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相變之謎

2018/07/05   維加斯新聞報
晏成和

       之前的文章講述了原子的構成、物質結構的建立；以實驗論證：溫度是物質核外電子運轉速度， 溫度高-核外電子速率高，介紹了核外電子運動的速率是熱的載體、是極有規律的。接下來我們就可以討論物質的相變。

       相變是如何形成

       隨著溫度的變化，流水成了堅冰，鋼筋鐵骨成了軟鋼、鐵水，物質的相態發生變化。相變是大自然的普遍現象，相變後，物質的諸多物理特性都面目全非。

       相變是怎麼形成的？儘管金屬鍵、共價鍵……理論與各種晶體分門別類、一一對應、牛氣十足！可是問到錫在烙鐵下熔化成了液態，其金屬鍵到哪裡去了？牛氣哄哄的化學鍵啞口無言，面對自然物質的相變事實，頭頭是道的化學鍵理論集體失聲，司空見慣的相變由何而來，成了千古之謎。

       當今物理把物質相變的內因籠統地歸結為分子的熱運動，無規則的熱運動如何能導致這有規律的變化？熱是怎樣使得分子運動的？相變為什麼會有特有的固定的溫度點？一直是困惑物理的世紀難題。千百年來人們總是在思索，這樣的變化的物理機制是什麼？溫度是怎樣起作用的？

       所有純淨物質都有其固定的熔點、沸點；水在0℃結冰、100℃沸騰；超導體一定要到臨界低溫，超導才能發生。這有規律的現象必然源於且服從更深層的有規則的運動。這個規則的運動，就是核外電子的規律的運動，核外電子的規律的運動是相變的直接原因 。

       溫度與物質特性 物質的物理特性，是指它在一定相態下所具有的特性，如強度、硬度、導電、磁性等等。隨著溫度升高，一般的物質都是由固體相變成液體、由液體相變成氣體，原來的特性蕩然無存。溫度對物質特性的改變明顯、巨大。

       一百年來，核外電子無規律的電子云理論是物理探索者不可逾越的雷池，後來的量子理論用概率和模糊綁架學術，強迫洗腦。禁錮了對核外電子的速率、線路的探討，危害深遠。而物質的相變與溫度有著直接的聯繫，於是研究相變的學者把眼光投向了分子的熱運動，從聲子（原子振動）入手研究相變，因為聲子可能隨溫度變化，但又要遵循原子的無規則振動的理論。無規則的熱運動如何能導致這有規律的變化？熱是怎樣使得分子運動 的？相變為什麼會有特有的固定的溫度點？想從無規則中研究出有規律的相變，於是此路不通。

       相變之謎久攻不下，有理論物理學者想用數學計算來解決物理困局，妄圖用拓撲計算來解讀相變，學術界幾十年緣木求魚，司空見慣的相變就成了困惑人們的自然之謎。

       溫度與塑性

       溫度實質上就是核外電子運轉的速度的宏觀表象（見我博文《1、核外電子的速率——溫度》）。核外電子速率加快，宏觀的表現就是溫度升高。溫度升高到了一定 的程度，水能沸騰；鋼鐵能熔化，物質發生了相變。難道電子的快速運動就能導致這樣的相變？電子的運動如何導致相變？這正是本文將要解決的問題。

       相變與溫度直接相關，然而只有達到了某一特定值，相變才能發生，這是一個從量變到質變的過程。溫度升高，蠟燭、瀝青會變軟；鋼鐵燒紅了也容易煅打。溫度低 時物體的硬度大塑性小，溫度升高能使物體的塑性增加。前面所講，溫度升高，核外電子速率加快，核外電子速率加快了，如何能使得物體的塑性增加？

       溫度升高，價和電子速率加快、運轉半徑加大，造成了物體的熱脹。然而溫升並不能使價和運轉半徑一味地加大，因為：（1）物體的內聚力很大，限制運轉半徑的 增大。 (2)僅是二維的平面運轉,線路長度固定，結構元間的價磁力限制了核外電子更高的速率。於是，熱到一定的溫度，急需加快速率的價和電子只得離開原來的運轉平面，越出平面，在原線路平面上下一定的區間進行空間的扭曲運轉，形成了價和電子的三維空間運轉，這樣線路長，速度快。

       價和電子運轉線路的扭曲，導致與價和運轉垂直方向的價磁力也發生扭曲和晃動，內聚力晃動，於是結構元之間價磁力的方向就不專一，遇外力時，結構​​元之間容易移動換位，於是物體塑性增加，趁熱打鐵就是這個道理。

       物質的內力 固態是在較低溫度條件下的物質狀態，固態物質有一定的自身形狀，有一定的剛性，能承受一定的外力，這說明固態物質的微觀結構具有穩定的內力。

       固體物質的結構是由價和電子的規律運轉所形成：低溫條件下，價和電子的運轉的速率雖不是很高，但運轉線路在固定的平面卻相當穩定，價1磁力南北穩定對應指向、整齊穩固。價和力、價磁力的方向十分穩定，從而使各結構元的位置相對固定，形成晶體，形成了具有剛性的固體結構。

