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第7節物質的組成
物質是用什麼構成的？這個問題可能很早就出現在人們的腦海中。春秋時中國的五行理論，其中有。後來五行成爲一種包羅萬象的體系，從倫理到中醫等等不一而足。古希臘時期，恩培多克勒提出四元素組成萬物。後來德謨克利特提出原子論，指出萬物是由不可分之物（原子）構成。這是一種構思，缺乏實證。
愛爾蘭人波義耳給出了一個可行的定義：元素是一種單純的物質，不能使用物理或化學方法分解爲更簡單的物質。後來英國人道爾頓又重新提出了原子論。此時已有大量元素被發現，他認爲：元素均由不可再分的微粒組成。這種微粒稱爲原子。原子在一切化學變化中均保持其不可再分性。這一觀點重複了德謨克利特的觀點，當然他還提出了一些可驗證的推論。部分正確部分錯誤。不過畢竟是可驗證的理論，最終原子理論於二十世紀初廣泛接受。
意大利人阿伏伽德羅提出了分子論，認爲分子是物質組成的基本單元，而分子是由原子構成。這些原子數量及元素類型決定了分子的性質，最終決定了物質的屬性。我們常見的物質存在狀態是固態、液態、氣態，通常稱爲固體、液體、氣體。這些狀態的區別就在於分子之間的關聯方式不同。固體：分子保持位置不變，間距很小（與分子大小相比）僅在固定位置附近輕微振動。液體：分子無固定位置，間距相對固體情況要大，但整體還還能保持完整性。氣體：分子不僅無固定位置，間距非常大，必須施加外因才能維持（引力或密閉容器）不擴散消失。
無論物體什麼狀態，其分子都在運動，程度與溫度相關。溫度越高，運動越快。換而言之，溫度就是分子運動平均狀況的指標。對於固體而言，當溫度越來越高，分子的振動越來越劇烈，維持固體各分子保證自己位置的約束相對越來越弱。某些分子因爲振動更劇烈而離開原始位置，則固體開始熔化爲液體。液體分子沒有固定位置，導致可以流動。但整體還可以保持分子不脫離集團。當溫度更高，分子運動更快時，某些液體表面分子速度太快，離開液體表面，脫離了液體整體。當大量液體分子開始離開液體表面，液體開始汽化，成爲氣體。氣體的分子間距太遠，相互之間基本沒有關聯。如果沒有約束存在，分子就消失得無影無蹤。
前面討論了液體和氣體的壓力。在地球表面，比如某塊鋼板。空氣中大量分子快速運動，撞擊到鋼板。這些撞擊的整體效果就是大氣壓力。同樣鋼板置於水中，大量水分子撞擊效果就是水的壓力。可以看到，鋼板面積越大，則撞擊效果越明顯，對應壓力就越大。我們通常使用壓強來定義壓力效果。就是固定受壓面積，來測定壓力大小。測定的壓力就定義爲壓強。壓強=壓力/面積。通常的大氣壓就是指大氣壓強。
思考：
1.溫度是分子運動速度的平均指標。那麼就存在某些分子運動速度遠大於平均速度，某些分子速度遠小於平均速度。冬天天寒地凍，在外面晾衣服，衣服上都結冰。但是晾一段時間，衣服還是可以晾乾，就是這個原因。同樣情況，液體表面的某些分子也可以脫離表面，成爲氣態分子。如果將液體保持著密閉環境，將氣態分子清除，對液體而言，其狀態有什麼變化？
