請勿用於盈利之目的 CALTECH 費曼物理第一冊
請 勿 用 於 盈 利 之 目 的 費曼物理 第一冊
請勿用於盈利之目的 录 第1章原子的运动……… 7-2开普勒定律… 1 7-3动力学的发辰 81-2数质是原子构成的 7牛顿引力定律……… 1-3原子过程 §7-5力有引力… 67 器1-4化学反应……… §7-6开文迪士实验 算2章基本物理 §77什么是引力? 82-1引言 87-8引力与相对论 s221920年以前的物理 12!第8章运动 §2-3量子物理学… 5 §8-1运动的描述 §2-≤原子核与粒子… 88-2速率 第3章物理学与其他科学的关系……1 §8-3速率作为导数……… 83-1引言 8-4离作为积分…… §3-2化学 §85加速度 3-3生物学……… 2}第9章牛顿的动力学定∷… 5 §34天文学………… §9-1动量和力 §3-5地质学…… 89-2速率与速度… §3-6心理学… §9-3速度、加速度以及力的分运 3-7情况何以会如此? 39-4什么是力? 第4章能量守恒 §95动力学方程的含义………489 §4-1什么是能量…… §9-6方程的数值解………… §42重力势能 97行星运动……… 84-3动能…………… 6第10章动量守恒 44能量的其低形式 §10-1牛顿第三定徘 第5章时间与距离 §10-2动量守恒 85-1运动…… §10-3动量是守恒的!………… §5-2时间 §10-4动量和能量 85-3短的时间………… 10-6相对论性动量 …103 §5-4长的时间 13箅1章矢量………………106 855时间的单位和标准 §1-1物理学中的对称性 856长的距离 §2平移 §5-7短的距高… §11-3转动………… 第6章几宰 §11-4矢量…… §61机会和可能性 §11-5矢量代数…………… §6-2起伏 11-6牛顿定律的矢量表示法……13 86-3无规行走 §11-7矢量的标积………………14 364几率分布 第12章力的特性 命q、 ……17 6-5测不准原理……………………61 812-1什么是力 117 第了章万有引力理论………… 812-2·摩擦 19 省7-1行墓运动…………… 813分乎力…………
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费曼物理学诉义(第一卷 勿 12-4葚本力,场 619-4转动动能 §L2-5飘力… …36第20章空间转动………194 §126核 128 §20-1三维空间中的转矩 19 於第13章功与势能(上) §202用叉积表示的转动方 197 §131落体的能量………… §203回转器 §13-2万有引力所作的功 13] 利 §204圉体的角动量… §13-3能量的求和…… 第21章谐振子 之 813-4巨大物体的引力… 8a1-1线性微分方程… 203 第14章功与势能(下)……………139 §a1-2诸振子…… 20 814-1功 §21-3简谐运动和阿周运动 205 §I4-2约束运动 821-4初始条件 ………205 §1±-3保守力 821-5受迫振动 §144非保守力 144 §14-5势与场…… 145第22章代数学 §221加法和乘法 28 第15章狭义相对论………………148 822-2逆运箕… 柞对性原理… §223抽象和推广 §152洛伦兹变换………………150 §22-4无理数的近似汁算………… §15-3迈克耳其惯实验 §22-5复数 8154时间的变换 §226虚指数 8L55洛伦兹收缤 §15-6同时性… 15第23章共振… §15-7四维矢量…… §23-1复数和简谐运动 835-8相对论动力学 §28-2有阻尼的受迫振子 §159质能相当性 8233电共振 第16章相对论中的能量与动景………169 §234自然界中的共振现象 5161相对论与哲学家……………1第24章瞬变态 