　   價和力與價磁力都是價和電子運轉所致，所以，要了解相變，就必須關注價和電子的運動與變化、關注價和電子運動的線路和速率的變化。

       我們學過力有三要素：大小、方向、作用點。

       在物質的內部，構成物質的內力同樣存在這三要素，而且這三要素在物質的相態上起著至關重要的作用，在此我們特別要關注力的方向、作用點。

       在固體內部，價和電子的速率雖不是很快，但價和電子在穩定的平面軌道上運轉，價和力方向與軌道平面垂直，力的方向十分穩定；各結構元相互調適在固定的位置，所有價和力的作用點專一，力的三要素穩定，內力的穩固，才有了物質穩定的固體結構。

       熔化原理 熔化是物質由固態相變成液態的過程，也是固體內力喪失的過程。其中，最主要的是結構元之間的力三要素中的兩要素：力的方向的耗散，力的作用點的不專一，使物體內力喪失，固體的結構坍塌，實現了物質的熔化。

       固體的結構和穩定內力是價和電子規律運動所形成；固體內力的喪失和結構的瓦解也是價和電子運動變化所導致，核外電子的規律運動導演了熔化的全過程。

       在以電磁力為主的金屬固體中，隨著溫度的升高，價和電子的速率升高，速率增高的價和電子離開了原來相互穩定平行的平面軌道，在原平面上下一定的三維區間內進行扭曲運轉，從而使得伴生的價磁力方向在一定角度範圍內晃動，價磁力方向隨之紊亂，也導致了相鄰的結構元的價磁力方向的紊亂，這樣紊亂的價磁力使得結構元之間的引力不穩，在外力的作用下容易換位移動，宏觀的表現是物體此時受到外力時很容易變形，物體的剛性降低、塑性增加。

       當溫度達到熔點，價和電子的速率更高，運行的扭轉的區域更大，導致價磁力的方向大幅搖晃、作用點更加紊亂，結構元之間失去了定向價磁力的支持，同時又受到側向電子間斥力的干擾。於是結構元在物質內換位、滾動、轉向、重組。原來的金屬物體內穩定的內力完全瓦解，剛性徹底消失——物體熔化了，相變成了液體。如 圖3-1。圖中，外橢圓表示橄欖狀球體，陰影表示價和電子在空間扭轉運動的區域。

       （1）固體 （2）塑性增加 （3）液體 （4）氣體

        圖3-1 價和電子運動的線路與物質的相態

       （1）價和電子在平面穩定運轉，伴生的價磁力指向穩定，物質呈固態。

       （2）價和電子在窄小黃色空間範圍扭曲運轉，伴生的價磁力方向不穩，物體塑性增加。

       （3）價和電子在大範圍空間扭曲運轉運轉，伴生的價磁力方向晃動，物質呈液態。

       （4）價和電子在空間球狀扭曲運轉，伴生的價磁力方向混亂，物質呈氣態。

       這樣，熔化的過程已經明朗了：溫度升高，導致了價和電子的運動速率加快並由平面進入到空間，形成了扭曲運轉，從而使得價磁力方向紊亂，結構元之間喪失了定向的穩定的力的連接，物質的內力大降，連自身的結構都支撐不了。宏觀的表現就是物體喪失了穩固的結構——坍塌、熔化成了液體。

       需說明的是在液體內部物質仍然以結構元的形式存在，這些結構元成鏈成團成環、時合時分，不能形成整齊連續的架體結構，但物質內仍有一定的價和力、價磁力（但方向紊亂、瞬變），正是如此才構成了液體的內聚力，構成了液體內分子的布朗運動，構成了液體表面張力。溫度降低時液體內結構元間價磁力相對穩定、結 構元間聚合力增大(鍊長團大) ，宏觀的表現就是粘度增大、表面張力增大。

       在熔化過程中，最先受熱的部分結構元的價磁力方向的紊亂，激化和乾擾了鄰近的結構元也必須加快價和電子的速率以適應這種變化，電子加快速率必須吸收熱量（吸收周圍物質的電磁波輻射，使周圍物質降溫），宏觀的表現則是熔化時的吸熱現象。化雪時氣溫降低就是由這種吸熱所導致的。

       從熔化過程中，我們可以看出較易於發生相變的是金屬物質，（水的相變另題討論）其原因就在於金屬的價磁力結構，核外電子規律運動之說不僅解讀了相變，而且也解釋了金屬物質的塑性、延展性的來源及其與溫度直接的關係，與自然事實完全相符。

                                                                                                                                                   2018/7/2 修改

參考文獻：

1. 晏成和：《物理新視點》，湖北人民出版社，2006。

2. IRA N.LEVINE[美]:《物理化學》,李芝芬等譯,北京大學出版社,1987。

3. 閻守勝:《固體物理基礎》,北京大學出版社, 2000。

4. Ｃ．基泰爾 [美]:《固體物理導論》, 楊順華等譯,科學出版社,1986