神奇的物質(zhì)

我們平時常常使用的課本、桌椅；食用的零食、飲料都是由物質(zhì)構(gòu)成的，這些物質(zhì)是不受我們意識影響的客觀存在。既然我們生活的世界是由各種各樣的物質(zhì)組成的，那么物質(zhì)又是由什么構(gòu)成的呢？

現(xiàn)在，就讓我們跟隨著科學(xué)家的腳步，一起來發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的神奇之處吧！

由大到小認(rèn)識世界

來到中國科學(xué)技術(shù)館探索與發(fā)現(xiàn)展廳的“物質(zhì)之妙”展區(qū)，要回答的第一個問題就是“物質(zhì)是由什么構(gòu)成的”。為了更加接近真理，科學(xué)家對此進(jìn)行了長期的探索和爭論。

早在公元前，學(xué)者們就把世界劃分成“物質(zhì)”和“精神”兩個部分，因為此時的人們主要依靠基本的感官觀察、探索世界，所以他們用陰陽、五行或者元素這類籠統(tǒng)概念來描述世界。

直到公元前4世紀(jì)，古希臘學(xué)者德謨克利特提出了原子學(xué)說，他認(rèn)為萬物都是由原子構(gòu)成的，由此，人們對世界的認(rèn)知逐漸走向精細(xì)。

發(fā)現(xiàn)電子

在展廳的中央，有一組名為“微觀粒子結(jié)構(gòu)探索”的展品，參觀者可以按照歷史發(fā)現(xiàn)的順序領(lǐng)略各個時期科學(xué)家對于粒子的觀點(diǎn)。

這件展品的第一件展項由按鈕、轉(zhuǎn)盤、磁鐵等組成，模擬了英國物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的實驗裝置。

參觀者按下展品左側(cè)的按鈕，玻璃罩中的陰極射線管會出現(xiàn)一道綠色的光；轉(zhuǎn)動展品右側(cè)鑲著組磁鐵的轉(zhuǎn)盤，仔細(xì)觀察光線產(chǎn)生了怎樣的變化。

實驗檔案

實驗名稱：湯姆孫的電子發(fā)現(xiàn)裝置

實驗原理：真空放電管產(chǎn)生的陰極射線，在電場、磁場中，軌跡會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

實驗結(jié)果：射線管中的光發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。這意味著光受到了磁場的影響，證明了光是由一種帶電粒子組成。

“鑲著葡萄干的布丁”

湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子之后，并沒有固步自封，他進(jìn)一步推斷電子是原子的組成部分，他假想出一種原子模型——葡萄干布丁模型。簡而言之，湯姆孫將原子想象成一個實心的球體，充斥著正電荷，電子則均勻分布在球體中，就像我們平時吃到的鑲著葡萄干的布丁那樣。

驗證實驗

既然湯姆孫提出了新的模型，那么必然有人要對他的模型進(jìn)行實驗驗證，而做這個實驗的人就是湯姆孫的學(xué)生歐內(nèi)斯特·盧瑟福。

第二件展項就模擬了盧瑟福的實驗裝置。展項正前方是一個接收屏，后面是一個玻璃罩，玻璃罩里邊放置了一個金箔片，再往后是一個產(chǎn)生射線的裝置。參觀者可以移動接收屏并查看信號產(chǎn)生的變化。

實驗檔案

實驗名稱：盧瑟福的原子模型

實驗原理：原子由一個極小的核心和若干電子組成，且原子大部分位置是空的，射線粒子可以直接穿過。

實驗結(jié)果：當(dāng)接收屏與射線、金箔成一條直線時，接收到的信號最強(qiáng)；離得越遠(yuǎn)，信號越弱。

行星原子模型

在經(jīng)過一系列精密的實驗測試后，盧瑟福發(fā)現(xiàn)自己老師的模型是錯誤的，他仔細(xì)驗證后大膽地提出了自己的原子模型猜想——“行星原子模型”。

在盧瑟福構(gòu)想的模型中，原子的中心，由個帶正電的原子核承載著原子的全部質(zhì)量，電子就像行星繞著太陽轉(zhuǎn)一樣，圍繞原子核運(yùn)行。

趣聊科學(xué)家之盧瑟福

“諾貝爾獎得主的幼兒園”

盧瑟福幽默風(fēng)趣，信心十足，總會給見過他的人留下深刻的印象。他的同事評價他總處于科學(xué)研究的“浪尖”上時，他接話道：“說得很對，不管怎么說，是我制造了波浪，難道不是嗎？”1908年，盧瑟福獲得了該年度的諾貝爾化學(xué)獎，他對自己沒有獲得物理學(xué)獎感到意外，他風(fēng)趣地說：“我一個物理學(xué)家怎么得了個化學(xué)獎？這可真是絕妙的一次玩笑！”他的學(xué)生們贊美他，為他起了一個外號——“鱷魚”，因為盧瑟福做研究時就像鱷魚一樣從不回頭，張開吞食一切的大口，不斷前進(jìn)。

