问题

如何解释压铅块导致铅块吸在一起的实验不是因为大气压而是因为分子间存在引力?

回答
要解释为什么压在一起的铅块会吸附在一起,而且这个吸附力不是来自大气压,而是来源于铅块本身原子间的引力,我们需要从几个层面来深入剖析。这其中涉及到我们平时生活中难以直接感受到的微观世界,理解起来可能需要一些耐心。

首先,我们来排除大气压的作用。

我们都知道,大气压无处不在,它就像一个巨大的“推手”,从四面八方挤压着我们周围的一切物体。你可能会想,是不是大气压把铅块压紧了,然后因为铅块表面有一些微小的摩擦或者不平整,所以它们就“卡”在一起了?

要反驳这一点,我们可以做一个简单的对比实验。我们拿两块非常光滑的玻璃板,比如显微镜载玻片,把它们压在一起。你会发现,即便是用力压,它们也很容易分开。如果大气压是主要原因,那么玻璃板应该也会被“吸”得更紧才对,但实际情况并非如此。

更进一步,我们可以想象一下,如果这个实验是在真空环境中进行,也就是将铅块放入一个完全没有空气的环境中,然后压在一起。如果吸附力来自于大气压,那么在真空中,铅块应该就不会吸附在一起了。但事实证明,即使在真空中,铅块依然会紧密地结合在一起,而且这种结合力相当牢固,需要相当大的力气才能将它们分开。这有力地证明了大气压并不是铅块吸附在一起的原因。

那么,真正的原因是什么呢?这就需要我们进入物质的微观世界,去理解原子和分子是如何相互作用的。

任何物质,包括我们看到的坚硬的铅块,其本质都是由无数微小的粒子——原子——组成的。这些原子并非静止不动,它们以极高的频率在各自的位置上振动,并且它们之间并非完全孤立。在原子和原子之间,存在着一种看不见的、非常强大的“力量”,这种力量使得它们能够相互吸引。

这种吸引力,我们称之为分子间作用力(或者更准确地说是原子间作用力,因为铅是以金属键结合的)。你可以把这些原子想象成一些带有“粘性”的小球,它们之间存在着天然的亲和力。

当我们把两块铅块紧密地压在一起时,发生了什么呢?

1. 极近的距离: 铅块的表面虽然在我们看来是光滑的,但从原子层面来看,表面仍然存在许多原子。当两块铅块的表面接触并被挤压时,处于最外层的铅原子,它们的距离被缩短到了一个非常非常近的程度。

2. 吸引力的显现: 分子间作用力,尤其是像金属键这样的强作用力,其强度与原子之间的距离密切相关。当距离足够近时,这种吸引力就会变得非常显著。这种吸引力并不是因为原子“想”粘在一起,而是源于它们内部的电子分布和相互作用。你可以想象成,电子在原子之间有一种“共享”或者“纠缠”的感觉,使得它们之间产生了一种稳定的、将彼此拉近的力。

3. 形成“金属键”: 铅是一种金属。金属的特性就是原子外层的电子很容易脱离,形成一个“电子海”。而金属原子核则带正电,漂浮在这个电子海中。当两块金属铅块紧密接触时,它们各自的电子海会发生一定程度的“融合”。这意味着,来自两块铅块的原子核,都被这个共享的、流动的电子海所束缚,就像被一个巨大的、带有粘性的网给网住了。这种电子海的相互渗透和原子核的共同吸引,就形成了强大的金属键,将原本属于不同铅块的原子,有效地连接在了一起。

打个比方,你可以想象你手里有两堆非常非常细小的沙子。如果只是松散地放在一起,它们很容易散开。但如果这两堆沙子里的每一个沙粒都带有一种天然的“吸力”,而且你把它们用力压紧,让它们彼此的“吸力范围”充分接触,那么它们就会牢牢地吸附在一起,形成一个更稳定的整体。铅块的原子间的吸引力就是这样的道理,只是它比我们想象中的“吸力”要强大得多。

所以,当铅块被压在一起时,是铅块自身的原子之间产生了如此强大的吸引力,这种吸引力远大于任何外部因素(如大气压)的作用,使得它们能够像被焊接在一起一样,紧密地结合在一起。这种结合力不是外部施加的,而是物质本身固有属性的表现。

你可以尝试用不同种类的金属做这个实验,比如铜块、铁块。它们在压紧之后,同样会表现出不同程度的吸附现象,这都印证了原子间存在引力是普遍存在的,只是引力的大小因物质的种类和原子结构而异。

总结一下,铅块压在一起会吸附,是因为:

原子间的距离极近: 压力将两块铅块表面的原子推到足够近的距离。
强大的原子间引力: 铅原子之间存在着本质的、微观的吸引力(金属键),这种力在近距离时表现得非常强。
大气压并非主导: 在真空下实验证明,大气压不是造成吸附的原因。

所以,这是一种“源于自身”的吸引力,是物质微观结构决定的一种物理现象,而不是外部压力“捏合”的结果。

网友意见

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题主能想到这一层说明对科学研究中的控制变量法已经有了初步的认识。

题主说的实验应该是这个:

如果从严格的控制变量法的角度来说,确实无法直接排除大气压的作用。因为大气压大到0.1MPa这个级别,学过中学物理的同学可以计算一下......还是能提起相当重量的。不过只需要加一个补充实验就可以了:把上述装置扔进真空管,抽一下真空......还不掉就说明不是单纯的靠大气压压倒一起的。

当然,这个实验在中学阶段仅仅是用来理解分子间作用力的,如果你继续学习的话可能以后还会碰到一个类似的实验。就是铅金扩散

这个实验是这样的,将打磨后的金板和铅板压到一起,保持足够的时间。二者会完全结合到一起,从截面上看会发现铅和金相互扩散。这个实验在课本上用来说明的扩散与热运动。大致是这样:

实际上这就是低温焊接......

焊接或者说材料连接的本质就是将两个材料之间的距离压缩到分子间作用力(其实对金属来说并不存在分子)的作用范围内,则材料就会连接为一个整体。只不过这个范围在高温下比较大罢了。

比如下面[1]就是用低温焊接的方法连接的钛合金和高温合金。使用电子显微镜和能谱仪可以很容易看到元素的相互扩散。

所以,如果在没有大气的真空环境下......由于接触面不存在空气,反而会更容易结合到一起。实际上“伽利略”号木星探测器的主天线就发生过这个问题......幸好当时还有一个备用天线。


我看了一下其他回答, @Patrick Zhang 提到了氧化的问题,其实就是氧化越严重则越难以实验金属之间的相互连接,这和大气压没有关系,原因是氧化物的存在导致了金属离子难以进入到足够近的范围(毕竟隔着一层氧化物)。并不能说明大气压是否影响了分子间作用力的问题。

至于为什么氧化物和金属结合就那么困难......这又牵扯到从金属键到离子键共价键等微观作用力的问题还有界面量这个大坑了......

参考

  1. ^周媛,李晓红,毛唯,毕晓昉,熊华平,吴欣.以Ti,Ni薄膜为中间层的钛合金与高温合金低温扩散焊研究[J].材料工程,2010(10):96-99. https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CJFQ&dbname=CJFD2010&filename=CLGC201010023&v=MjkzNjNMdXhZUzdEaDFUM3FUcldNMUZyQ1VSN3FmWk9kcEZpbmtXN3pJSmlITWJiRzRIOUhOcjQ5SFo0UjhlWDE=

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