的形成,從而達(dá)到降雨的目的,這就是人工降雨. 粗纖維測定儀同樣,在我們平時燒開水時用的自來水中含有許多氣體,它們以小氣泡的 形式存在.當(dāng)水的溫度逐漸升高接近10 00℃時,水蒸氣就會不斷地通過這些小 氣泡的表面進(jìn)入到其內(nèi)部,使小氣泡逐漸加大.同時氣泡由于受到水的浮力而 逐漸地上升,一直達(dá)到水面而破裂,并將其內(nèi)部的水蒸氣釋放到空氣中.當(dāng)這 種氣泡大量地產(chǎn)生時,水就沸騰了.然而,如果小氣泡本來就非常非常小,由 于表面相的存在,這個氣泡就很可能無法增大.當(dāng)這種情況發(fā)生時,水即使被 加到很熱的程度也不會沸騰,這就是過熱液體. 在研究原子核時,由于處在原子核表面的核子與原子核內(nèi)部的核子的受力 情況不同,表面效應(yīng)往往也是一個不容忽視的問題.
團(tuán)簇的物理性質(zhì)凝聚態(tài)的微粒,凝聚態(tài)的薄膜也可以有較大的 表面效應(yīng).原子結(jié)合成分子,大量分子或離子聚集成各種固體、液體、氣 體、等離子體等聚集狀態(tài),構(gòu)成各種宏觀尺度的物體.然而許多凝聚態(tài)的 微小顆粒,表面效應(yīng)的影響使它們具有特殊的物理性質(zhì),不同于宏觀尺度 時該凝聚態(tài)的性質(zhì).因此,在比原子世界基本特征尺度大一個量級以上, 從1nm到100nm范圍內(nèi),有一個介觀世界,即介于宏觀世界和微觀原子 世界之間的世界. 研究介觀尺度下物質(zhì)性質(zhì)和運(yùn)動規(guī)律的物理學(xué)分支是介觀物理學(xué),也已成 為現(xiàn)代物理學(xué)迅速發(fā)展的重要前沿學(xué)科之一. 固體表面附近的幾個原子層內(nèi)具有許多異于體內(nèi)的對稱性質(zhì).凝聚態(tài)的表 面層具有特殊的物理性質(zhì),可能有特殊的用途,研究凝聚態(tài)表面層的性質(zhì)和規(guī) 律的物理學(xué)分支是表面物理學(xué),表面物理學(xué)研究在超高真空下這幾個原子層內(nèi) 原子的排列情況、電子狀態(tài)、吸附在表面上的外來原子或分子以及在表面幾個 原子層內(nèi)的外來雜質(zhì)的電子狀態(tài)和其它物理性質(zhì). 表面物理學(xué)是20世紀(jì)60年代以后固體物理學(xué)中一個重要的、發(fā)展極為迅 速的領(lǐng)域,已成為現(xiàn)代物理學(xué)迅速發(fā)展的重要前沿學(xué)科之一.
9.8 團(tuán)簇的物理性質(zhì) 超微粒的性質(zhì) 團(tuán)簇是由幾個原子到幾千個原子所組成的凝聚體.團(tuán)簇的空間尺度約從 0.1~10 00nm.團(tuán)簇雖然是凝聚態(tài)顆粒,但由于它的體積很小,表面效應(yīng)、量 子效應(yīng)十分顯著,使這些顆粒的物理、化學(xué)性質(zhì)都和同樣物質(zhì)的宏觀固體很不 相同. 研究團(tuán)簇的物理規(guī)律的是團(tuán)簇物理,又稱超微粒物理. 。保梗福蹦,愛基特(O.Echt)等人用超聲噴注加冷凝的方法使惰性氣體氙產(chǎn) 生中性團(tuán)簇Xe,然后用30V的脈沖電子束轟擊使之電離.通過質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn) n 在n=13、19、25、55、71、87、147等處強(qiáng)度具有明顯的峰值.說明原子數(shù) n為這些值的團(tuán)簇最穩(wěn)定.構(gòu)成團(tuán)簇的原子數(shù)n的這些值稱為幻數(shù). 不同物質(zhì)團(tuán)簇的幻數(shù)并不相同,幾種惰性氣體、堿金屬、堿土金屬、四價 元素的幻數(shù)如表9-6所示. 團(tuán)簇的空間尺度一般小于可見光的波長,在可見光的照射下反射率小于 1%,因此它的光學(xué)性質(zhì)完全不同于同種物質(zhì)的宏觀凝聚體. 團(tuán)簇的光學(xué)性質(zhì)來自三方面的貢獻(xiàn):單個原子的光學(xué)性質(zhì)、原子與載體的 1 9第九章 凝聚態(tài)物理、材料物理和介觀物理 8 表9-6 幾種惰性氣體、堿金屬、堿土金屬、四價元素的幻數(shù) 團(tuán)簇組分團(tuán)簇幻數(shù) 界面、整個團(tuán)簇的集體效應(yīng).