816-2孪生子佯谬… 161 §24-1振子的能量 §16-3遮度的变换 162 8242阻尼振动…………………… §16-4相对论性质量 §24-3电瞬变态 165相对论性能量… 16第25章线性系统及其综述……235 第17章空间-时间 §25-1线性微分方程 §17-1空-时几何学……………………169 §25-2解的迭加 §17-2空时间隔 8253在线性系统中的振动………239 817-3过去,现住和将米 ……172 8264物理学中的类比………… 8174四维矢量的进一步讨论 173 §25-5串联和并联阻抗 817-5四维矢量代数…… …176第26章光学:最短时间原理…241 第18章两维空间中的转动……178 26-1光 178 §36-2反射与折射…… 18-2刚体的转动… §263费马最短时同原理 83角动量… 1s2 26-4费马原理的应用 818-4角动量守恒……………………183 826-5费马原理的更精确表述………251 第19章质心.转动惯册 §266最短时间原理是怎样起作用的…352 19-1质心的性质…………185第27章几何光学 19-2质心位置的确定……… 187 §27-1引言……… §193转动贺量的求法 188 §27-2球面的焦距…………
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§27-3透镋的熊距… §33-7反常折射 請勿用於盈利之目的 327-4放大率 58第84章辐射中的相对论性效应…319 §27-5透镜组… §341运动辐射源… §27-6象差 §34-2求“表观”运动 8277分辨本领 2i0 §34-3同步加速器辐射 第28章电磁辐射… §34-宇宙中的同步加速器辐射 §28-1电磁学…………… 269 884-5轫致輛射………… §28-2辐射 834-6多普勒效应… 28-3偶极辐射子 834-7,k四元矢量… 28-4于涉……………… §丑48.光行差 第29章干涉 …269 §49光的动量 8291电磁波…………………289第85章色视觉……………31 292辐射的能量 §35-1人眼 §29-3正弦波 §35-2顏色依赖于光的强度 §29-4两个偶极辐射子… 271 §353色感觉的测量… 33 829-5千涉的数学……… 835-4色品图……… 第3章衍射 §355色视觉的机制 338 §80-1n个相同振子的合振幅 8356色视觉的生理化学……………39 30-2衍射光栅 279第36章视觉的机制 §30-3光栅的分辨本领 §361颜色的感觉 349 §30-4抛物形天线 §36-2眼睛的生理学… 344 30-5彩色薄膜,晶体……… §36-3杆状细胞……………………347 830-6不透明屏的行射 §36-4(昆虫的)复眼………… …348 §30-7振荡电荷组成的平面所产生的 §36-5其他的眼睛 §366视觉的神经学 第31章折射率的起源 ….第37章量子行为………356 31-1折射率… §37-1原子力学………… 831-2物质引起的场 §37-2子弹的实验… §31-3色散 §37-3波的实验 §3-4吸收…………… 电子的实验 §31-5电波所携带的能量 §37-5电子波的于涉 81-6屏的衍射 §37-6追踪电子……………… 362 第32章辐射阻尼,光的散射 300 §37-7量子力学的基本原理……:65 §37-8测不准原理 §怒2-L辐射电阻…………… …300 §3?能量辐射率……… 301 第38章波动观点与粒子观点的关 §323辐射阻尼 系 §32-4独立的指射源 §381几率波輻 368 §325光的散射 §38-2位置与动量的测量 第33章偏振……………309 8383晶体衍射… s33-1光的电矢量 38-4原子的大小…………………………373 5332散射光的偏振性 ………310 8385館级… §33-3双折射 811 §B8-6哲学含义………175 833-4起偏振器 812第89气体分子运动论 →378 s33-5旋光性 339-1物质的性质… 978 33-6反射光的强度 §39-2气体的压强… 79
