交界面上的風(fēng)景

王殿華

陰陽交合，萬物化生。大自然最神奇、最熱鬧、最富有生機(jī)和活力的地方，莫過于兩種物質(zhì)的交界處了。天空與大地、陸地與海洋、有機(jī)物與無機(jī)物以及冷暖氣流、高低氣壓等任何兩種不同物質(zhì)交叉融匯、沖突碰撞的地方，往往呈現(xiàn)出氣象萬千的景象。

兩相之間的分界被稱為界面，按物質(zhì)形態(tài)來分，包括：氣－液、氣－固、液－液、液－固、固－固等界面。其中，液－氣界面、固－氣界面，也被稱作表面。

地表天地相交生萬物

天空與大地的交界面——地表，是我們能看到的最宏大的自然界面，是大氣圈、水圈、陸地圈相互交接的地方。這里是生命繁衍的世界，萬物競逐，生機(jī)勃勃；這里山巒起伏、大河奔流、云蒸霞蔚、氣象萬千。我們?nèi)祟惥蜕钤诘乇?，大多?shù)生物也和人類一樣生活其間。由于氣、液、固三相交互滲透，經(jīng)過長期能量轉(zhuǎn)化、物質(zhì)交換，在地球表面形成一個(gè)有生命活動(dòng)的圈層，這就是生物圈。生物圈是地表有機(jī)質(zhì)及其生存環(huán)境的總和，包括大氣圈底部對流層、水圈和巖石圈上部風(fēng)化層，厚度約20千米。其中，地面上100米到水面下200米是生物集中分布的地方。

在大氣運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上形成了氣候，在陸地圈基礎(chǔ)上形成了地貌，在水圈基礎(chǔ)上形成了水文，在三大圈層互相作用基礎(chǔ)上形成了土壤、植物、動(dòng)物，以及在地層中的礦產(chǎn)資源等。凡此種種構(gòu)成了自然環(huán)境的基本要素。

地表自然環(huán)境處在地表四個(gè)圈層的接觸帶上。自然環(huán)境運(yùn)動(dòng)是地球內(nèi)力和外力相互作用的產(chǎn)物。地球內(nèi)力來源于放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱能、地幔中的熱對流、地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)能。地殼的水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)、褶皺、斷裂、火山噴發(fā)、巖漿入侵、地震、海嘯是地球內(nèi)力的表現(xiàn)。地球內(nèi)力是地殼發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。去年發(fā)生的汶川大地震就處在亞歐板塊和印度洋板塊交界處，屬于地殼脆一韌性轉(zhuǎn)換帶，因而地震造成的破壞力巨大。內(nèi)力作用也常生成有價(jià)值的礦床。在花崗巖與石灰?guī)r的交界面，常常能形成矽卡巖富礦床，這是由于花崗巖周圍，由于巖漿的烘烤作用，石灰?guī)r受溫度、汽水熱液的影響，發(fā)生接觸交代變質(zhì)作用(在侵入體與圍巖的接觸帶，圍巖除受到熱流的影響外，還受到具化學(xué)活動(dòng)性的流體和揮發(fā)分的作用，發(fā)生不同程度的交代置換，原巖的化學(xué)成分、礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造都發(fā)生明顯改變，形成各種夕卡巖和其他蝕變巖石，有時(shí)還伴生有一定規(guī)模的鐵、銅、鎢等礦產(chǎn)以及鉬、鈦、氟、氯、硼、磷、硫等元素的富集)形成矽卡巖。矽卡巖礦物組成方解石、水晶、硅灰石、石榴子石、黃鐵礦、黃銅礦等。地球外力指的是太陽能以及由太陽能轉(zhuǎn)化而成的風(fēng)化、流水、波浪、洋流等能量。地球外力對地殼起著緩慢的剝蝕作用。在汶川大地震造成的次生災(zāi)害中，山石之所以很松散，就與長期風(fēng)化作用有關(guān)。

界面效應(yīng)變幻莫測生神奇

不但宏觀物質(zhì)界面風(fēng)景秀麗，微觀物質(zhì)界面同樣異彩紛呈。在一些物質(zhì)的表面，往往會(huì)發(fā)生令人難以置信的神奇物理現(xiàn)象，對這些現(xiàn)象的觀察與利用，推動(dòng)了人類文明的巨大進(jìn)步和科技水平的飛躍。

眾所周知，光不但能在物體表面發(fā)生反射，而且以一定角度進(jìn)入空氣、玻璃、水等透明物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射，并由此產(chǎn)生美麗的彩虹和各種各樣的現(xiàn)象。

1870年初春的一天，英國著名物理學(xué)家丁鐸爾做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：在暗室里，一股水流從容器的側(cè)壁孔中流出，在另一側(cè)壁給水照明。這時(shí)從孔中流出的水，幾乎在整個(gè)長度上都在發(fā)光。而且本來直線傳播的光，現(xiàn)在竟然沿著這股彎曲的水流在耀動(dòng)。

人們驚訝地發(fā)現(xiàn)，光彎曲了。

這是為什么?

