原子與材料

前言

1945年，兩枚核彈終結(jié)了第二次世界大戰(zhàn)，這是對物理學(xué)威力的一次展示，讓人惶恐而又令人信服。由世界上最杰出的一些科學(xué)頭腦醞釀出的這次核爆炸摧毀了廣島和長崎這兩座日本城市，迫使日本不得不無條件投降。應(yīng)該說，物理學(xué)和物理學(xué)家的身影貫穿于第二次世界大戰(zhàn)的始終，而原子彈只是最生動的一個例子。從那些用于炸壩的在水中跳躍前進(jìn)的炸彈，到那些感應(yīng)到船體出現(xiàn)便發(fā)生爆炸的水下魚雷，第二次世界大戰(zhàn)實際上也是一場科學(xué)的較量。第二次世界大戰(zhàn)讓所有人，包括那些多疑的軍事領(lǐng)導(dǎo)人相信，物理學(xué)是一門很重要的科學(xué)。然而，物理學(xué)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)延伸到了戰(zhàn)場之外，物理學(xué)原理幾乎關(guān)系到世界的每個部分，觸碰了人們生活的方方面面。颶風(fēng)、閃電、汽車引擎、眼鏡、摩天大廈、足球，甚至包括我們怎么走、怎么跑，所有這一切都要服從科學(xué)規(guī)律的安排。在諸如核武器這樣的話題或者有關(guān)宇宙起源的最新理論面前，物理學(xué)和我們?nèi)粘Ｉ畹年P(guān)系往往顯得黯然失色。“我們世界中的物理”這套叢書的目標(biāo)就是去探究物理學(xué)應(yīng)用的各個方面，描述物理學(xué)如何影響科技、影響社會，如何幫助人們理解宇宙及其各個相互聯(lián)系的組成部分的性質(zhì)和行為。叢書覆蓋了物理學(xué)的主要分支，包括如下主題：◆力學(xué)與動力學(xué)◆電學(xué)與磁學(xué)◆時間與熱動力學(xué)◆光與光學(xué)◆原子與材料◆粒子與宇宙“我們世界中的物理”叢書的每一冊都闡釋了有關(guān)某個主題的基本概念，然后討論了這些概念的多種應(yīng)用。雖然物理學(xué)是數(shù)學(xué)類學(xué)科，但這套叢書主要聚焦于思想的表達(dá)，而數(shù)學(xué)知識并不是重點，書中只涉及一些簡單的等式。讀者并不需要具備專門的數(shù)學(xué)知識，當(dāng)然，對于初等代數(shù)的理解在有些時候還是很有幫助的。實際上，每一冊可以討論的話題的數(shù)量幾乎是無限的，但我們只能選取其中的一部分。令人遺憾的是，不少有趣的東西就這樣不得不被省略掉。然而，叢書的每一冊都涉獵了非常廣泛的材料。我曾經(jīng)參加過一個討論會，會上一位年輕學(xué)生問教授們，是否需要備有最新版本的物理教科書。有一位教授回答說，不，因為物理學(xué)的原理“多年來一直沒有改變”。這個說法大體上是對的，但這只是對物理學(xué)的效力的一個證明。物理學(xué)的另一個支撐來源于建立在這些原理之上的令人吃驚的諸多應(yīng)用，這些應(yīng)用仍在不斷擴展和變化，其速度之快非同尋常。蒸汽機已經(jīng)讓位給了用在跑車和戰(zhàn)斗機上的強大內(nèi)燃機，而電話線也正在被光導(dǎo)纖維、衛(wèi)星通訊和手機等取代。這套叢書的目標(biāo)就是鼓勵讀者去發(fā)現(xiàn)物理學(xué)在各個方面、各個領(lǐng)域所起的作用，現(xiàn)在的、過去的以及不遠(yuǎn)的將來的。

內(nèi)容概要

　　《我們世界中的物理·原子與材料》的獨特之處在于作者將看似無關(guān)的原子彈、航天飛機、防彈背心甚至科幻小說中的“太空升降機”聯(lián)系在一起，一步步系統(tǒng)地講解了材料科學(xué)的相關(guān)知識。也許有很多人認(rèn)為物理既難學(xué)又無趣，但是當(dāng)你翻開這套書就會發(fā)現(xiàn)，原來課本上學(xué)到的物理知識不僅僅是用來做題或應(yīng)付考試的。生活中的方方面面都離不開物理原理。也許你還沒有意識到，在學(xué)習(xí)了幾年中學(xué)物理之后，你已經(jīng)幾乎能夠解釋生活中遇到的任何狀況。《原子與材料》關(guān)注的是我們身邊各式各樣的材料。作者都通過大量生動翔實的例子，一一說明了組成材料的原子和不同材料的性質(zhì)及應(yīng)用。

