玻璃是液体还是固体呢

玻璃是液体还是固体?
看上去似乎很简单,相信很多人都会不假思索地说出答案:“玻璃当然是固体了” 。但实际上却并非如此,其实不简单 。

玻璃是液体还是固体呢

“玻璃是液体”这种说法由来已久,最早起源于人们在观察一些古老的建筑时发现了一种奇怪的现象——这些建筑的玻璃窗底部比顶部更厚 , 于是就有人据此推测玻璃其实是一种非常黏稠的液体,而这些玻璃窗的底部之所以比顶部更厚,就是因为液体在重力作用下向底部流动而造成的 。
玻璃是液体还是固体呢

需要注意的是,上述观点目前仍然存在着很大的争议,正反双方都无法拿得出令人信服的证据,但总的来说 , 大多数人还是认为玻璃不应该在“短短的”几个世纪内就发生明显的变形 。但这并不代表我们可以就此下结论,认为玻璃就是固体 , 这是因为玻璃确实存在着一些液体的特征 。
我们都知道,液态水在结冰以后就变成了固态,从宏观的角度来看 , 液态水在结冰以前是可流动的,而在结冰以后则是刚性的 , 并且具有固定的形状和体积,而从微观的角度来看 , 液态水在结冰以前,其水分子是杂乱的,并没有牢固结合,而在结冰以后,水分子的排列就变得牢固和有序 , 各个原子形成了规则的晶格结构,因此我们能够很容易地定义水的固态和液态 。
玻璃是液体还是固体呢

但这一招用在玻璃上就不是那么管用了 , 尽管在我们的眼中,玻璃也具有固体的特征,但从微观的角度来看就不一样了,研究人员通过高倍显微镜对玻璃进行观察后发现,即使是处于类似固体的状态,玻璃的原子结构也是杂乱的,其混乱程度与液体几乎没有什么区别,而这种原子结构也就意味着玻璃可以流动,只不过流动的速度极其缓慢 。
玻璃是液体还是固体呢

我们可以看到,玻璃既具有固体的一部分特征,也具有液体的一部分特征,这就让我们不好定义玻璃这种物质到底是固体还是液体了 。我们可以将其定义为“无定形的固体”,也可以将其定义为“高黏度的液体” , 又或者将其定义为“既不是固体,也不是液体”的另一种物质状态 。
那么问题就来了 , 玻璃为什么就这么奇怪呢?
著名的《科学》杂志(SCIENCE)曾经在创刊125周年的时候,公布了125个“最具挑战性的科学问题”,在这之中,“玻璃态物质的本质是什么”名列第47名,由此可见其实相当的不简单 。
【玻璃是液体还是固体呢】
在过去的日子里 , 科学家们一直在试图弄清楚这是怎么回事,就目前来看,一项在2008年发表在《自然》杂志上的研究成果似乎能够对此作出较好的解释,该研究表明 , 熔融态物质在冷却的时候,会形成一种特殊的原子结构 , 这阻止了晶格结构的形成 。
玻璃是液体还是固体呢

根据该项目的研究人员、布里斯托尔大学的帕蒂.罗伊尔(Paddy Royall)的介绍,形成玻璃的熔融态物质的黏度会随着温度的下降而迅速增高,这会导致其中的原子根本来不及形成规则的晶格结构,而只能形成一种特殊的二十面体结构,从而无法成为真正意义上的固体 。简单地讲就是,这些原子被“困住了” 。
值得一提的是,固体和液体在有些时候真的很难区分 , 比如说沥青就是液体,但是这种物质拥有极高的黏度 , 以至于它看上去和固体一样 。为了验证这个现象,昆士兰大学的物理学家托马斯.帕内尔(Thomas Parnell)曾设计了一个著名的“沥青滴漏实验” 。
玻璃是液体还是固体呢

该实验其实很简单,就是将沥青置入一个漏斗中,然后再观察它的流动情况 , 但由于沥青流动的速度慢得令人发指,从1927年实验开始一直到现在,该实验中的沥青只滴落了9次,并且这9次都没有被人亲眼见证 。目前该实验仍然在进行,被称为“人类科学史上历时最长的实验” 。

从技术上说,玻璃兼有固体和液体的特性 。不少人发现老教堂的的窗玻璃底部要比顶部厚,所以他们认为几百年来由于重力的原因在缓慢往下流动 。实际上,更为让人信服的解释是,中世纪的玻璃制造流程是将大块原料熔化 , 摊平后在一个圆盘上旋压、切割,显然外围的玻璃板会更厚一些 。
而教堂装嵌玻璃时出于重力平衡的考虑 , 把重的一头安置在窗户底部,造成了几百年后人们的误解 。固体和液体之间的主要区别在于是分子排列方式不同,液体中分子可以自由滑动,而固体则不能 。
玻璃分子的确是按照非晶体结构排列的,但是他们的位置被“套牢” , 因而玻璃的外形不会改变 。实验证明,玻璃能缓慢流动,但速度极慢,几千年的变化都可以忽略不计 。这也是为什么大英自然博物馆里那些古代的玻璃器皿至今仍然保持良好的缘故 。

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