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10 贵曼物理学讲义(笫一卷) §39-8射的缩性 846-4不可逆性…… 請勿用於盈利之 §9-4温和动能 §46-5序与熵 3-5逃怎气体定律 37第47章声波动方程 第么0章统计力学原理 847-1波 §401大气的指数变化律 §47-2声的传播 §402玻尔兹曼定律 547-3波动方程 §403液体的蒸发…… 847-波动方程的解………… §404分子的速宰分有……… 47-5声速 §40-5气体比热… …896第48章拍 479 40-6经典物避的失败 §48-1两列波的 第41章布朗运动 ∴401 §48-2拍符和调制 §41-1能量均分…………… §483旁频带…… §红-2辐射的热平衡……… 403 §48-±定域武… §41-3能量均分与量子振子… 848-5粒子的几率悟 84L-4无规行走 848-6三维空间的波 第42章分子运动论的应用 112 §487简正模式 §42-1蒸发 第县8章波模 8422热离子发射 §49-1波的反射 2-3热电离… 416 §49-2具有回有频率的约·……482 424化学动力学… 849-3二维波模 §42-5爱因斯坦辐射律 8494耦合摆 第43章扩散… ……422 849-5线性系统 §43-1分子间的碰楦… 第50章谐波 8432平均自由程… §50-1乐音 §43-3漂移速率 8502傅里叶级数 §43-4离子导电性 §50-3音色与谐和 843-5分子纩散… 350-4傅里叶系数 843-6热导率 E50-5能量定理…… 第44章热力学定徫………………432 §50-6非线性响应…… 841热机第一定律……42第65章波…… 499 §44-2第二定律 851-1舷波…… §443可逆机 …435 851-2冲击波 50 §444理想热机的效率· 851-3体中的波…… …5 §44-5热力学温度 851-4表面波… 844-6熵· 4第52章物定律的对称性…500 第46章热力学示例…………445 §521对称操作…………………………5)9 852-8空间与时间的心物 多45-1内能 845-2应用 8523对称性与守恒定律 45-3克劳胥斯-克拉珀龙方程 §524销面反射∽ §52-5极矢量与轴矢量… 第46章棘轮和掣爪 ……54 852-6哪一只是右手1 846-1棘轮是怎样工作的… §52-7宇称不守恒!……………… §46-2作为热机的棘轮…… 8528反物质… 463力学中的可逆性……… §52-9不完整的对称
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請勿用於盈利之目的 原子的运动 §1-1引言 这是一门两学年的物理课,我们开设这门课程是着眼于你们,读者们,将成为物理学工 作者.当然,情况并非一定如此,但是每门学科的教授都是这样设想的!假如你打算成为一 个物理学工作者,就要学习很多东西;这是一个200年以来空前迷勃发展的知识领域.事实 上,你会想到,这么多的知识是不可能在泗年内学完的,确实不可能;你们还得到研究院去继 续学习, 相当出人意外的是,尽管在这么长时间中做了极其大量的工作,但却有可能把这一大堆 成果大大地加以浓缩.这就是说,找到一概括我们所有知识的定律.不过,即使如此,掌 握这些定律也是颇为困难的.因此:在你对科学的这部分与那部分题材之间的关系还没有 个大致的了解之前就让你去钻研这个庞大的课题的话,就不公平了.