作者簡介

凱爾·柯克蘭德博士(Kyle Kikland)，1998年在賓夕法尼亞大學(xué)獲得神經(jīng)科學(xué)的博士學(xué)位，主要研究方向是視覺系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他的跨學(xué)科背景和興趣促使他發(fā)表了關(guān)于科學(xué)的歷史以及科學(xué)在當(dāng)前和未來對社會的影響等多篇文章。凱爾·柯克蘭德同時也是Facts On File出版公司出版的“科學(xué)與技術(shù)焦點”叢書中的《光學(xué)》一書的作者之一。

書籍目錄

前言鳴謝簡介1 原子物理與分子物理看見原子：掃描隧道顯微鏡關(guān)于元素周期表粒子束原子成分核能分子力 納米技術(shù)神奇的旅程2 物質(zhì)的相物質(zhì)：原子的集合相變氣體：前進(jìn)，火箭液體：保持車輪轉(zhuǎn)動固體：制造塑像動力、電視、核聚變中的等離子體3 水生命中最重要的分子極性分子爬上細(xì)管：毛細(xì)管作用昆蟲如何行走在水面之上冰和雪“播種”雨云，收獲雨水4 材料刀劍、飛機、硬幣——文明中的金屬測量材料強度玻璃與陶瓷塑料：長鏈分子聚合合成纖維凱芙拉與防彈背心復(fù)合材料為航天飛機護(hù)航：耐熱板假體：人造肢體未來的材料5 建筑古代“摩天大廈”混凝土與鋼現(xiàn)代摩天大廈太空升降機——未來之塔結(jié)語元素周期表化學(xué)元素表譯者感言

章節(jié)摘錄

1　原子物理與分子物理科學(xué)家總是傾向于相信可以看見或體驗到的事物。但是，在還沒有人見到哪怕一個原子之前，科學(xué)家就已經(jīng)確信它存在。盡管不能直接看到原子，人們還是能從其他方面意識到它的存在?；衔镉梢恍┰亟Y(jié)合形成，物質(zhì)從根源上說由微小粒子構(gòu)成。英國化學(xué)家約翰·道爾頓(john　Dalton，l766-1844)以及其他研究物質(zhì)的化學(xué)家、物理學(xué)家提出，每種基本化學(xué)元素對應(yīng)一種特定粒子?？雌饋磉@些物質(zhì)微粒是可能存在的最小物體，不可再分，故稱其為原子(atoms)，源自希臘語atomos一詞，意為不可分的(中文“原子”一詞即本原之意，相應(yīng)的可以再分的稱為分子)。證實原子的確存在之后，儀器和檢測手段的改進(jìn)，使科學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)了更多關(guān)于原子的知識，包括原子并非真的不可再分。物理帶領(lǐng)人們在原子王國中進(jìn)行奇妙旅行：原子是由更小的粒子構(gòu)成的，這些粒子可以形成非常有用的粒子束；原子可以被劈開，同時釋放出巨大能量，這些能量既用于創(chuàng)造，也用于毀滅。原子和分子的微觀模型仍非徹底清楚，在人類的生產(chǎn)實踐深入到微觀物質(zhì)領(lǐng)域后，微觀模型的重要性日顯突出，現(xiàn)在物理學(xué)家根據(jù)已有知識可以創(chuàng)作出原子的圖像?？匆娫樱簰呙杷淼里@微鏡想在普通光線照明下看見一個物體，這個物體要么能夠自己發(fā)光，要么能夠反射其他發(fā)光物體發(fā)出的光線，除此之外別無他法。原子太小，不能發(fā)出足夠光線，即使使用最強大的光學(xué)顯微鏡也無法聚集這些微弱的光。通常，原子的尺寸以納米(nanometer，縮寫為nm)為單位，l納米是1米的10億分之一。