金屬微團(tuán)簇能夠完全吸收可見光,一般顯現(xiàn)為黑色. 磁性與材料的組分、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān),尤其受材料尺度的影響.團(tuán)簇的結(jié) 構(gòu)不同于宏觀固體材料,其磁性有新的特征. 鐵磁體團(tuán)簇一般具有單磁疇結(jié)構(gòu),即所有原子磁矩沿相同方向平行排列. 存在從鐵磁性到超順磁性的轉(zhuǎn)變和超順磁弛豫.因此鐵磁性物質(zhì)的顆粒小于臨 界尺寸成為鐵磁體團(tuán)簇時,就變?yōu)槌槾朋w. C與碳納米管 60 關(guān)于碳團(tuán)簇的研究,1984年發(fā)現(xiàn)當(dāng)n<30時,幻數(shù)為奇數(shù)n=3、11、15、 19、23等;當(dāng)n>30時,幻數(shù)為偶數(shù)n=60、70、78、80等.后來發(fā)現(xiàn),C 60 團(tuán)簇特別穩(wěn)定,由于它的穩(wěn)定性極高,人們又稱團(tuán)簇C為C分子.它的正式 6060 名稱是巴基敏斯
C分子的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已經(jīng)完全確定.它很像一個足球,每個頂角上有一個 60 碳原子.因此它簡稱足球烯.C分子之間主要通過范德瓦爾斯力而凝聚在一 60 起.在室溫下,形成面心立方結(jié)構(gòu),其晶格常數(shù)a=14.198?.但在249K時, C固體發(fā)生相變,形成簡單立方結(jié)構(gòu). 60 在C固體中摻入堿金屬A,形成AC(A=K,Rb,Cs,0≤x≤6)晶體. 60x60 研究表明:AC為面心立方結(jié)構(gòu),是超導(dǎo)相.幾種物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度如表 360 9-7所示.AC為體心正交結(jié)構(gòu),AC為體心立方結(jié)構(gòu),都是非超導(dǎo)相. 表9-7 160660 物質(zhì)名稱K3C60Rb3C60Cs3C60RbTl2C60 轉(zhuǎn)變溫度/K18293 33 48 §9. 9 8 團(tuán)簇的物理性質(zhì)。薄。
C超導(dǎo)體是現(xiàn)在所有的有機(jī)物超導(dǎo)體中轉(zhuǎn)變溫度最高的,具有較大的臨 60 界電流、臨界磁場,有廣闊的應(yīng)用前景.C固體有半導(dǎo)體特性、非線性光學(xué) 60 性質(zhì)、特殊的磁性特性. 。保梗梗蹦辏 11月,日本電器公司基礎(chǔ)研究實驗室宣布合成了一種新的碳結(jié) 構(gòu).這種結(jié)構(gòu)是一種針狀的碳管,碳針的直徑大約在1nm到30nm之間,長 度可達(dá)1μm.這種碳針由一些柱形的碳管同軸套構(gòu)而成.每根碳針?biāo)脊?的數(shù)目約在2~50層之間.兩層之間的距離約為0.34nm.這種碳針稱為碳納 米管,也稱巴基管.碳納米管有一些特殊的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)性質(zhì),是 一種新納米材料. 2 0第九章 凝聚態(tài)物理、材料物理和介觀物理 0 第十章 宇宙的結(jié)構(gòu)和演化 §10.1 太陽系、銀河系和星系 我們生活的地球有多么大? “坐地日行八萬里”說明繞地球一周是四萬公 24 里,精確地講,地球的半徑是6378.14km.地球的質(zhì)量約為5.974×10kg, 3 地球的平均密度約為5.54g/cm,比鐵的密度還要。
地球到太陽的平均距離稱為天文單位au,1au=(149597870660±20)m 8 ≈1.496×10km.地球繞太陽運(yùn)動,一年繞一圈. 太陽有多么大?太陽半徑為696100km,是地球的109倍.太陽質(zhì)量為 303 1.98 889×10kg,是地球的3 3330 000倍.太陽平均密度約為1.42g/cm,是地 球密度的0.256倍,即大約是地球密度的1/4.從太陽表面發(fā)出的光射到地球 表面,需要走8分17秒,即497s.