2.熱量在不同溫度的物體之間傳遞。實質是分子平均運動速度降低，就意味這熱量流失。分子平均運動速度升高，就是吸收熱量。注意，只是分子平均運動速度，並不涉及分子數量和分子密集程度問題。前面曾經提到，溫度有下限，-273.15℃，而沒有上限。原因就是分子運動速度（正常情況下，宏觀規模的運動是有方向的。速度就是某方向上的運動快慢程度，速度概念裡面包含了方向因素。在分子級別時，討論的是大量分子的速度大小，不涉及方向）最低爲0，就是完全不運動。無法爲負。原理上而運動速度可以任意快，也就是溫度沒有上限。但實際上速度也有上限，最快不超過光速（愛因斯坦相對論要求。2011年9月22日，意大利格蘭薩索國家實驗室接收730公里以外的從歐洲核子研究組織發射的中微子束的時候，發現中微子比光子提前60.7納秒到達目的地，意味著有超過光速的情況出現。2011年11月17日重複驗證。2012年2月報道，有可能是實驗誤差導致的情況。也就是說超光速尚未證實存在。）。溫度定義，如果以溫度下限爲基準，定義爲0度，這就是熱力學溫度定義，以英國人開爾文的名字命名，使用K來表示。0K=-273.15℃，0℃=273.15K。如果讓1個分子完全靜止，這算不算達到0K呢？
3.地球大氣離地面85公里至800公里之間稱爲熱層，最高溫度可達2000℃.那麼宇航員所穿的宇航服會不會因爲熱而損壞？
4.同質量的冰體積居然比水體積大，是否意味著固態情況下分子距離大於液態呢？事實上冰的分子和水的分子形狀不同！雖然組成相同，冰中的水分子像張開翅膀的蝴蝶，而液態
水分子則是蝴蝶的翅膀稍稍收攏。同時也說明水分子之間的間距與冰中水分子之間間距沒多大差距。
5.同體積酒精和同體積水混合，結果體積並沒有達到原體積的兩倍。表明某種液體的分子間隙過大。而某些液體分子過於稠密，表面看起來不像液體，而像固體。瀝青，常用於公路鋪設、防水密閉材料、建築結合劑（注意不是柏油，瀝青來自石油，柏油來自煤焦油）。澳大利亞昆士蘭大學進行了一項瀝青滴漏實驗，以表明瀝青是液體。用了60年時間滴出8滴。
6.地球內部都是液體，中心是金屬液體，外層是巖石液體，就表面薄薄一層固體。就因爲地殼內部是液體，所以地球的薄殼相當於漂浮在液體上，可以移動。我們所能觀察的地球歷史，就是外殼漂移和沉浮的歷史。
7.地球表面山的極限。自從印度次大陸撞上歐亞板塊後，青藏高原就開始形成，撞擊部位形成了喜馬拉雅山脈，持續在上升中。那麼山脈是否會持續上升，沒有終止呢？地殼下面是巖漿液體，當山太高以後，下面承載的巖石受的重力太大就陷入巖漿中，這時山就無法繼續升高。估計地球可以承載的山的高度大約20公里。火星有21公里高的山，是太陽系中最高的山。但火星內部已經冷卻，無法再讓山增高了。同樣情況，冰厚度增加到一定程度，壓力使得冰熔點降低，出現湖泊。在南極冰層下大約有140多個湖，其中最大的是沃斯托克湖，在冰下4000米。形成時間超過50萬年，面積1.57萬平方公里。
8.在顯微鏡下，可以觀察水中的灰塵、花粉粒的運動，從側面可以得知水分子的運動規律，就是沒有規律。這一運動稱爲布朗運動，以英國人布朗命名。
9.液體分子之間有吸引力，維持液體體積不變。造成這種吸引力的因素和原子的類型有密切關係。水內部的分子受到各個方向吸引力，但是表面的水分子只能收到下方的吸引力，造成水分子被拉入水中。最終表面的水分子數量達到最小，無法再被吸入內部。就在水錶面就形成一層膜，這次膜具有一定韌性，可以讓小動物、昆蟲在上面奔跑。這層膜的效果就使用表面張力來等效。
