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刀切開物體時,到底切開了什么?是把原子切開了嗎?

 魅力科學(xué)君 2022-01-30

從微觀的角度來看,刀切開物體時,是把原子切開了嗎?當(dāng)然不是,別的不說,就說刀刃的厚度與原子直徑,就根本不是一個數(shù)量級。

舉個例子,我們常用的剃須刀的刀刃最薄處可達0.4微米,也就是4 x 10^(-7)米,這可以說是非常鋒利了,然而原子直徑的數(shù)量級則是10^(-10)米,也就是說,假如我們把原子直徑放大成1厘米,那么相對比例放大后的刀刃最薄處的厚度就有40米,你說這怎么切?

是把原子之間的化學(xué)鍵切開了嗎?也不一定,比如說水分子就是由兩個氫原子和一個氧原子通過化學(xué)鍵結(jié)合而成,如果刀真的能把它們之間的化學(xué)鍵切開,那就意味著,我們只需要用刀不斷地切開水分子的化學(xué)鍵,就可以持續(xù)地產(chǎn)生氫氣和氧氣,很明顯,這也是不現(xiàn)實的。

實際上,從微觀角度來講,刀根本就不能算是“切開”了物體,而應(yīng)該說是刀刃用“擠”的方式破壞了物體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),不過為了方便討論,下面還是用“切開”來進行描述。那刀切開物體時,到底切開了什么呢?其實這個問題需要分情況來看。

先說晶體,晶體是一種常見的固體結(jié)構(gòu),大量微觀粒子(如原子、分子、離子等)通過一定的規(guī)則進行有序排列之后就可以形成晶體,總的來講,晶體可分為金屬晶體、原子晶體、離子晶體以及分子晶體四種類型。

如上圖所示,金屬晶體都是單質(zhì)金屬,在其內(nèi)部的金屬原子通過金屬鍵結(jié)合成一種晶格狀的規(guī)則結(jié)構(gòu)。

原子晶體又稱“共價晶體”,在其內(nèi)部的原子之間通過共價鍵結(jié)合在一起,進而形成一種三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(如上圖所示),比如說金剛石晶體就是原子晶體。

離子晶體則是由離子化合物結(jié)晶而形成的特殊晶體,在其內(nèi)部,大量的正、負(fù)離子會按照一定的規(guī)則通過離子鍵結(jié)合。

我們常見的氯化鈉(食鹽的主要成分)晶體就是離子晶體,如上圖所示,在其內(nèi)部,每一個氯離子(Cl-)都結(jié)合了6個鈉離子(Na+),而每一個鈉離子同樣也結(jié)合了6個氯離子,它們一起形成了一個正立方體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

可以看到,在以上三種晶體都有一個共同的特征,那就是它們的微觀結(jié)構(gòu)中都不存在單個的分子結(jié)構(gòu),因此當(dāng)我們用刀切開這幾種類型的晶體時,確實是切開了它們內(nèi)部原子之間的化學(xué)鍵(即金屬鍵、共價鍵和離子鍵)。

然而對于分子晶體來講,情況卻不一樣了,顧名思義,所謂分子晶體,就是指大量的分子通過分子間的相互作用形成的晶體,為方便描述,我們不妨以一種最常見的分子晶體——冰,來進行舉例說明。

如上圖所示,從微觀的角度來看,冰其實就是由大量的水分子通過氫鍵和范德華力(即分子間作用力)形成的規(guī)則結(jié)構(gòu),換句話來講就是,在其中是存在著單個的分子結(jié)構(gòu)的,每一個水分子都是由兩個氫原子和一個氧原子通過共價鍵結(jié)合而成。

相對水分子內(nèi)部原子之間的共價鍵來講,水分子之間的相互作用就要弱得多,因此當(dāng)我們切開這一類晶體時,其實是切開了其內(nèi)部分子之間的相互作用,而不會切開其內(nèi)部的單個分子。

同樣的道理,對于那些不是晶體的固體結(jié)構(gòu)而言,其內(nèi)部通常都擁有大量的單個分子結(jié)構(gòu),因此當(dāng)我們用刀切開這類物體時,絕大多數(shù)時候都是切開了其內(nèi)部分子之間的相互作用,而不會切開其內(nèi)部的單個分子,為什么要說是“絕大多數(shù)時候”呢?這是因為存在著一些特殊情況。

例如像塑料這一類的高分子聚合物,其內(nèi)部單個分子的長度就可以很長,所以當(dāng)我們用刀切開由塑料制成的物體時,就有可能會直接切開其內(nèi)部的單個分子。

結(jié)語

我們常見的物體大多數(shù)都是由多種物質(zhì)構(gòu)成的混合物,因此實際情況會比較復(fù)雜,但總的來講,當(dāng)我們用刀切開物體時,肯定是不可能把原子切開的,實際上,這是刀刃用“擠”的方式,破壞了物體內(nèi)部相對最脆弱的那一種相互作用。


好了,今天我們就先講到這里,歡迎大家關(guān)注我們,我們下次再見。

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