原來光由折射率大的水進(jìn)入折射率小的物質(zhì)時(shí)，在兩種物質(zhì)的交界面上產(chǎn)生了全反射。光沒有進(jìn)入折射率小的物質(zhì)，而是全部返回到折射率大的物質(zhì)中。后來，人們用玻璃纖維模模擬這股水流，制成了玻璃光導(dǎo)纖維。把玻璃纖維的一端截面對準(zhǔn)某一物體，不管它彎曲成什么樣的角度和形狀，都能從另一端的截面上清楚地看到射入的圖像。

光是沿直線傳播的。光導(dǎo)纖維卻是彎彎曲曲的，但這并不影響到光在光導(dǎo)纖維中的傳輸。光導(dǎo)纖維中間為具有高折射率的芯材，外面裹有低折射率的包皮，最外面是塑料護(hù)套。這樣特殊的結(jié)構(gòu)，加上精心的選材，使光導(dǎo)纖維既纖細(xì)似發(fā)、柔軟如絲，又具有高抗拉強(qiáng)度、大抗壓能力。同時(shí)，光導(dǎo)纖維中的光波傳輸衰減小，可以多功能傳輸聲音、圖像和文字。光導(dǎo)纖維可以在低溫環(huán)境下工作，能抗電磁干擾，耐放射性輻射。光波在光纖中傳播時(shí)不會(huì)向外輻射電磁波，有很高的保密性能，信息以光速傳送，速度無與倫比。研究顯示，光通信比電通信的容量要高1億到10億倍，一根光纖能同時(shí)傳輸100億個(gè)電話，或1000萬套電視節(jié)目。想象一下，它的容量有多大啊!

超聲波也具有同上面介紹的類似的特性。超聲波在同一均勻介質(zhì)中作直線性傳播，但在兩種不同物質(zhì)的界面上，便會(huì)出現(xiàn)部分或全部的反射。如今，人們利用這一效應(yīng)來進(jìn)行疾病診斷和超聲波探傷。所謂超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來檢查零件缺陷的一種方法。當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)回反射波來，在熒光屏上形成脈沖波形。根據(jù)這些脈沖波形，人們即能判斷出金屬材料的缺陷情況。換句話說，當(dāng)超聲波遇到材料內(nèi)部有氣孔、裂紋、縮孔時(shí)，則在金屬的交界面上發(fā)生反射，異質(zhì)界面愈大反射能力愈強(qiáng)，反之愈弱。這樣，內(nèi)部缺陷的部位及大小就可以通過探傷儀熒光屏的波形反映出來。常用的超聲波探傷有X光和射線探傷。

物理界面效應(yīng)最典型的事例莫過于p－n結(jié)了?？茖W(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)，將一塊P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體連接，電子將擴(kuò)散到P型材料中，空穴則會(huì)擴(kuò)散到N型材料中。p—n結(jié)具有整流作用。當(dāng)具有p—n結(jié)的半導(dǎo)體受到光照時(shí)，其中電子和空穴的數(shù)目增多，在結(jié)的局部電場作用下，p區(qū)的電子移到n區(qū)，n區(qū)的空穴移到p區(qū)，這樣在結(jié)的兩端就有電荷積累，形成電勢差。這一現(xiàn)象被稱為p—n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于這些特性，用p—n結(jié)可制成半導(dǎo)體二極管和光電池等器件。利用p－n結(jié)的反向電壓原理還可用來制造穩(wěn)壓管或開關(guān)等器件。

界面景象之所以多姿多彩，是因?yàn)槟抢锸俏镔|(zhì)存在或運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生根本轉(zhuǎn)換的邊界線和臨界點(diǎn)，也是物質(zhì)發(fā)生分合交流反應(yīng)最頻繁的地方。從物質(zhì)界面引申到社會(huì)層面、科學(xué)層面，其實(shí)也存在著同樣的現(xiàn)象。

責(zé)任編輯趙菲