物理爱好者

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开尔文



张计怀



　　开尔文（1824～1907）是英国著名的物理学家，他的原名叫威廉·汤姆孙。他从小热爱数学，小时候就随其父亲在格拉斯哥大学旁听数学课，表现出天资聪明。后来他考入了剑桥大学，于1845年毕业，由于成绩突出获史密斯奖章。第二年他回到自己的母校格拉斯哥大学，并应聘为该校的教授，在这里任教五十三年。他是伦敦皇家学会会员，法国科学院院士，并担任过五年皇家学会会长。由于他在科学和工程上的成就，被封为开尔文勋爵。从被封后他就改名叫开尔文。后来他的很多科学成就和发表的论文，都是以开尔文的名字提出和命名。

　　开尔文是杰出的理论物理和实验物理学家。他在电磁学和热学方面都取得了很大的成就。他用莱顿瓶的振荡实验推导出了电磁振荡频率的公式；设计、制造了很多非常有价值的电磁学测量仪器，如静电计、镜式电流计、双肩电桥等，这些仪器为电磁学的科学实验提供了条件。为了航海的需要。他改进了航海罗盘，制造了潮汐预报器和潮汐分析器。

　　开尔文领导完成了从爱尔兰到纽芬兰的海底电缆铺设。这一伟大的工程，使他出了名。

　　在热力学方面，他创立了热力学温度，目前已成为国际单位中测温的基本单位。他还是热力学第二定律的奠基人之一（另一人是克劳修斯），他提出的“不可能从单一热源取热使之完全变成有用功而不产生其它影响”的说法，被认为是热力学第二定律的标准说法。他在热电效应方面也取得了很大的成就，他和焦耳合作研究气体通过多孔塞后温度发生变化，提出了“焦耳—汤姆孙效应”，这一成果成为以后制造液态空气的理论根据。

　　开尔文不仅在科学上取得了很多使人佩服的成就，同时他还有很值得人们学习的科学研究的思想、态度和方法。他很重视实践，能把理论和生产、工程结合起来，把教学、科研和生产建设联为一体；他尊重别人的研究成果，善于与别人合作，并能使自己的学生也参加到自己的科学研究中去；他谦虚、谨慎，不怕前进中的困难和失败，始终保持致力于科学事业的乐观精神。他一生中也提出过很多“失败”的见解和理论，但他不回避自己的错误，而是从中取得经验教训，因此也发表了许多为以后的科学研究者铭记的“名言”。他在科学的道路上克服了很多困难，他自己认为“我们都感到，对困难必须重视，不能回避；应该把它放在心里，希望能够解决它。无论如何，每个困难一定有解决的办法，虽然我们可能一生没有能找到”。在1896年为他举行的任教五十年大会上，开尔文曾这样说过：“我在过去55年里所极力追求的科学进展，可以用‘失败’这个词来标志。我现在不比50年以前当我开始担任教授时知道更多关于电和磁的力，或者关于以太、电与有重物之间的关系，或者关于化学亲合的性质。在失败中必有一些悲伤；但是在科学的追求中，本身包围的必要努力带来了很多愉快的斗争，这就使科学家避免了苦闷，而或许还会使他在日常工作中相当“快乐”。这反映了一个伟大科学家对于自己所从事的事业的乐观态度和宽阔胸怀。

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晶体和非晶体



张计怀



　　固态物质分为晶体和非晶体。从宏观上看，晶体都有自己独特的、呈对称性的形状，如食盐呈立方体；冰呈六角棱柱体；明矾呈八面体等。而非晶体的外形则是不规则的。晶体在不同的方向上有不同的物理性质，如机械强度、导热性、热膨胀、导电性等，称为各向异性。而非晶体的物理性质却表现为各向同性。晶体有固定的熔化温度—熔点（或凝固点），而非晶体则是随温度的升高逐渐由硬变软，而熔化。

　　晶体和非晶体所以含有不同的物理性质，主要是由于它的微观结构不同。组成晶体的微粒──原子是对称排列的，形成很规则的几何空间点阵。空间点阵排列成不同的形状，就在宏观上呈现为晶体不同的独特几何形状。组成点阵的各个原子之间，都相互作用着，它们的作用主要是静电力。对每一个原子来说，其他原子对它作用的总效果，使它们都处在势能最低的状态，因此很稳定，宏观上就表现为形状固定，且不易改变。晶体内部原子有规则的排列，引起了晶体各向不同的物理性质。例如原子的规则排列可以使晶体内部出现若干个晶面，立方体的食盐就有三组与其边面平行的平面。如果外力沿平行晶面的方向作用，则晶体就很容易滑动（变形），这种变形还不易恢复，称为晶体的范性。从这里可以看出沿晶面的方向，其弹性限度小，只要稍加力，就超出了其弹性限度，使其不能复原；而沿其他方向则弹性限度很大，能承受较大的压力、拉力而仍满足虎克定律。当晶体吸收热量时，由于不同方向原子排列疏密不同，间距不同，吸收的热量多少也不同，于是表现为有不同的传热系数和膨胀系数。