太陽周圍有九個大行星,從里向外依次為:水星、金星、地球、火星、木 星、土星、天王星、海王星、冥王星.行星周圍還有衛(wèi)星在圍繞行星運(yùn)動.這 九大行星繞太陽公轉(zhuǎn)大體上是在同一個平面上,并且公轉(zhuǎn)的方向是一致的.除 了冥王星之外的各大行星繞太陽的軌道都是接近圓的橢圓,冥王星的軌道偏心 率比較大.太陽周圍還有數(shù)千個小行星、彗星.小行星一般軌道的偏心率比較 小,但彗星運(yùn)行的軌道一般是偏心率很大的橢圓.這些星體構(gòu)成了太陽系.這 九大行星繞太陽運(yùn)動軌道的半長軸、偏心率、公轉(zhuǎn)周期、近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)以及 §10.。 1 太陽系、銀河系和星系。病。 到太陽的距離、公轉(zhuǎn)運(yùn)動的平均速度列在表10-1. 表10-1 大行星運(yùn)動和軌道性質(zhì) 行星 軌道半長軸 a/au 偏心率e 近日點(diǎn)距 /au 遠(yuǎn)日點(diǎn)距 /au 公轉(zhuǎn)周期 T 公轉(zhuǎn)平均速盡管冥王星的公轉(zhuǎn)周期最長,表明它是太陽的九大行星中最外面的一個繞 太陽轉(zhuǎn)的行星,但是由于冥王星軌道的偏心率很大,冥王星繞太陽運(yùn)動時,有 一段時間它到太陽的距離會比海王星到太陽的距離還要近.
天文學(xué)中常用光年(l.y.)作為距離的單位,光年就是光在真空中傳播1年 16 所走的距離,1l.y.=0.9461×10m.天文學(xué)中更常用的距離單位是秒差距(pc), 秒差距的意義是,從一個遠(yuǎn)方星體上來看太陽和地球,太陽與地球之間的最大張角 為1(″) 時,這個星體和地球的距離是1(pc).秒差距的含義見圖10-1. 圖10-1 秒差距的含義圖 16 秒差距比光年更長,1pc=(3.08567758074±0.0000 0000 00004)×10m=3.262l.y..描述更遠(yuǎn)的距離則可用千秒差距(kpc)和兆秒差距(Mpc), 36 1kpc=10pc,1Mpc=10pc. 離太陽系最近的恒星是毗鄰星,它到太陽系的距離是4.34l.y.,即它發(fā) 出的光要過4.34年才傳到太陽系.毗鄰星雖然是離太陽系最近的恒星,但它 發(fā)的光不亮,即使在晴朗的沒有月亮的夜晚,也不可能用肉眼直接看到它. 太陽系外相鄰的恒星之間的距離是光年的量級,大范圍內(nèi)許多星體集合在一起 構(gòu)成一個星系.太陽所屬的星系就是銀河系,它實際上包含了大約一千億個恒星. 銀河系的形狀像一個中間厚邊緣薄的圓餅或圓盤,整個銀河系在繞中心旋 ①按中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB3102.1—93的規(guī)定,l.y.代表光年,以往有些書用ly代表光年. 2 。暗谑隆∮钪娴慕Y(jié)構(gòu)和演化 。 轉(zhuǎn).太陽系在銀河系里處于距銀河系中心約260 000l.y.的地方,它繞銀河系 中心運(yùn)動的速度是2 220km/s.太陽系繞銀河系中心轉(zhuǎn)一周所需要的時間約為 8 2.23×10a. 銀河系外還有許多類似于銀河系的星系存在.它們有的比銀河系大,
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