165论原子 分子 的大小

165论原子 分子 的大小 165论原子 分子 的大小 论原子(分子)的大小 广东省博罗县高级中学(516100)林海兵 温馨提示:如果图形、公式显示有问题请点或者 摘要:气体分子的大小仅与温度高低有关，与压强却没有关系;而气体的宏观体积则不但与温度高低有关，而且与压强大小有关。 关键词:气态方程，温度，压强，分子，原子，大小 1气态方程 众所周知，玻意尔-玛略特定律、盖吕萨克定律与查理定律等都是物理前靠们利用实际气体进行实验而总结出来的实验定律，然后，通过数学运算，得到了方程或者，人们通常把这两个方程称为理想气态方程。可令人费解是--为什么利用实验定律进行数学运算得到会是理想气态方程?在整个过程中，什么地方使用过理想气体模型的假设?可能是笔者愚笨，不能找到，希望哪一位聪明的读者给笔者一点提示。 正是笔者无法看到从气体实验定律到方程(或)使用过理想气体模型的痕迹，所以，笔者认为方程(或)并不是什么理想气态方程，而是原本气体的实际状态方程。至于它们为什么只适用于压强不太大、温度不太低的气体?原因其实非常简单--由于分子的受热程度不均匀或者说是由于并不是所有的分子的温度都相同引起的，我们所测得的仅仅物体的平均温度甚至更可能是物体某个局部的部分。 2压强与温度 我们明显地看到，在气体状态方程中只包含三个物理参量，对于这三个参量，体积的意义是非常清楚的，笔者这里要说一说的并不是这个参量，而是压强和温度两个参量。 压强，原本是一个力学参量，在经典物理学中它示单位面积受到的正压力的大小。托里拆利、马德堡半球、帕斯卡等实验证实了气体、液体也有压强，这是我们都知道的事实，然而，气体、液体的压强是如何产生的?经典物理学中有两种解释，如果说这两种解释是等效的，那是情有可原的，可问题是这是两种完全不同的解释。 第一种观点认为，气体、液体的压强是因为气体、液体本身具有重力而产生的，这正如一个固体具有重力压在另一个物体之上一样。单位面积上所受到的气体、液体的重力的大小就是其压强，正是有了这种思维，才出现了某年的一道高考题--估算地球大气层空气的重量。人们一定也注意到物体重力的方向总是竖直向下的，这就注定了重力产生的压强的方向也只能是竖直向下的，然而，我们也一定发现，无论是气体还是液体，它除可以产生竖直方向的压强，却还可以产生任何一个方向的压强，这就足以说明，气体、液体的压强并不是因为其重力而产生的。另外，在气体、液体内部，特别是用不规则容器盛着的气体、液体内部的某点的压强值与该点上方的气体、液体(高度)的多少无关，即与对其产生直接压迫的重力大小无关，而仅与该点距气体、液体表面的高度有关，这难道不能说明，它们的压强并不是因重力而产生? 第二种观点认为，气体、液体的分子是自由或者半自由状态的，在气体、液体内部，其分子可以向着任何一个方向运动，所以，气体、液体的压强是分子运动时与容器壁发生碰撞而产生的。这种观点正好弥补了第一种观点的不足，它可以解释任何一个方向的压强，可是难道如果没有容器壁就没有压强了吗?也或者说，难道如果分子不发生运动就没有压强了吗?也或者说，如果分子只向某个方向发生定向运动，难道就只有在这个方向产生压强其他方向就没有压强了 值得注意的是，这种观点来源于--分子运动论中的分子永不停息地做着无规吗? 则运动，要让气体、液体产生那么大的压强，除了要使与容器壁碰撞的分子数量足够多之外，还必须使分子的运动速度足够大，而且它与容器壁碰撞的时间足够短。 笔者并不否认分子无规则的运动，但是，笔者却不认为分子无规则运动与容器壁的碰撞是产生气体、液体压强产生的原因。其一，分子无规则运动并不是没有原因的，这种原因是分子存在与运动的物质环境即中性子密度梯度环境总是发生偶然性的变化;其二，正是因为分子的运动是规则的，它的加速大小与 加速时间长短均决定于环境不平衡的偶然因素，既然是偶然发生的，当分子向着某个方向加速运动时，说不定在什么地方的不平衡的方向发生变化，也就改变了分子的运动方向，故分子无规则运动的速度不可能很大。同样地，从同一方向与容器壁发生碰撞的分子数量也不可能很多;其三，既然分子无规则运动是偶发的，那么，同一时间向着各个方向发生运动与碰撞的分子数量也是偶然的，也不可能完全相同，即各个方向的压强应该是一个在某个数值附近波动的量，而且这种波动是没有任何规律可言的，不可能存在一个稳定的平均值，更不可能是一个稳定的量… 总之，笔者认为，液体气体的压强并不是因为其重力而产生的，也不是因为分子的无规则而产生的。为了研究液体气体压强的实质，笔者把气体方程变成为之后，笔者认为找到了压强的实质--在相同温度下，压强是气体、液体、固体的密度大小的反映，因此顺利地解释了有关气体、液体压强的方向性问题，更是圆满地解释了气体、液体乃至固体在地球表面的密度分布状况，更是预见性地解释了机械中最容易受损的部位… 然而笔者并不满足于此，因为在笔者大脑之中，还是有这样一个想法--如果空间只有一个静止的分子，而空间的温度并不相同，那么，是不是温度越高压强越大呢?或者说这个分子会不会向温度低的方向发生加速运动呢?笔者这样问着自己。不会!分子并不会发生这样的运动!笔者这样回答着自己。