　　非晶体的内部组成是原子无规则的均匀排列，没有一个方向比另一个方向特殊，如同液体内的分子排列一样，形不成空间点阵，故表现为各向同性。

　　当晶体从外界吸收热量时，其内部分子、原子的平均动能增大，温度也开始升高，但并不破坏其空间点阵，仍保持有规则排列。继续吸热达到一定的温度──熔点时，其分子、原子运动的剧烈程度可以破坏其有规则的排列，空间点阵也开始解体，于是晶体开始变成液体。在晶体从固体向液体的转化过程中，吸收的热量用来一部分一部分地破坏晶体的空间点阵，所以固液混合物的温度并不升高。当晶体完全熔化后，随着从外界吸收热量，温度又开始升高。而非晶体由于分子、原子的排列不规则，吸收热量后不需要破坏其空间点阵，只用来提高平均动能，所以当从外界吸收热量时，便由硬变软，最后变成液体。玻璃、松香、沥青和橡胶就是常见的非晶体。

　　多数的固体晶体属于多晶体（也叫复晶体），它是由单晶体组成的。这种组成方式是无规则的，每个单晶体的取向不同。虽然每个单晶体仍保持原来的特性，但多晶体除有固定的熔点外，其他宏观物理特性就不再存在。这是因为组成多晶体的单晶体仍保持着分子、原子有规则的排列，温度达不到熔解温度时不会破坏其空间点阵，故仍存在熔解温度。而其他方面的宏观性质，则因为多晶体是由大量单晶体无规则排列成的，单晶体各方向上的特性平均后，没有一个方向比另一个方向上更占优势，故成为各向同性。各种金属就属于多晶体。它们没有固定的独特形状，表现为各向同性。

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液态空气



马文学



　　空气是由78．01％的氮、20．9％的氧以及氩、氖、氙、氪等稀有气体组成的混合物。液态空气就是将空气经过如图3－2所示的步骤液化而成的。



　　压缩机A将吸入的空气压缩，压缩产生的热被冷却器B中的水带走，再经过热交换器E1与返回的低压气体进行热交换，经风冷却后的压缩气体分成两路：一路进入膨胀机C进行膨胀，同时对外做功，在这过程中，消耗了空气的大量内能，温度降低；膨胀后的气体进入热交换器E2的低压侧，与其中的高压侧的压缩气体进行热交换后，通过E2返回压缩机的吸气口。另一路进入热交换器E2、E3，与返回的低压气体进行热交换，降低温度，再经过节流阀Z进行节流膨胀，温度降低到78．8K，于是有一部分气体被液化，成为液态空气D。没被液化的气体依次返回E3、E2、E1，与进来的高压气体进行热交换，最后返回压缩机的吸气口。

　　液态空气在液化过程中，二氧化碳已被清除，微量稀有气体正常沸点低的亦不存在，所以液态空气是由氮78％，氧21％，氩1％组成。

　　由于液态空气中约含有1／5液氧，因此使用不安全；更由于液态空气组份正常沸点的不同，于是蒸发出的比例不同，所以液态空气组份比例经常变，沸点也就在变，不稳定。因此，液态空气不能当低温源用于精密科学实验中。

　　人们液化空气的主要目的在于制取液氮、液氧及提取稀有气体。制取的基本原理是利用液态空气组份沸点的不同（氮：77K氧90．2K）而在分镏塔中进行分离而得到。

　　氮可以用来制氨，氨是重要的化学原料。氮化学性质不活泼，液氮可作低温源，尤其高温超导体发现以后的今天，显得更为重要。除此之外，液氮在医学上也有很重要的应用。

　　氧可以广泛地应用在高温冶炼、高温焊接、高温切割及医疗方面。氩是惰性气体，可以充入白炽灯泡和其他电光源。

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甲苯



张计怀



　　甲苯是有机化合物，属芳香烃，分子式为C6H5CH3。在常温下呈液体状，无色、易燃。它的沸点为110．8℃，凝固点为－95℃，密度为0．866克／厘米3。甲苯温度计正是利用了它的凝固点比水很低，可以在高寒地区使用；而它的沸点又比水的沸点高，可以测110．8℃以下的温度。因此从测温范围来看，它优于水银温度计和酒精温度计。另外甲苯比较便宜，故甲苯温度计比水银温度计也便宜。

