结构物理 （四）

视频课四  相变原理

百年来，权威学者猜想出了化学键理论，各种原子的连接键种类繁多，表面上牛气十足，可是与温度无关，当问到锡在230℃烙铁下熔化成了液态，其金属键如何解体？水在低温结冰，键是如何建立？面对自然物质普遍存在的相变事实，头头是道的化学键理论集体失声，司空见惯的相变，成了存疑千古的自然之谜。

当今物理学回避、绕过化学键，把物质相变内因笼统地归结为分子的热运动，与温度扯上一点关系，可分子的热运动是液态物质的实验现象，其内因是什么？热怎样使得固体的化学键解体？热是怎样使水蒸发、气化？相变为什么会有固定的温度点，这无规则的分子热运动如何能够导致这极具规律的变化？一直是困惑物理学的世纪难题。

4.1 温度与相变

前两节讨论的金属结构、共价晶体结构，知道固体结构是由价和电子运转所提供的价和力、电磁力所构成。上一节探讨温度是大自然独立存在的专门的场，无处不在、能够对核外电子的运动速率产生作用。温度升高，物质由固体相变成液体，原来的固体结构坍塌，价和力、电磁力丧失、结构垮塌。相变温度是外因，内因当然应该是从价和电子的运转中去探寻力的丧失和垮塌的原因。

相变——物质的结构、状态、特性、相态变化与温度相依相存：

温度——与核外电子速率、线路密切相关，温度高-电子速率高；

结构——物质的结构、状态、液体气化，与核外电子运动密切相关；

那么，相变与温度、结构与温度、核外电子速率、线路与物质相变直接相关；物质的相变-温度-核外电子速率-价和电子运动之间、存在着必然的逻辑联系。之前第二节讨论过：物质构成的力学特性源于且服从价和电子的规律运动，因此，温度改变-价和电子运动的改变-结合力的改变，是导致相变的直接原因。

4.2 探讨相变的困难

 一百年来，电子运转的线路速率是科研禁区，探讨相变不敢涉及电子的运动，而物质的相变与温度有着直接的联系，于是，学者把眼光投向了分子的热运动，想从声子（原 子的振动）入手研究相变，因为声子可能随温度变化，但又要遵循原子无规则振动的理论。无规则的分子热运动、无规则的原子振动，如何能导致这极有规则的变化？事实是：相变具有固定的、特有的温度点，是极有规律的。想从无规则的运动中研究出有规律的相变，实在是异想天开。

量子物理用模糊逻辑-电子云理论绑架了学术，严苛的思想禁锢、强迫洗脑，不准探讨核外电子的运转速率、线路，百年物理忠实执行电子云理论而回避探讨电子规律运动，物理探索者只能用拓扑计算来解读相变，缘木求鱼怎能突破困局？作茧自缚的危害是让研究脱离自然真实、造成探索无门，于是司空见惯的相变就成了困惑科学的自然之谜。

4.3 温度改变-核外电子运动的改变-相变发生

禁锢虽然严苛，但是自然事实铁证如山，温度达到了一定的程度，水能沸腾、钢铁能够熔化。关注，温度导致了相变、温度改变核外电子运动速率。那么就是：温度-相变之间有一个关键的中间项-电子的速率和运动。即：探讨相变必须研讨电子的运转，这个逻辑篤定。

由于有了两个发现：一、原子之间的连接-价和运转形成结构元；二、核外电子的速率随着温度的改变。即：知道了物体构成、原子的连接是价和电子的规律运转；知道了价和电子速率、线路随着温度的改变。我们就可以依据这两个特点来探讨科学之谜-物质的相变。

核外电子运转速率与温度息息相关，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，速率加快了，如何能使得物体的内聚力减小、塑性增加？我们的相变探索面临着温度与内聚力同步变化的探讨。

4.4 固体内聚力的坍塌-熔化

第二节结论：固体的存在是原子之间相互吸引价电子之后、形成结构元之间稳固的结合，有稳定的内聚力。

第三节结论：温度升高，核外电子速率加快。

自然事实是：随着温度升高，蜡烛、沥青会变软；钢铁烧红了也容易煅打，温度升高物体的塑性增加。那么，核外电子速率加快与物体塑性增加内聚力减小，存在必然的内在联系，相变探索面临着温度与内聚力同步变化的探讨。

固体相变成为液态，结构元之间失去了业已存在的、稳定的结构力、内聚力。结构元之间结合力的变化是相变的关键。说到结构力，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，而且这三要素在构成物质的相态上起着至关重要的作用。

一般来说价和电子速率高、价合力和电磁力会加大，那么温度高-速率高、物体内聚力加大，物体结构稳固。为什么速率高、内聚力大没有出现，反而发生物体熔化？没错！别忘了力有三个要素，还有两个关键要素是力的方向、作用点。力的方向不对正、作用点不专一，这个力就会大打折扣，甚至是荡然无存。

