一個物體的形狀是靠什麼保持的?原子之間的引力嗎?那將物體切割開是什麼原理?阻斷原子的引力?


我覺得關於「如何切割」的回答方向不是這樣的。生活和生產中的材料,往往是混合物、多晶、缺陷、無定形、多相……等等狀態。決定材料的力學行為或流動行為的都跟這些薄弱部分有關,晶相往往都破壞不到。達到從分子間/原子間力出發的計算值只是一種理想,單晶的情形。

不同材料、破壞方式不同,表現出來的行為差異太大了,回答不完的。就僅僅是切得快或切得慢,就可能有質的區別(脆性斷裂還是韌性斷裂)。橡膠增韌塑料之所以韌是阻斷了塑料相的裂紋生長。金屬的塑性形變是位錯的滑移。膠體凝膠的切割是粒子間力的斷裂,粒子本身不會爛掉。不同材料在不同形變方式下,斷的方式都不同。

至於說這些材料為什麼保持一定形狀,這相當於問這些材料為什麼是固體。不是所有固體都是晶體。很多塑料是無定形態,例如有機玻璃。輪胎、橡皮則是因為交聯了。滷汁加到豆漿里就變成豆腐腦,那是因為凝膠化。


四種基本力:引力 &< 弱力 &< 電磁力 &< 強力

在固體中的原子的層面,引力太弱,弱力和強力的作用距離太短,現實的科學研究中只考慮溫度和電磁力。詳細(又簡略)地說,給定原子核間的距離,電子會自己把自己擺到能量最小的位置,當我們改變原子核間的距離,電子就會把自己擺到另外一個能量高一點的最小位置。所以要改變原子核之間的距離就要提供能量。提供能量足夠多了,兩個原子核就永遠說再見了。

隨便怎麼提供能量都行,切是一種方法,還可以拉、加熱、電磁感應等等。


分幾種情況說說自己的理解:
1.原子晶體.比如金剛石。很硬。維持形狀的是共價鍵,即原子間公用電子. 舉個例子,C-C單鍵鍵能為:83Kcal/mol。一般強共價鍵的範圍為80-100Kcal/mol。
2.離子晶體.比如NaCl. 比較硬的。維持其形狀的是離子鍵,電子已經強烈局域化,即帶有正負電荷的Na或Cl有規律的排列,形成體心立方結構。主要是庫倫靜電作用。NaCl的結合能為85Kcal/mol。
3.分子晶體. 比如冰. Van der Waals相互作用。冰這樣的結構, 水分子之間是在吸引作用的力程上。還是有些硬度的。
4. 金屬. 像Na,K之類的,軟到可以用刀子切開。維持其形狀的是金屬鍵,即在晶體內部可以自由運動,非局域化的自由電子。如果只有帶正電的原子實,庫倫排斥早就把晶格打散了。可見,這些在金屬內部自由運動的電子非常重要。任何一個電子都非一個單獨的原子實獨佔。
「 切開」 從微觀上講,屬於施加外力,破壞其結構。本質都是破壞維持晶格的鍵。所以像破壞金剛石這樣的靠共價鍵維持的原子晶體,當然很難了。


費曼物理學講義里有一段大概是說:

原子之間有一個能量壁壘。要想讓兩個原子之間距離足夠近形成化學鍵就要通過這個能量壁壘。就像同一水平面上的兩個位置之間有座山,要想把物體從一個位置搬到另一個位置,就要給它足夠的能量衝過山頂。能量不夠沖不過山頂就會延山坡滑回來,能量夠了就會延另一邊山坡滑到指定位置。

那麼說原子之間的結合也像卡扣一樣。


所謂切開,對於金屬材料,無外乎「刀具」(其實不一定是刀)與材料的接觸點的應力達到材料的屈服強度,位錯增殖、滑移、纏繞,導致加工硬化,材料開裂。


切開物體(固體),只是破壞了分子之間的引力,讓分子們分開。還沒有達到原子這個層面。如果能夠用切割的方式破壞分子結構的話,那就是科學技術一大突破。


無論什麼物質,追根溯源,固定形狀的力都是來自基本粒子間的引力


推薦閱讀:

白色的東西為什麼易變黃?

TAG:日常生活 | 物理科普 |