作為一位杰出的學(xué)科帶頭人，“桃李滿天下”的盧瑟福還被譽(yù)為“從來沒有樹立過一個敵人，也從來沒有失去一位朋友”的人。獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎的玻爾甚至在致謝時深情地稱盧瑟福為“我的第二個父親”。在盧瑟福的悉心培養(yǎng)下，他的學(xué)生和助手有多達(dá)12人獲得了諾貝爾獎，因此他的實驗室也被后人笑稱為“諾貝爾獎得主的幼兒園”。

從原子到分子的跨越

在18世紀(jì)中期，英國物理學(xué)家約翰·道爾頓進(jìn)一步用實驗佐證，物質(zhì)是由具有一定質(zhì)量的原子構(gòu)成的。

1811年，意大利物理學(xué)家阿莫迪歐·阿伏伽德羅存原子論中引進(jìn)了“分子”的概念，提出物質(zhì)是由分子組成的。

1827年，英國植物學(xué)家羅伯特·布朗通過實驗證實了分子的存在和分子運(yùn)動的存在。

運(yùn)動的分子

在物理學(xué)定義里，一切物質(zhì)都是由大量分子組成的，分子的存在形式可以分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。參觀者可以通過操作展廳一側(cè)的展品——分子的運(yùn)動，直觀地了解分子運(yùn)動的特點(diǎn)。

實驗檔案

實驗名稱：分子的運(yùn)動

實驗原理：分子不是緊密地擠在一起，而是彼此間存有間隙，并不停地做無規(guī)則的運(yùn)動。

實驗結(jié)果：推動展品下方的滑桿，小球會在展臺內(nèi)無規(guī)則地滾動和相互撞擊，模擬了布朗運(yùn)動，即懸浮在液體或氣體中的微粒所做的永不停息的無規(guī)則運(yùn)動。

生活中的分子運(yùn)動

不同的物質(zhì)在互相接觸時，彼此進(jìn)入的現(xiàn)象，叫做“擴(kuò)散”。擴(kuò)散現(xiàn)象也反證了一切物質(zhì)的分子都在不停地做無規(guī)則的運(yùn)動，且分子之間有間隙。

種莊稼的時候，在地里播撒化肥，化肥落到土壤中，便溶解于土壤中，這些含有氮、磷、鉀的溶液分子在土壤中擴(kuò)散，便于莊稼吸收、生長；新買回家的固體香薰，打開塑封，哪怕沒有放到鼻子下面，就已經(jīng)能聞到香味了，再過一段時間，香味會均勻地彌漫整個房間；將新鮮蔬菜與調(diào)味料一起放入罐子，調(diào)味料的味道就會逐漸進(jìn)入蔬菜中，再等待一段時司，就可以吃到爽口的腌菜……

仔細(xì)回憶一下，你的生活中，還有哪些現(xiàn)象也能說明分子在不停地做著擴(kuò)散運(yùn)動呢？

擁有記憶的金屬

記憶是人腦對經(jīng)歷過的事物的識記或再現(xiàn)，它是進(jìn)行思維、想象等高級心理活動的基礎(chǔ)。擁有記憶，不論事物怎么變化，始終能回憶起最初的樣子。那如果把“記憶”的能力賦予物質(zhì)的話，會產(chǎn)生什么樣的奇妙反應(yīng)呢？

來到河南省科學(xué)技術(shù)館“探索發(fā)現(xiàn)”展區(qū)，有一件名叫“記憶合金”的展品，它展現(xiàn)了記憶合金這種神奇的金屬，在受壓力或溫度變化而發(fā)生變形后，仍能夠恢復(fù)到初始形狀的特性。

實驗檔案

實驗名稱：記憶臺金

實驗原理：記憶合金在室溫狀態(tài)下處于馬氏體狀態(tài)，待加熱到特定溫度時，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，記憶臺金會轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體狀態(tài)，因此在不同的溫度狀態(tài)下會發(fā)生不同程度的形變。

實驗結(jié)果：三個記憶合金模塊隨溫度變化分別呈現(xiàn)出蝴蝶展翅、勺子變彎、花瓣盛開等現(xiàn)象，當(dāng)溫度下降至室溫時三個模塊恢復(fù)至原本狀態(tài)。

應(yīng)用廣泛的神奇金屬

不論怎樣改變形狀都能夠恢復(fù)到初始形狀的記憶合金有著非常廣泛的應(yīng)用，航空航天、冶金、生物醫(yī)學(xué)以及兒童工藝品……其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)展到各個領(lǐng)域。

它們被用來制作眼鏡鏡框，即使不小心磕碰壓彎了鏡框，也不用擔(dān)心沒有眼鏡帶來的不便，只要對鏡框進(jìn)行加熱，就可以使其恢復(fù)原來的形狀。記憶合金還可以用于開發(fā)新型的自適應(yīng)飛機(jī)機(jī)翼，在飛行中可以彎曲或改變形狀，從而適用不同的飛行狀況。其用于生物醫(yī)學(xué)可以減少患者對醫(yī)療干預(yù)的需求。將記憶合金制成支架可以植入動脈，以微創(chuàng)方式改善心臟病患者的血液流動；制成機(jī)械假肢也可以幫助截肢患者更加自如地活動。