在固体物质的内部，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，价和力的方向十分稳定、作用点固定；相邻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，才有了稳定的固体结构。

在金属固体内部，价电子少，只有一两个结构元，但价和电子在稳定的平面轨道上运转，电子运转伴生磁场力的方向十分稳定；所有相邻结构元相互调适在固定的位置，力的三要素稳定，形成了金属体的固体结构。

之前，在讨论气体时，其价和电子是球面运转。现在探讨固体结构价和电子是在平面运转，这从平面到球面的变化应该有一个渐变的过程。物质温度升高、固体在平面运转的价和电子速率越来越快、达到了极限，价电子的运转跃出平面，在一个带状椭圆（黄色）区间内上下扭曲运转，如图4.1右。导致与电子旋转平面垂直的电磁力发生扭曲和晃动，图示上方红色区域，于是，结构元之间电磁力的方向就出现不能正对，遇较大外力时，结构元之间容易移动换位。宏观的表现是物体内聚力变小，塑性增加，趁热打铁就是这个时机。

      图4.1左金属固体及电磁力，右高温下电磁力晃动

4.5  熔化

熔化是物质由固态相变成液态的过程，也是固体的内力丧失的过程。温度继续升高、价和电子扭曲范围更大，与电子旋转平面垂直的电磁力的方向晃动厉害，结构元之间力的三要素中的两要素：力的方向散乱，力的作用点的散漫，物体内力紊乱。同理，相邻结构元的电磁力的方向也紊乱，使得结构元之间的引力不稳，难以支撑原来的结构，在外力的作用下容易发生换位移动，固体结构发生坍塌，宏观的表现是固体物质的熔化。

当温度达到熔点，价和电子的速率更高、运转的扭转的区域更大，使得伴生的电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电磁力支持，如 图4.2（2）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。

图4.2（3） 外椭圆表示结构元橄榄状球体，黄色阴影表示价和电子在空间扭转运动的区域。

图4.2（4）价和电子高速运转、形成了球面包

　  （1）固体     （2）塑性增加    （3）液体      （4）气体

              图4.3 价和电子运动的线路与物质的相态    

图形与下面文字对照：

（1）价和电子在平面稳定运转，伴生的电磁力指向稳定，物质呈固态。

（2）价和电子在窄小黄色带状空间范围内扭曲运转，伴生的电磁力方向不稳，物体塑性增加。

（3）价和电子在大范围鼓状空间扭曲运转，所伴生的电磁力方向晃动、混乱，黄色部分对外相斥，结构元失去固定位置滚动流窜，物质呈液态。

（4）价和电子在空间呈球面扭曲运转，伴生的电磁力方向完全混乱-丧失，包围在球面的电子与相邻球状结构元电子相斥，结构元之间斥力推开距离，物质呈气态。

非金属物质的相变原理与此相同，也是由于温度变化、价和电子运动的改变。固体物质的结构来源于价和电子稳定运动所形成稳定的力，温度变化-价和电子运转发生变化，伴生的结构力发生变化-物质发生了相变。

由此可见，物质的结构和相变，与物理的力学、热学是相辅相成的，过程和逻辑是清晰的。只要注重核外电子在热环境中的规律运动，相变就丝毫不神秘，相变是有理、有序的自然规律。

需说明的是在液体内的原子，仍然以结构元形式存在，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、电磁 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，液体内结构元之间电磁力相对稳定，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电磁力方向的紊乱，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），形成变化惯性，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。

核外电子价和运转规律运动之说，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。我们可以看出以电磁力为主力的金属材料，熔化相对容易（熔点相对低一些）。其原因就在于金属的电磁力结构：独立的结构元，价电子的运转较少受到外界的牵制、干扰。高温之下、容易形成立交运转，造成伴生的电磁力的晃动、容易形成相变。

非金属物质，如：共价晶体，硅；化合物晶体，食盐。的内聚力不是电磁力，不会发生电磁力紊乱的相变，所以非金属结构的物体的熔化相当困难。而且相变之后呈现的是粘稠的熔融状态，不是流动性很好的液体。共价晶体、化合物晶体因为原子之间的结构元多、多个结构元之间关联度高，升温时要所有的价和电子同步加速，结构联系规范、塌陷困难，所以熔点很高。

相变，物质的相态与核外电子的运动状态精确对应，困惑人类数百年的自然之谜从此解开，今后教科书可以自信的告诉孩子：固态，价和电子在平面固定的轨道运转；液态，价和电子在立交轨道运转；气态，价和电子在球面轨道运转。温度降低，电子的运动、物质相态的逆过程完全成立。

2023/3/20