根据这种看法,前 章将略述物理学与其他科学的关系,各门学科之间的相互联系以及科学的含义,这有助于你 们对本学科产生一种切身的感受 你们可能会问,在讲授欧几里德几何时,先是陈述公理,然后作出各种各样的推论,那为 什么在讲授物理学时不能先直截了当地列出基本定律,然后再就一切可能的情况说明定律 的应用呢?(这样一来,如果你不满足于要花四年时间来学习物理,那你是否打算在4分钟 内学完它?)我们不能这样做是由于两个理由.第一,我们还不知道所有的基本定律未知领 域的边界在不断地扩展。第二,正确地叙述物理定律要涉及到一些非常陌生的概念,而叙述 这些概念又要用測高等数学.因此,即使为了知道词的含义,也需要大量的预备性的训练 的确,那样做是行不通的,我们只能一步一步地来 大自然整体的每一部分始终只不过是对于整个真理一或者说,对于我们至今所了解 的整个真理一一的逼近.实际上,人们知道的每件事都只是某种近似,因为我们懂得到日 前为止,我们确实还不知道所有的定律因此,我们之所以需要学习一些东西,正是为了要抛 弃以前的谬见,或者更可能的是为了改正以前的谬见 科学的原则—或者简直可称为科学的定义为:实验是一切知识的试金石.实验是科 学“真理”的唯一鉴定者.但是什么是知识的源泉呢?那些要检验的定律又是从何而来的 呢?从某种意义上说,实验为我们提供了种种线索因此可以说是实验本身促成了这些定律 的产生但是,要从这些线索中作出重大的判断,还需要有丰富的想象力去对在所有这 些线索后面的令人惊讶、简单、而又非常奇特的图象进行猜测,然后,再用实验来验证我们的 猜测究竟对不对,这个想象过程是很艰难的,因此在物理学中有所分工,理论物理学家进行 想象、推演和猜测新的定律,但并不做实验;而实验物理学家则进行实验、想象、推演私猜 测 我们说过,自然的定律是近似的:起先我们找到的是“错”的定律然后才发现“对”的定 律.那么,一个实验怎么可能是“错误”的呢?首先,通常是:仪器上有些毛病,而你又没有注
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费曼物理学讲义(第卷) 勿 意,但是这种间题是容易确定的,可以反复检查.如果不去纠缠在这种次要的问题上:,那么 实验的结果怎么可能是错误的呢?这只可能是由于不够精确罢了.例如;一个物体的质量 似乎是从来不变的:转动的陀螺与静止的陀螺一样重.结果就发现了一条“定律”:质量是个 於 常数,与速率无关.然而现在发现这条“定律”却是不正确的.质量实际上随着速度的加大 盈而增加,但是要速度接近于光速,才会显著增加正确的定律是:如果一个物体的速军小于 利100海里/秒,那么它的质量的变化不超过百万分之一,在这种近似形式下,这就是一条正 之确的定律.因此,人们可能认为新的定律实际上并没有什么有熹义的差别.当然,这可以说 对,也可以说不对,对于一般的速率我们当然可以忘掉它而用简单的质量守恒定律作为 种很好的近似,但是对于高速情况这就不正确了:速率越高,就越不正确 最后,最有趣的是,就哲学上而言,使用近似的定律是完全错误的.纵然质量的变化只 是一点点,我们的整个世界图景也得改变.这是有关在定律后面的哲学或基本观念的一件 十分特殊的事.即使是极小的效应有时在我们的观念上也要引起深刻的变化 那么,我们应该首先教什么呢?是否应先教那些正确的、陌生的定律以及有关的奇特而 困难的观念,例如相对论,四维时空等等之类。还是应先教简单的质量守恒”定律,即那条 虽然只是近似的,但并不包含那种困难的观念的定律?前一条定律比较引人入胜,比较奇特 和比较有趣,但是后一条定律在开始时比较容易掌握,它是真正理解前一种观念的第一步 这个问题在物理教学中会一再出现,在不同的时候我们将要用不同的方式去解决它.