既然不会，这样说明温度与压强并没有直接的关系，笔者这样想着，那么，气态方程中为什么会出现温度参数?温度是什么? 温度，是物体的冷热程度，是大量分子作无规则运动剧烈程度的反映，这是经典物理学的观点--笔者想着，不!不是这样的，单个分子(单个原子)同样应该具有温度，真空也同样应该具有温度，物体的温度应该只是分子、原子温度或者真空温度的宏观表现，物体只是一个检验物体，它的作用只是象电场空间的检验电荷或者磁场空间的小磁针、电流元。于是，又想到了温标特别是摄氏温标的定义--测温物体放入冰水混和物中，把物体此时的高度标上刻度，并规定这个刻度为零度;又把它放入开水中，把此时物体的高度也标上刻度，规定为一百度;然后，在两个刻度之间平均分成一百等分，每一等分叫做一度，即--这分明告诉我们，温度的高低对宏观同一个物体而言就是其体积的大小;同时笔者也想到了红外线的热效应--即使在真空中，用一束红外线射向温度计，温度计 的读数也会迅速上升--值得我们注意的是，红外线并不能够使温度计的读数持续升高，而是达到某个数值为止，当我们改变红外线的强度时，温度计读数也会随之发生变化。在这里，温度计在真空中的作用与在宏观物体中的作用是完全一样的，它仅仅是一个测量仪器。这说明，即使是真空，也是有温度的，其温度高低与空间的红外线的强度有关。 于是，笔者最终揭开了温度的谜底--对于宏观物体而言，温度就是物体的体积大小的反映;对于真空而言，温度就是红外线强度大小的反映。 那么，压强与温度是否有关?笔者认为，无关!认为压强与温度有关，这是气态方程给我们带来的一个思维定势，也是因为我们并不了解压强的实质而产生的误解。笔者通过对气体性质与气态方程的综合分析，把物体状态压强定义为--气体分子的体积占据气体宏观体积的比例。这个定义是建立在?分子数、温度与体积都相同的气体的压强一定相同;?温标定义;?笔者对分子体积与温度的关系的假设:分子在温度下的体积大小与温度成正比，满足，其中是比例系数;?气体状态方程的基础之上。物体状态压强定义式能够解释经典物理学能够解释的一切现象，还能够解释经典物理学不能解释的所有现象，故定义式是正确的。通过把式子稍作变化，我们可以预言--无论温度多高，无论体积多大， 压强的变化必然使其相只要压强恒定，气体的相对介电常数一定不会发生变化; 对介电常数发生变化。 3分子的大小 如果上述笔者的预言能够被证实，就能够说明笔者对压强的定义是正确的，当然也能够说明笔者对对分子体积与温度的关系的假设--分子在温度下的体积大小与温度成正比，满足--是正确的。 分子的体积大小仅与温度的高低成正比，与其他任何因素都没有关系，而是一个常数，一个普适常数，对任何气体，这个常数都相等。于是，我们便可以得出这样一个结论，相同温度下任何分子的体积大小都相同。 4原子的大小 经典物理学与经典化学都认为，任何宏观物体都是由原子、分子构成的，这也许已经是一个亘古不变的事实，然而，笔者还是这样的疑问--是不是所有的物体都由分子构成?分子是一个什么样的东西?经典物理学与经典化学认为，分子是决定物体化学性质的最小的单位，因此，几乎所有的物体都是由分子构成的，当然，它们又认为，对于固体，人们经常使的化学式(如)只是其成份比例式，并不说明物体由这样的分子构成。 笔者认为，所谓分子，它一定是物体中最小的运动的实体，它可以只有一个原子，也可以由多个原子构成，一旦发生平动，则在运动过程中，任何时刻构成这个运动实体的所有原子的运动状态都相同。对于固体，我们明显可见，平动过程中，整个固体物体的运动状态也都是相同的，这实在是一个分子的运动表现。对于液体的平动过程中，有时液体整体的运动状态相同，有时液体可以分成几个部分，各部分的运动状态相同，这表明，液体的分子构成在不时地发生变化。所以，经典化学中，固体液体的所谓分子式，并不是它们真正的分子式，而是构成它们的成份比例最简的化学式，故它们的分子原子大小留待以后讨论。 只有气体，才真正是由分子构成的。气体中，各个分子的运动虽然受到其周围分子运动的影响，因为分子的运动必然使其周围的分子密度分布发生变化，但是，在它们运动过程中，任何两个分子的运动状态在任意时刻不可能总是相同，真正具有相同运动状态的只可能是构成同一个分子的各个原子。 所以，笔者对分子体积与温度的关系的假设--，也只对气体分子适用，因为只有气体才是由分子构成的。尽管如此，笔者认为，因为压强定义[或]以及物体的体积与温度的关系式并不是完全依赖分子体积假设而建立的，故它们对于任何物态都是适用的。 在相同温度下所有气体分子的体积大小都相同，而气体分子由原子构成，不同的气体分子构成分子的原子数量也不相同，因此，我们可以知道，分子中原子数量越多，每个原子的体积将越小，故在所有的构成分子的原子中，单原子的体积最大。 完稿于2007年11月30日星期五 5参考文献 [1]林海兵《论能量最原始的形式》 [2]林海兵《论能量最原始的形式(二)》 林海兵《论能量最原始的形式(三)》 [3] [4]林海兵《论能量最原始的形式(四)》 [5]林海兵《论绝对温度与气态方程》 [6]林海兵《论介质的相对介电常数》 [7]林海兵《论气体的绝热过程》 [8]林海兵《论温度、压强与气态方程》