后記

人類一直希望制造持久耐用、契合最佳、功能最強的物品，這一目標(biāo)和材料科學(xué)息息相關(guān)。不論是原子之類的粒子，還是尼龍之類的纖維，抑或不銹鋼之類的合金，這些材料的性質(zhì)決定了由其制成的物品的性質(zhì)。合適的材料就是能夠使某種工具、馬達(dá)或建筑成為現(xiàn)實的那種物質(zhì)。我們在第2章討論了物相。物相，或稱物態(tài)，使同一種材料顯示出不同的性質(zhì)。固態(tài)的金屬與加熱后變成液態(tài)的金屬完全不同。對于地球生命具有重要影響，專門在第3章單獨討論的水則擁有更加豐富的形態(tài)。水在大氣中以氣體水蒸氣形式存在；在河流和海洋中是液態(tài)的；在冰川中則是固態(tài)的。相變使物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有時這種變化是明顯的，比如液態(tài)的水凝結(jié)成為固態(tài)的冰，有時變化卻是微妙而難以察覺的。不論屬于哪種情況，相變都會對物質(zhì)的性質(zhì)產(chǎn)生巨大影響，導(dǎo)致全新的物質(zhì)出現(xiàn)。1991年上映的電影《終結(jié)者2》中塑造了一個金屬機器人，這個機器人可以改變形狀，幾乎可以模仿任何物體。從人到直升機，機器人通過流動完成變形過程。在變形時，機器人體內(nèi)的金屬是液態(tài)的，僅當(dāng)變形完成之后，金屬原子才鍵合在一起成為固體。普通金屬不能像科幻電影中表現(xiàn)的那樣發(fā)生變化。第四章詳細(xì)地討論了金屬材料，大部分金屬在室溫下是固態(tài)晶體，原子間通過強烈的金屬鍵相連。加熱可以破壞金屬鍵，當(dāng)溫度升高至某種金屬的熔點之上，這種全屬便會熔化成為液體；否則金屬是不會流動的。《終結(jié)者2》中的金屬的性質(zhì)更像玻璃，第4章也介紹過，玻璃內(nèi)部缺乏晶體結(jié)構(gòu)，是無定形物(沒有固定形狀)。玻璃只要稍微加熱就會流動。即使保持固態(tài)，由于沒有規(guī)則的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，玻璃的性質(zhì)也和液體十分相似。但是無定形的金屬尚未發(fā)現(xiàn)。1992年，加州理工大學(xué)的威廉·約翰遜(WilliamJohnson)教授、阿塔卡·彼得(AtakanPeter)及其他同事制造了一種固化時不形成結(jié)晶的金屬，這種金屬稱為液體金屬合金，一家位于加州森林湖的名為液體金屬技術(shù)的公司目前正在生產(chǎn)、銷售這種材料、液體金屬類似玻璃的性質(zhì)使其比其他金屬更加容易切割成型，并且可以保持并記憶原有形狀，在彎折變形后可以自動恢復(fù)原狀。液體金屬更易加工，因為這種金屬容易流動，熔點低于其他晶體金屬，加工過程簡單。其他具有應(yīng)用價值的屬性還包括抗腐蝕性以及卓越的強度和硬度?，F(xiàn)在這種金屬用于制造小型閃存(存儲數(shù)字信息的設(shè)備)的保護(hù)外殼。盡管目前液體金屬的應(yīng)用范圍有限，但是隨著性質(zhì)的進(jìn)一步完善，這種材料的用途將會十分廣泛。像《終結(jié)者2》中的機器人一樣完全改變外形暫時無法實現(xiàn)，但是在某些情況中，即使形狀只發(fā)生微小的改變也是大有裨益的。例如，高速飛行的太空飛船必須擁有堅硬的外殼以阻擋碎石或星體碎片的撞擊。碎石和飛船的相對速度很大，足以使碎石刺穿船體造成慘劇：船內(nèi)的空氣外溢到真空中，導(dǎo)致宇航員暴露在真空中窒息而亡(或被自身的氣壓撕碎)。這一可能對于美國宇航局正在籌備的登陸火星計劃尤為重要，因為登陸火星需要接近太空中含有大量碎石的區(qū)域。但是，即使使用較厚的外殼也不能保證飛船可以承受撞擊，而外殼增加了飛船的重量，使飛船發(fā)射的效率降低、成本升高。然而，玻璃樣金屬在撞擊中不會產(chǎn)生致命損傷。即使撞擊導(dǎo)致金屬上出現(xiàn)孔洞，金屬也可以通過流動在大量空氣外溢之前將孔洞填補完好。這種具有自我修復(fù)功能的外殼既可以提供保護(hù)，又不會使飛船重量增加。自我修復(fù)飛船和可以變形的建筑僅是未來材料可能實現(xiàn)的眾多功能中的兩種。新材料的出現(xiàn)總是會帶來設(shè)備的改進(jìn)和創(chuàng)新，比如青銅劍、玻璃瓶、塑料袋和噴氣式引擎等等。隨著對原子的深入了解，以及原子如何相互作用形成地球和宇宙中難以計數(shù)的已知和未知的物質(zhì)，人類終將實現(xiàn)隨心所欲建造任意物品的目標(biāo)。

編輯推薦

《我們世界中的物理·原子與材料》由上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社出版。

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