在液體與氣體（非液體同一種物質）分界面，大量液體分子進入氣體，稱爲汽化。少量氣體分子進入液體，稱爲溶解。當進入的氣體分子數量和重新離開液體的氣體分子數量相等時，稱爲飽和溶解，這時候進入液體的分子數量不再增加。此時一定體積的液體中溶解的氣體分子總質量稱爲溶解度。當液體外氣體分子的數量減小時，表現爲氣壓強降低，則液體中的氣體分子數量會下降，在一個較低水平重新達到平衡，也就是說，氣壓降低，則氣體溶解度下降。當溫度升高時，分子活動加劇，氣體分子更容易離開液體，也導致溶解度下降。因爲溶解度隨氣壓和溫度相關，因此給出溶解度時，就得同時給出當時的壓強和溫度。
固體和氣體，也有類似情況，不過只有少量固體可以吸收大量氣體，多數固體吸收的氣體微乎其微。而固體也可以溶解到液體中，事實上，我們身體的大量生理活動，都是因溶解才得以發生。液體溶解固體，也同樣有溶解度，時常伴隨著放熱或吸熱。液體溫度升高時，多數固體的分子更易進入液體，溶解度增加，這個和氣體完全相反。
思考：
1.水中生存著大量動物，除了那些哺乳動物可以從空氣獲得氧氣，其他動物都是從水中獲取氧氣，這些都是從空氣溶解進入水中的。1立方米空氣含氧氣大約320克，1立方米海水含氧氣6克-12克，北極地區海水中氧氣含量幾乎是赤道地區的2倍。可以肯定，海洋動物的呼吸效率更高。
2.海邊的漁民在潛水時經常會得潛水病。在潛入海中四十米後，氣壓增加到五個大氣壓，空氣中的氮氣大量溶解進入血液中。當浮出水面時，氣壓恢復標準大氣壓，則血液中的氮氣大量逸出，形成氣泡，堵塞毛細血管，尤其是腦部，引起身體障礙。治療這種疾病，就讓病人進入高壓氣室，這樣氮氣泡又慢慢溶解進入血液。等身體無礙後，緩慢降低壓力，讓氮氣慢慢逸出體內，最後可以恢復正常。軍隊的潛水員則呼吸氧氣和氦氣的混合氣體，氦氣的分子是單原子，溶解度隨壓力基本不變，因此可以自如地在海中上下。但是氦氣很貴，一般人用不上。空氣中的氦氣非常少，工業獲取氦氣是從存在放射性元素衰變產物的天然氣中提取。氦氣的密度僅大於氫氣，並且不可能燃燒，是安全的氣球的填充氣。德國製造齊柏林飛艇，由於無法從美國進口到氦氣，故使用氫氣填充，最後因氫氣泄漏燃燒發生災難。
3.鹽是人體必需的物品。鹽在水中的溶解度隨著溫度增高變化很小。而和鹽伴生的硝隨著溫度增加溶解度大幅度增加。早期海邊產鹽（滿清以前）是用火加熱大鍋海水，讓鹽結晶。後期是置海水於淺池中，讓太陽暴曬，大量的鹽就結晶而出。內陸的鹽池也同樣如此，可以夏天產鹽，並且冬天可以產硝。
4.硝石
（硝酸鉀，智利硝石：硝酸鈉，挪威硝石：硝酸鈣，芒硝：二水硫酸鈉）溶解於水，吸收大量熱，因此可以用來製冰。古代埃及和中國都使用過這種方法。
5.汞，常溫下液態，俗稱水銀。可以溶解大多數金屬。汞溶解銀後形成的合金，用於補牙填充。古代的鎏金技術就是使用汞溶解金，塗抹在器物表面，再加熱令汞揮發。最後打磨成型。
6.鐵、鈷、鎳的化學性質接近，都可以吸收一氧化碳。一個原子配四個一氧化碳分子。大家可以計算一體積鐵可以吸收多少體積的一氧化碳。
二十世紀開始後，物理學進入一個新的階段。原子本認爲是不可再分，陰極射線實驗發現電子，證明原子內部還有其他結構。最終認定原子中心是原子核，帶正電，周圍是電子環繞，帶負電。類似於地球環繞太陽的情況。電子以接近光速的速度繞原子核而行，原子的質量基本集中在原子核，而原子核的體積相比原子所佔的體積（在分子範圍）可以忽略，也就是說原子內部其實空空蕩蕩。不同元素的原子內電子數量不同。當電子數量較多時，電子還分層環繞，就像太陽系情況。
