刀能切开物体,是刀刃进入了物体原子的缝隙还是将原子切碎了?( 二 )


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宽度是7微米
刀能切开物体,是刀刃进入了物体原子的缝隙还是将原子切碎了?
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所以 , 切开一个原子核是做不到的 , 但是切不开可以撞碎 , 比如高能粒子对撞机 , 或核裂变中用高速中子去轰击原子核 , 都可以做到把原子核轰碎的效果 。 但是所需要的能量非常巨大 。
据记录大型强子对撞机(LHC) , 让两束运动方向相反的质子子流 , 进行正面加速后猛烈碰撞 , 其碰撞所释放的能量相当于一辆重400吨的火车 , 以每小时200公里的速度前进时所具有的能量 。
粒子对撞机示意图
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物体是怎么被切分开的?
这么看下来生活中切割分离一个物体 , 绝对不是把它的原子核分开了 。 那我们是如何把物体切分开的呢?是什么发生了断裂呢?
刀能切开物体,是刀刃进入了物体原子的缝隙还是将原子切碎了?
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这是一个单晶硅的切割模拟 , 每个绿色小球都是一个硅原子 , 不同的颜色对应的右上角的不同数字 , 这个数字代表周围其他的近邻硅原子的数量 。
正常情况下 , 单晶硅晶体每个硅周围都有4个其他硅原子 。 当切割开始后 , 裂纹尖端受到刀刃的挤压 , 产生极大的应力 。 为了释放掉这些应力材料会发生变形 , 受力处的硅晶体间的化学键会发生断裂 , 导致裂纹尖端非晶化 。 当然 , 不同的材料/刀刃角度带来的切割机制肯定是不一样的 , 这里只是一个个例 。
水分子隧道扫描结构
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所以我们其实并没有切坏分子结构 , 刀切的过程 , 其实是挤压被切物体表面 , 使得物体两个相邻片层间产生切变形的过程 。 当切变引起的拉应力达到一定值的时候 , 相邻片层的相互作用力(可能是分子键、离子键、金属键、共价键)发生断裂 。 当这种断裂连续发生 , 且不再接合 , 切断现象就发生了 。 从微观角度上来说 , 我们并不是切断物质 , 而是把物质间的作用力挤断了而已 。 但是比如像水这样的物质 , 我们一直用刀切也不可能把它的化学键切断而生出氢气与氧气 。
我们只是“切"断了分子间的相互作用
但是不同物质的结构不同 , 在切割时多数情况下是通过外力导致分子之间的连接力被打断 , 一个物体被“切开”从微观角度来说是分子与分子之间分离的结果 。
但是晶体不同 , 晶体都有一个共同的特征 , 那就是它们的微观结构中都不存在单个的分子结构 , 因此当我们用刀切开这几种类型的晶体时 , 确实是切开了它们内部原子之间的化学键(即金属键、共价键和离子键) 。
比如单晶硅
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从微观的角度来看 , 冰其实就是由大量的水分子通过氢键和范德华力(即分子间作用力)形成的规则结构 , 换句话来讲就是 , 在其中是存在着单个的分子结构的 , 每一个水分子都是由两个氢原子和一个氧原子通过共价键结合而成 。
比如我们切冰块
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相对水分子内部原子之间的共价键来讲 , 水分子之间的相互作用就要弱得多 , 因此当我们切开这一类晶体时 , 其实是切开了其内部分子之间的相互作用 , 而不会切开其内部的单个分子 。
同样的道理 , 对于那些不是晶体的固体结构而言 , 其内部通常都拥有大量的单个分子结构 , 因此当我们用刀切开这类物体时 , 绝大多数时候都是切开了其内部分子之间的相互作用 , 而不会切开其内部的单个分子 , 为什么要说是“绝大多数时候”呢?这是因为存在着一些特殊情况 。