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玻璃:solid or liquid?
玻璃:solid or liquid?
来源:cas-ciomp | 8/21/2017 10:15:38 AM | 浏览:457 | 评论:0

玻璃:solid or liquid?


众所周知,固体有固定的形状,液体没有确定的形状,一部分固体拥有组织非常严密的原子结构,原子有规则地、周期性排列。相比之下,液体中的原子排列则较为混乱,它们不规则聚集在一起,原子的位置不断变化。 玻璃有形状且坚硬,具有固体的属性。但奇怪的是其原子排列方式却与液体的无序排列如出一辙。也就是说,从表面上看,玻璃更像是固体,但内部原子排列却很像液体。

玻璃:solid or liquid?

关于玻璃的物理本质,学界众说纷纭。

有专家认为,自然界中的固体物质,按照其微观结构的特点,可大致分为两类:一类的原子或粒子排列整齐有序,即晶态固体;另一类的原子或粒子排列混乱无序,即非晶态固体。而玻璃就是一种典型的非晶态固体。

中国科学院物理研究所汪卫华院士认为玻璃是原子运动得很慢的液体。液体的原子不停地在动,但玻璃里面的原子移动极其缓慢,要比一般液体中原子运动慢20-30个数量级。如果说原子在一般液体中移动的速度比火箭还要快,那么原子在玻璃中移动的速度比蜗牛还要慢。

美国科学家菲利普·吉布斯在刊登于加州大学河滨分校数学系主页上的《玻璃是固体还是液体?》一文中也指出,从分子动力学和热力学的某些角度来说,玻璃可以看成是高黏度的液体,是无定形固体,或是既不是液体也不是固体的另一种形态。





除了玻璃到底是固体还是液体傻傻分不清外,玻璃从液体转变为类似固体的玻璃态的过程也令人摸不着头脑,尽管4000年前人类就开始使用玻璃,但我们至今仍不完全了解液体变成玻璃的过程。

一些材料从液体变为固体时,其原子会以高度规则的模式进行排列,这种排列被称为晶格。这些物质处于液体状态时,原子可以自由移动,然后在某个时刻原子会被固定住,有规则的晶格排列就形成了,这个过程被称为晶化。

但是从炽热的液体转变为玻璃的过程中,不断运动的玻璃原子并没有突然被困住,而是随着温度的下降速度逐渐放缓,最终这些原子仍呈现类似液体的不规则排列。换句话说,在玻璃从液体转变为类似固体的玻璃态的过程中,类似液体原子那种不规则的排列被神奇地固定了下来。

虽然玻璃中的原子在一定程度上随机排列,但它们实际上要比表面看起来更为稳定,绝大多数原子可能被它们的“邻居”禁锢在一定位置。在玻璃形成过程中,类似液体那种不规则的排列,究竟是怎么被固定下来的仍然悬而未决。

玻璃态物质的发现、研究、应用,尤其是在光学上的应用已经经历了漫长的历史并且取得了丰硕的成就,然而有关玻璃态物质的本质和基本规律仍存在诸多问题值得人们继续深入思考。也许在不久的将来,关于玻璃如何形成、如何流动,科学家会给出满意的答案。




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