我們通常發現不同的元素的特性，主要是原子內部外層電子變化引起。我們認爲的劇烈燃燒、爆炸等現象其實是不同分子之間的原子互換或分子分裂後原子重組新的分子過程。這些過程根本不涉及原子核的任何變化，僅僅是不同原子在重組中外層電子的搭配情況有所變化。
在某種情況下，原子核之間也會發生作用，合併或分裂，這時候就是通常我們所說的核反應。某些元素的原子核不穩定，會自發發生分裂。導致元素衰變爲其他元素。這個是天然的核反應過程。將那些不穩定的原子核集中在一起，讓分裂過程變得劇烈，或將原子核強行合併產生新元素，這是人工的核反應過程。
觀察：
1.早期電視或電腦顯示器，都是使用陰極射線管（CRT）來產生圖像。屏幕本身是厚玻璃，仔細觀察會發現玻璃後面是小點組成都陣列。每個小點是由三個更小的點組成。使用時，高速電子流擊中小點，使得小點發亮。這些小點稱之爲熒光粉。電子流打在熒光粉上，改變了熒光粉原子中電子所在的位置，當改變位置的電子回原位置時，就發出肉眼可見的光。不同類型的熒光粉發的光顏色不同，發光的持續時間也不同。我們使用餘輝時間來描述發光持續時間。短餘輝熒光粉、中餘輝熒光粉、長餘輝熒光粉就是熒光粉發光持續能力的通常劃分方式。等離子顯示屏，雖然工作方式與陰極射線管不同，但顯示出不同顏色都是發光材料的原子內部電子回到原位置而產生的可見光。早期的日光燈、現代的節能燈原理與等離子顯示屏類似。
2.自然中很多元素的原子核會發生變化。地球的生命都使用碳元素，並且在生命週期內會和外界環境進行碳交換。空氣中存在大量氮元素，某些氮原子受到宇宙中高能射線打擊，原子核發生變化，變成碳14元素。這些碳14原子與通常的碳12原子不同，其原子核不穩定，會慢慢衰變爲氮原子核。衰變的速度是每5730年數量減少一半（稱爲半衰期）。但因爲宇宙射線的補充能力，空氣中碳14元素與正常碳12元素比例恆定。某生物在生命週期內進行碳循環，碳14元素隨之進入身體，兩種碳元素同樣在生物體內保持恆定比例。當生物死亡後，遺骸中的碳14只衰變，而無補充。通過測定碳14的比例，可逆推出生物距今的時間。方法的缺陷：不同時期可能碳14的比例不同，在生物埋藏過程中可能存在污染，衰變速度較快，時間較長的碳14含量過低，誤差太大。可以測定的最長時間是6萬年左右。這種方法可以推廣到檢查地球年齡，生命起源的時代，月球的年齡等等。只要選合適的不穩定元素即可。鈾鉛測年法-通過測量鈾235和鉛207以及鈾238和鉛206的比例測量石頭，可以測量大約一百萬到超過45億年的年代。鉀氬測年法-鉀40衰變爲氬40。可以測量超過100,000年的石頭。銣鍶測年法-銣87衰變成鍶87有13億年的半衰期。用於測量火成巖和變質巖，還被用於測定月球巖石。
3.原子、彈使用鈾233、鈾235、鈈239來製造，早期通過分離鈾238和鈾235來進行。鈾235的半衰期是7億年，鈾238的半衰期是45億年。所以現在鈾礦中的鈾235很少。天然鈾礦中鈾235含量大約0.7%，核電站使用鈾235來發電，其濃度大約3%，製造武器的濃度大於90%。現在分離鈾235的技術主要是使用離心機對六氟化鈾氣體進行，依賴密度的微小差異實現濃縮。攻擊伊朗分離鈾235的計劃就是通過計算機病毒使離心機工作過速而損壞。分離後的剩餘鈾238由於密度高，常常製造彈頭，稱爲貧鈾彈。作爲穿甲彈比鎢制彈效果好，並且容易燃燒，威力大。由於存在衰變性，對生物DNA易造成破壞，誘發白血病、嬰兒畸形等。在伊拉克戰場上曾大量使用。
（本章完）