但是 在每个阶段都值得去弄明白:我们现在所知道的是什么,它的正确性如何,它怎样适应其他 各种事情,以及当我们进一步学习后它会有怎样的变化 让我们按照我们所理解的当代科学(特别是物理学,但是也包括周围有关的其他科学) 的轮廓继续讲下去,这样,当我们以后专门注意某些特殊问题时,就会对于背景情况有所了 解——为什么这些特殊问题是有趣的,它们又是怎样适应整体结构的 那么,我们世界的总体图象是怎样的呢? §1-2物质是原子构成的 假如由于某种大灾难,所有的科学知识都丢失了,只有一句话传给下一代,那么怎样才 能用最少的词汇来表达最多的信息呢?我相信这句话是原子的假设(或者说原子的事实,无 论你愿意怎样称呼都行):所有的物体都是用原子构成的—这些原子是一些小小的粒子, 它们一直不停地运动着.当彼此略徽离开时相互吸引,当彼此过于挤紧时又互相排.只 要稍微想一下,你就会发现,在这一句话中包含了大量的有关世界的信息 为了说明原子观念的重要作用,假设有一滴直径为1/4英寸的水滴即使我们非常贴近 地观察,也只能见到光滑的、连续的水,而没有任何其他东西.并且即使我们用最好的光学 显微镜(大致可放大2000倍)把这滴水放大到40英尺左右(相当于一个大房间郑样大),然 后再靠得相当近地去观察我们所看到的仍然是比较光滑的水,不过到处有些足球状的东 西在来回游动,非常有趣.这些东西是草履虫.你们可能就到此为止,对草履虫以及它的摆 动的纤毛和卷曲的身体感到十分好奇.也许除了把草屐虫放得更大一些看看它的内部外 就不再进一步观察了.当然这是生物学的课题,但是现在我们继续观察下去,再把水放大 2000倍更接近地观察水这种物质本身.这时,水滴已放大到有15英里那样大了,如果你再 十分贴近地观察你将看到水中充满了某种不再具有光滑外表的东西而是有些象从远处看
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第1 的送动 勿过去挤在足球场上的人群.为了能看出挤满的究竞是些什么东西,我们再把它放大20倍 后就会看到某种类似于图11所示的情形,这是放大了 10亿倍的水的图象,但是在以下这几方面是理想化了的 於首先,各种粒子用简单的方式画成有明显的边缴这是不精 盈确的.其次,为了筒便起见,把它们都画成二维的排列,实 8 利际上它们当然是在三维空间中运动的注意在图中有两类 之“斑点或圆,它们各表示氧原子(黑色)和氢原子(自色),而 每个氧原子有两个氢原子和它联结在一起(一个氣原子与 放大10亿倍的成 两个氢原子组成的一个小组称为一个分子).图象中还有 图1-1 个被理想化的地方是自然界中的真实粒子总是在不停地跳动,彼此绕来绕去地转着,因而 你必须把这幗画面想象成能动的而不是静止的.另一件不能在图上说明的事实是粒子为 “粘在一起”的,它们彼此吸引着,这个被那个拉住等等,可以说,整个一群胶合在一起另 一方面,这些粒子也不是挤到一块儿,如果你把两个粒子挤得很紧,它们就互相推斥 原子的半径约为1~2×108厘米,10-8厘米现在称为1A(这只是另一个名称,所以 我们说原子的半径为1~2A.另一个记住原子大小的方法是这样的如果把苹果放大到地 球那样大,那么苹果中的原子就差不多有原来的苹果那样大 现在想象这个大水滴是由所有这些跳动的粒子一个挨一个地粘合”起来的,水能保持 定的体积而并不散开,因为它的分子彼此吸引.如果水滴在一个斜面上,它能从一个位置 移动到另一个位置.水会流动,但是并不会消失一它们并没有飞逝因为分子之间有吸引 力.这种跳动就是我们所说的热运动.当温度升高时, 这种运动就增强了、如果我们加热水滴,跳动就增邡,原 子之间的空隙也增大,如果继续加热到分子间的引力不 足以将彼此拉住时,它们就分开来飞散了,当然,这正是 我们从水制取水蒸气的方法—提高温度.粒予由于运 动的增强而飞散.图1-2是一幅水蒸气的图象.这张水 水蒸气 蒸气图象有一个不足之处:在通常的气压下在整个房间 图1-2 里只有少数几个分子,决不可能在这样一张图象中有三 个以上的分子.在大多数情况下,这样大小的方块中可能连一个都不会有一不过碰巧在 这张图中有两个半或三个分子(只有这样图象才不会是完全空白的).