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相变之谜

2018/07/05   维加斯新闻报
晏成和

       之前的文章讲述了原子的构成、物质结构的建立；以实验论证：温度是物质核外电子运转速度， 温度高-核外电子速率高，介绍了核外电子运动的速率是热的载体、是极有规律的。接下来我们就可以讨论物质的相变。

       相变是如何形成

       随着温度的变化，流水成了坚冰，钢筋铁骨成了软钢、铁水，物质的相态发生变化。相变是大自然的普遍现象，相变后，物质的诸多物理特性都面目全非。

       相变是怎么形成的？尽管金属键、共价键……理论与各种晶体分门别类、一一对应、牛气十足！可是问到锡在烙铁下熔化成了液态，其金属键到哪里去了？牛气哄哄的化学键哑口无言，面对自然物质的相变事实，头头是道的化学键理论集体失声，司空见惯的相变由何而来，成了千古之谜。

       当今物理把物质相变的内因笼统地归结为分子的热运动，无规则的热运动如何能导致这有规律的变化？热是怎样使得分子运动的？相变为什么会有特有的固定的温度点？一直是困惑物理的世纪难题。千百年来人们总是在思索，这样的变化的物理机制是什么？温度是怎样起作用的？

       所有纯净物质都有其固定的熔点、沸点；水在0℃结冰、100℃沸腾；超导体一定要到临界低温，超导才能发生。这有规律的现象必然源于且服从更深层的有规则的运动。这个规则的运动，就是核外电子的规律的运动，核外电子的规律的运动是相变的直接原因 。

       温度与物质特性 物质的物理特性，是指它在一定相态下所具有的特性，如强度、硬度、导电、磁性等等。随着温度升高，一般的物质都是由固体相变成液体、由液体相变成气体，原来的特性荡然无存。温度对物质特性的改变明显、巨大。

       一百年来，核外电子无规律的电子云理论是物理探索者不可逾越的雷池，后来的量子理论用概率和模糊绑架学术，强迫洗脑。禁锢了对核外电子的速率、线路的探讨，危害深远。而物质的相变与温度有着直接的联系，于是研究相变的学者把眼光投向了分子的热运动，从声子（原子振动）入手研究相变，因为声子可能随温度变化，但又要遵循原子的无规则振动的理论。无规则的热运动如何能导致这有规律的变化？热是怎样使得分子运动 的？相变为什么会有特有的固定的温度点？想从无规则中研究出有规律的相变，于是此路不通。

       相变之谜久攻不下，有理论物理学者想用数学计算来解决物理困局，妄图用拓扑计算来解读相变，学术界几十年缘木求鱼，司空见惯的相变就成了困惑人们的自然之谜。

       温度与塑性

       温度实质上就是核外电子运转的速度的宏观表象（见我博文《1、核外电子的速率——温度》）。核外电子速率加快，宏观的表现就是温度升高。温度升高到了一定 的程度，水能沸腾；钢铁能熔化，物质发生了相变。难道电子的快速运动就能导致这样的相变？电子的运动如何导致相变？这正是本文将要解决的问题。

       相变与温度直接相关，然而只有达到了某一特定值，相变才能发生，这是一个从量变到质变的过程。温度升高，蜡烛、沥青会变软；钢铁烧红了也容易煅打。温度低 时物体的硬度大塑性小，温度升高能使物体的塑性增加。前面所讲，温度升高，核外电子速率加快，核外电子速率加快了，如何能使得物体的塑性增加？

       温度升高，价和电子速率加快、运转半径加大，造成了物体的热胀。然而温升并不能使价和运转半径一味地加大，因为：（1）物体的内聚力很大，限制运转半径的 增大。 (2)仅是二维的平面运转,线路长度固定，结构元间的价磁力限制了核外电子更高的速率。于是，热到一定的温度，急需加快速率的价和电子只得离开原来的运转平面，越出平面，在原线路平面上下一定的区间进行空间的扭曲运转，形成了价和电子的三维空间运转，这样线路长，速度快。

       价和电子运转线路的扭曲，导致与价和运转垂直方向的价磁力也发生扭曲和晃动，内聚力晃动，于是结构元之间价磁力的方向就不专一，遇外力时，结构​​元之间容易移动换位，于是物体塑性增加，趁热打铁就是这个道理。

       物质的内力 固态是在较低温度条件下的物质状态，固态物质有一定的自身形状，有一定的刚性，能承受一定的外力，这说明固态物质的微观结构具有稳定的内力。

       固体物质的结构是由价和电子的规律运转所形成：低温条件下，价和电子的运转的速率虽不是很高，但运转线路在固定的平面却相当稳定，价1磁力南北稳定对应指向、整齐稳固。价和力、价磁力的方向十分稳定，从而使各结构元的位置相对固定，形成晶体，形成了具有刚性的固体结构。

