【科学讲堂】「变态」靠起点 无杂质难入手

2018-03-31 03:22:55  阅读 11 次 评论 0 条

  固体液体气体改变形态 都要由「与别不同」处引发

  不知道大家有没有见过盐的结晶 ?当盐从溶解于水的形态转换到固体形态的时候,盐自身的特性会逼使它们以某一种的形式排列在一起,形成一粒一粒晶体。今天就和大家讨论一下结晶以及一些相类的现象。

  可发生但不发生

  结晶的出现,很多时候始于某一种固体(比方说盐)大量溶于另一种溶剂(例如水)中。当溶剂慢慢蒸发掉,或是慢慢冷却下来,就无法继续容纳早已溶解的固体;这些时候,部分固体就会被「逼」出来,形成结晶,不再溶解于液体中。但是倘若溶液十分均匀,没有杂质,那幺纵使到了可以结晶的情况,晶体也会「群龙无首」,不知道哪里先开始结晶,反而会进入了一个「敌不动,我不动」的状态:结晶现象可以随时随地发生,但是却又没有发生。当然现实中液体大多含有杂质,结晶因此会以这些杂质为中心开始。

  在学校做实验的时候,我们更会加入一些小的晶体,人工地引入「结晶的起点」。

  无尘便无云 水至清怎结冰?

  这种「需要一个起点」的现象并不只限于固体从溶液中结晶出来:比如说从气态凝结成液体,也需要一些「起点」去开始。物理学家为了测量在实验中被製造出来,或是来自宇宙射线的粒子,在过往利用这个原理设计了云室(cloud chamber)这种装置:在一个密闭的空间中注入水蒸气或是酒精,然后将它们带到「将要凝聚成液体却又还没发生」的状态(例如用乾冰将它们冷却到较低温)。

  拥有高能量的粒子穿过云室的时候,会激使附近的粒子变成带电的离子;本来已是蠢蠢欲动的水蒸气或是酒精就会马上在这些离子附近凝结成「水滴」,将高能量粒子走过的路径显示出来。水蒸气在高空形成云,也需要面对相同的问题。不知是幸还是不幸,天空中当然总会有些尘埃之类的粒子;水蒸气就以它们为中心,慢慢凝聚成各种各样的云。

  这个原理也应用于沸腾的现象之上。水可能已被加热到可以沸腾的地步,但同样也需要在一些特别的地方才开始进入气态。这就是为什幺我们不应用微波炉去加热蒸馏水:蒸馏水理论上不含杂质,而微波炉顾名思义,运用微波令所有水分子一起摩擦生热,因而能较均匀地令水分及食物升温。

  用微波炉加热蒸馏水,由于没有「特别的起点」去开始沸腾,有些时候蒸馏水其实早已热得不可开交,快要变成蒸气了,但表面上却是无比平静,看不出一点玄机。这种情况对我们很是不利:我们可能会毫无戒备地伸手去拿微波炉中的这杯水,但是一碰到水杯的时候就会破坏了它的平衡,令杯中的水突然沸腾;这些热水更有可能从杯中溅出,烫伤我们。

  小 结

  今天的讨论,隐隐涉及了「对称」这个概念:假若一个物料真的是处处一样,互相对称,那幺某一点就不会无缘无故地变得「与别不同」。不过这样「均称」的物料并不一定是稳定的:轻轻的随便一晃,就可能激起物料形态的转变了。 ■张文彦博士

  作者简介:香港大学土木及结构工程学士。短暂任职见习土木工程师后,决定追随对科学的兴趣,在加拿大多伦多大学取得理学士及哲学博士学位,修读理论粒子物理。现任香港大学理学院讲师,教授基础科学及通识课程,不时参与科学普及与知识交流活动。

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