现在,比起水来在水 蒸气的情况下,我们可以更清楚地看到水所特有的分子.为了简单起见,将分子画成具有 120°的夹角,实际上,这个角是105°3,氢原子中心与氧原子中心之间的距离是0957X. 这样看米,我们对这个分子了解得很清楚了 让我们来看一下,水蒸气或任何其他气体具有一些什么性质.这些气体分子是彼此分 离的,它们打在墙上时,会反弹回来.设想在一个房间里有一些网球(100个左右)不断地来 回跳动,当它们打到墙上后,就将墙推离原位(当然我们必须将墙推回去).这意味着气体 施加一个“颤动”的力,而我们的粗糙的感官(并没有被我们自已放大十亿倍)只感到一个平 均的推力.为了把气体限制在一定的范围之内,我们必须施奶一个压力.图1-8是一个盛 气体的标准容器(所有教科书中都有这种图),一个配有活塞的汽缸,由于不论水分子的形 状如何,情况都是-样,因此为简单起见,我们把它们画成网球形状或者小黑点.这些尔酉
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费曼物理学讲义(第一卷 勿游着所有的方向不停地运动着,由于有这么多的气体分子一直在维击顶端的话熟,建要 使活塞不被这种不断的碰撞逐渐顶出来必须施加一定的力把活塞压下去, 这个力称为压力(实际上,是压强乘以面积).很清楚,这个方正比于面积 於K四因为如果我们增大面积而保持每立方厘米内的分子数不变的话,那么分子 利 "“与活塞碰撞次数增加的比例与随积增加的比例是相同的 现在,让我们在这个容器内放入两倍的分予,以使密度增期一倍,同时 之 l·让它们具有同样的速度,即相同的温度.那么作为一种很好的近似碰拉 的次数也将增加一倍,由于每次碰撞仍然和先前那样有力”,压力就正比于 图1-3密度如果我们考底到原子之间的力的真实性质,那么由于原子之间的吸引 可以预期压力略有减少;而由于累子也占有有限的体积,则可以预朔压力略有增加,无论如 何,作为一个很好的近似如果原子较少,密度足够低,那么,压力正比于密度 我们还可以看一下其他悖况.如果提高温度而不改变气体密度,亦即只增加原子的速 度,那么在压力上会出现什么情况?当然,原子将撞击得更剧烈一些,因为它们运动得更快一 些.此外,它们的碰撞更频繁了,因此压力将增加,你们看,原子理论的概念是多么简单! 我们来考戀另一种倌况,假定活塞向下移动,原子就慢慢地被压缩在一个较小的空何 里.当原子碰到运动着的活塞时会发生什么情况呢?很显然原子由于碰撞而提高了速率例 如,你可以试→下乒乓球从一个朝前运动的球拍弹回来时的情况,你会发现弹国的速率比打 到球拍上的速率更大一些(一个特例是:如果一个原子恰好静止不动,那么在活塞碰上它以 后,当然就运动了).这样原子在弹离活塞时比碰上去之前更“热”,因此所有容器中的分子 的速率都提高了,这意味着当我们缓慢压缩气体时气体的温度会升高、结果,在缓慢 缩时,气体的温度将升高;丽在缓慢膨胀时,气体的温度将降低 现在回到我们的那滴水上去,从另一个角度去观察一下.假定现在降低水滴的温度,并 且假定水的原子、芬子的跳动逐渐减小.我们知道在原子 之间存在着引力,因而过一会儿,它们就不能再跳得那么 厉害了.图1-4表示在很低的温度下会出现什么样的情况 这时分子连接成一种新的图象,这就是冰.这个特殊的冰 的图象是不正确的,因为它只是二维的,但是它在定性上是 正确的.有趣的→点是,对于每一个原子,都有它的确定位 置.你们可以很容易地设想,如果我们用某种方式使冰滴 端的所有的原子按→定的方式排列,并让每个原子处在 图1-4 定的位置上那么由于互相连接的结构很固,几英里之外(在我们放大的比下)的另一 端也将有确定的位置.如果我们抓住一根冰棍的一端,另一端就会阻止我们把它拉出去这 种情况不象水那样由于跳动加强以致所有的原子以种种方式到处跑米跑去,因而结构也就 被破坏了.固体与液体的差别就在于:在固体中原子以某种称为晶体排列的方式排列着,即 使在较长的距离上它们的位置也不能杂乱无章.晶体一端的原子位置取决于晶体另一端的 与之相距千百万个原子的排列位置图1-4是一种虚构的冰的排列状况,它虽然包括了冰 的许多正确的特征,但并不是真实的排列情况.正确的特征之一是这里具有一种六边形的对 称性你们可以看到:如果把画面绕一根轴转动20°的话,它仍然回到原来的形状因此在 冰里存在着一定的对称性,这说明为什么雪花具有六边形的外表从图1-4中还可以看到为