　　甲苯不溶于水，但溶于乙醇和苯的溶剂中。甲苯容易发生氯化，生成苯—氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯，它们都是染料的原料；它还容易磺化，生成邻甲苯磺酸或对甲苯磺酸，它们是做染料或制糖精的原料。甲苯的蒸汽与空气混合形成爆炸性物质，因此它可以制造梯思梯炸药。

　　甲苯与苯的性质很相似，是工业上应用很广的原料。但其蒸汽有毒，可以通过呼吸道对人体造成危害，使用和生产时要防止它进入呼吸器官。

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聚乙烯



张计怀



　　聚乙烯是高分子有机化合物，由乙烯聚合而成，分为低分子量和高分子量两种，低分子量的一般呈液体状，无色、无味，不溶于水，密度为0．92克／厘米3，可做润滑油和涂料；高分子量的一般呈固体状，乳白色，热塑性大，手摸有蜡感，密度在0．92～0．96克／厘米3之间。它耐腐蚀，绝缘性能好。高密度的聚乙烯具有刚性、硬度和机械强度大的特性，可以做容器、管道，也可以做高频的电绝缘材料，用于雷达和电视。它不溶于水，吸水性很小，就是对一些化学溶剂，如甲苯、醋酸等，也只有在70℃以上温度时才略有溶解。但是微粒状的聚乙烯，可以在15℃～40℃之间随温度的变化熔化或凝固，温度升高时熔化，吸收热量；温度降低时凝固，放出热量。又因为它吸水量很小，不易潮湿，有绝缘性能，因此是很好的建筑材料。把微粒状的聚乙烯掺在水泥中，可做墙壁和地板。利用它在正常温度吸热熔化和放热凝固的特性，房间温度升高时，它就熔化吸收热量；温度降低时它就凝固放出热量。这样就可以使房间温度保持稳定。因此是一种较好的储热材料。根据它的其他特性，这种建筑材料还有防漏电、防热、防潮和防腐蚀的作用。

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氟利昂



张计怀



　　又名氟氯烷，是含有氟和氯的有机化合物。氟利昂的种类很多，其中可以用作致冷剂的有：氟利昂－12，即二氟二氯甲烷，分子式为CF2Cl2，沸点为－29．8℃；氟利昂－11，即一氟三氯甲烷，分子式为CFCl2，沸点为23．7℃；氟利昂－22，即二氟－氯甲烷，分子式为CHF2Cl2，沸点为－40．8℃。它们都是无色，无味、无毒、无腐蚀性的气体。由于它们很容易液化，所以是一种很好的致冷剂。其中以氟利昂－12应用的最早和最广，它已有50多年的应用历史。目前我国和大多数国家仍在广泛应用。

　　使用氟利昂也有很多缺点，特别是氟利昂－12和氟利昂－11，它们的渗透能力很强，容易漏气，且不易发现。这种气体遇到明火，或温度达到400℃以上时，便分解成有毒的氟化氢和氯化氢，并放出有毒的光气。更重要的是这种气体还能破坏臭氧层，使臭氧层造成空洞。再加之它的价格贵，对橡胶、塑料有腐蚀作用，现在国际上已禁止氟利昂－12和氟利昂－11再作致冷剂使用，但氟利昂－22并不在禁止之列。

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萘和海波



张计怀



　　萘是一种有机化合物，属稠环芳香烃，其分子式为C10H8。它是从煤干馏和石油中提取的，熔点为80℃，故容易挥发和升华。它不易溶于水，但容易溶于乙醇、醚和苯中。它还容易发生氧化、加氢、取代（卤化、硝化、磺化）反应。它可以制作萘的衍生物，如卫生球，是有效的驱虫剂。

　　海波是一种无机化合物，又称硫代硫酸钠，俗称“大苏打”，它的分子式是Na2S2O3·5H2O，熔点约48℃，它是无色晶体，容易溶于水。因它具有还原性质，所以它能使纺织品漂白后去掉其中的氯。在照像技术中，它可以用作定影剂，溶解照像底片或感光纸上未曝光的卤化银。物理实验“晶体的熔化过程”常用萘和海波作原材料。

　　在做晶体的熔化实验时，近年来使用海波的越来越多，主要原因有下列几个方面：（1）海波的熔点较低，约为48℃，而萘的熔点较高，为80℃，用海波可以节省加热时间；（2）海波的价格比萘便宜；（3）海波购买也较方便，一般在照像馆就能买到2角左右一袋的海波。大量购买海波或萘要到化学试剂商店，因萘和海波都是危险品，一般要到远离市区商店的库房提货，而且不许乘火车或公共汽车；（4）在学生实验完毕清洗试管时，海波也比萘容易清洗。因海波熔点低，热水一冲洗试管就干净了。