是最低的,且是唯一的狀態。

笑嘻嘻吃酒:
我的地表碳單質為基態。

雙月:
激發態就包括很多狀態。

笑嘻嘻吃酒:
換個鑽石行星,基態便不是這樣。

雙月:
阿伏伽德羅常量的定義中,是基態的碳-12原子。電離能,是氣態的基態原子。我們講化學鍵能的定義中,是氣態的基態原子,基態是微觀尺度。

 

笑嘻嘻吃酒:
聚而固,離而坤兌。在後天八卦的認識論上,固體是基態。

雙月:
也就是說,其他條件先不論,當原子處於它的理論能量最低點時,就是基態。

笑嘻嘻吃酒:
當然,我這說法也絕對化了。

雙月:
不是,我可能沒說清楚。基態不是描述物質狀態的,基態是描述原子狀態的。固態液態是原子排列的問題,固態一般會形成晶體結構,所以「固態是基態」這個說法的問題在於,兩者的描述對象都不同。

笑嘻嘻吃酒:
問題是基態由溫度壓力這個外部條件決定的啊!只有相對基態,而無絕對基態。碳單質以什麼形式為常,這是溫壓決定的。

雙月:
我剛剛也舉了幾個在氣態下原子呈現基態的例子。

笑嘻嘻吃酒:
氫氣而論

雙月:
然後以波爾半徑和裡德堡能量作特徵尺度和特徵能量替換了a和wD,最後把這個公式計算結果拿來和試驗粘度對比了一下,發現確實是和某一壓力下的最小粘度在一個量級。其實只是一個量級估計而已,作者自己也叫它特徵粘度,這又是一個沒什麼實際意義的概念,拋出來博下眼球而已。理論物理很難做出新東西,就天天搞這種理論估值、計算的代換。

笑嘻嘻吃酒:
絕對零度附近,凝滯度為零,隧穿效應明顯。

 

 

來源  東方文化群

時間  2020.5.19

 

 

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