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第1章厚子的运动 請勿用於盈利 勿什么冰融解时会缩小,在这里列出的冰的品体图祥中有许多“孔”,真实的冰的结构也是如 此,在排列打散后,这些孔就可以容纳分子,除水和活字合金外,许多简单的物质在融解时都 要膨胀,因为在固体的晶体结构中,原子是密集堆积的,而当熔解时需要有更多的空间供原 子活动,但是敞形结构则会倒坍,体积反而收缩了,就象水的情况那样 虽然冰有一种刚性的”绪晶形态,它的温度也会变化—冰也储存热量,如果我们愿意 的话,就可以改变热量的储存、对冰来说,这种热量指的是什么呢?冰的原子并不是静止不 之动的,它们不断地摇晃着、据动着,所以虽然品体存在荐一种确定的次序一一种确定的结 构,所有的娘子仍都在适当的位置”上振动,当我们提高温度时,它们振动的幅度就越来越 大,盲到离开原来的位置为止.我们把这个过程称为熔解,当降低温度时振动的幅度越来越 小,直到绝对零度原子仍能有最低限度的振动而不是停止振动.原子所具有的这种最低的 鬣动不足以使物质熔解,只有一个例外,即氦.在温度降低时,氮原子的运动只是尽可能地 减弱,但即使在绝对零度时也有足够的运动使之不致于凝固除非把压力加得这样大以致将 原子都挤在一起.如果我们提高压力就可以使它凝固 §1-8原子过程 关于从頭子的观点来描写固体液体和气体,我们就讲到这里.然而類子的假设也可以 措写过科,所以我们现在从原子的观点来考察一些过程.我们要考察的第一个过程与水的 画有关,在水的表面有些什么情况呢?设想水的表面上是空气,现在我们来把图画得更复 杂一些一也更实际一些,如图1-5所示,我们看到,水分 子仍然象先前那样,组成大量的水,但现在还看到水的表 面.在水面上我们发现一些东西:首先,水面上有水的分 子,这就是水的蒸气,在水面上总是有水蒸气的.(在水蒸 气与水之间存在着一种平衡,这种乎衡我们以后再讲)此 外,我们还发现一些别的分子:这里是两个氧原子彼此结合盛8 在一起组成一个氧分子,那里是两个氮原子结合在一起组 空气中水的蒸发 成一个氮分子.空气几乎完全是由氮气氧气水蒸气组成 式 的,此外还有少量的二氧化碳、氩气和其他一些气体.所以 图1-5 在水面上的是含有一些水蒸气的气体.那么在这种情况下会发生什么事呢?水里的分子不 断地晃来晃去.有时,在水面上有个别分子碰巧受到比通常情况下更大的冲击而被出 表面.因为图1-5是静止的画面,所以在图上难以看出所发生的事但是我们可以想象表 面刚近的某一个分子刚好受到碰撞而飞了出去,或者也许另一个分子也受到碰撞而飞了出 去.分子一个接着一个地跑了出去,水就消失了—蒸发了.但是如果把容器盖上,过了一 会儿就会发现在空气分子中有大量的水分子.水蒸气的分子不时地飞到水面又回到水中 绪果,我们看到那个看来死气沉沉的、无趣的事情—一一杯盖上的可能已放了二十年的 水—实在包含了一直生气勃勃而有趣的现象.对我们这双肉眼而言看不出有任何变化, 但是如果能放大十亿倍来看的话,我们就能发现情况一直在变化:一些分子离开水面,又 些分子则回到了水面 为什么我们看不出变化呢?因为有多少分子离开水面就会有多少分子回到水面!归根 到底“没有任何事情发生”.如果现在我们把容器盖打开,使潮湿的空气吹走而代之以干燥
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