　   价和力与价磁力都是价和电子运转所致，所以，要了解相变，就必须关注价和电子的运动与变化、关注价和电子运动的线路和速率的变化。

       我们学过力有三要素：大小、方向、作用点。

       在物质的内部，构成物质的内力同样存在这三要素，而且这三要素在物质的相态上起著至关重要的作用，在此我们特别要关注力的方向、作用点。

       在固体内部，价和电子的速率虽不是很快，但价和电子在稳定的平面轨道上运转，价和力方向与轨道平面垂直，力的方向十分稳定；各结构元相互调适在固定的位置，所有价和力的作用点专一，力的三要素稳定，内力的稳固，才有了物质稳定的固体结构。

       熔化原理 熔化是物质由固态相变成液态的过程，也是固体内力丧失的过程。其中，最主要的是结构元之间的力三要素中的两要素：力的方向的耗散，力的作用点的不专一，使物体内力丧失，固体的结构坍塌，实现了物质的熔化。

       固体的结构和稳定内力是价和电子规律运动所形成；固体内力的丧失和结构的瓦解也是价和电子运动变化所导致，核外电子的规律运动导演了熔化的全过程。

       在以电磁力为主的金属固体中，随着温度的升高，价和电子的速率升高，速率增高的价和电子离开了原来相互稳定平行的平面轨道，在原平面上下一定的三维区间内进行扭曲运转，从而使得伴生的价磁力方向在一定角度范围内晃动，价磁力方向随之紊乱，也导致了相邻的结构元的价磁力方向的紊乱，这样紊乱的价磁力使得结构元之间的引力不稳，在外力的作用下容易换位移动，宏观的表现是物体此时受到外力时很容易变形，物体的刚性降低、塑性增加。

       当温度达到熔点，价和电子的速率更高，运行的扭转的区域更大，导致价磁力的方向大幅摇晃、作用点更加紊乱，结构元之间失去了定向价磁力的支持，同时又受到侧向电子间斥力的干扰。于是结构元在物质内换位、滚动、转向、重组。原来的金属物体内稳定的内力完全瓦解，刚性彻底消失——物体熔化了，相变成了液体。如 图3-1。图中，外椭圆表示橄榄状球体，阴影表示价和电子在空间扭转运动的区域。

       （1）固体 （2）塑性增加 （3）液体 （4）气体

        图3-1 价和电子运动的线路与物质的相态

       （1）价和电子在平面稳定运转，伴生的价磁力指向稳定，物质呈固态。

       （2）价和电子在窄小黄色空间范围扭曲运转，伴生的价磁力方向不稳，物体塑性增加。

       （3）价和电子在大范围空间扭曲运转运转，伴生的价磁力方向晃动，物质呈液态。

       （4）价和电子在空间球状扭曲运转，伴生的价磁力方向混乱，物质呈气态。

       这样，熔化的过程已经明朗了：温度升高，导致了价和电子的运动速率加快并由平面进入到空间，形成了扭曲运转，从而使得价磁力方向紊乱，结构元之间丧失了定向的稳定的力的连接，物质的内力大降，连自身的结构都支撑不了。宏观的表现就是物体丧失了稳固的结构——坍塌、熔化成了液体。

       需说明的是在液体内部物质仍然以结构元的形式存在，这些结构元成链成团成环、时合时分，不能形成整齐连续的架体结构，但物质内仍有一定的价和力、价磁力（但方向紊乱、瞬变），正是如此才构成了液体的内聚力，构成了液体内分子的布朗运动，构成了液体表面张力。温度降低时液体内结构元间价磁力相对稳定、结 构元间聚合力增大(炼长团大) ，宏观的表现就是粘度增大、表面张力增大。

       在熔化过程中，最先受热的部分结构元的价磁力方向的紊乱，激化和干扰了邻近的结构元也必须加快价和电子的速率以适应这种变化，电子加快速率必须吸收热量（吸收周围物质的电磁波辐射，使周围物质降温），宏观的表现则是熔化时的吸热现象。化雪时气温降低就是由这种吸热所导致的。

       从熔化过程中，我们可以看出较易于发生相变的是金属物质，（水的相变另题讨论）其原因就在于金属的价磁力结构，核外电子规律运动之说不仅解读了相变，而且也解释了金属物质的塑性、延展性的来源及其与温度直接的关系，与自然事实完全相符。

                                                                                                                                                   2018/7/2 修改

参考文献：

1. 晏成和：《物理新视点》，湖北人民出版社，2006。

2. IRA N.LEVINE[美]:《物理化学》,李芝芬等译,北京大学出版社,1987。

3. 阎守胜:《固体物理基础》,北京大学出版社, 2000。

4. Ｃ．基泰尔 [美]:《固体物理导论》, 杨顺华等译,科学出版社,1986