费曼物理学讲义中文版精选.doc

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1、费曼物理学讲义中文版 篇一：费曼讲物理中文版 费曼物理学讲义（连载） 理查德费曼 第一卷第一章 原子的运动 第一卷第二章 根本物理 第一卷第三章 物理学与其它科学的关系 第一卷第四章 能量守恒 第一卷第五章 时间与间隔 第一卷 第一章 原子的运动 理查德费曼 1-1 引言 这是一门两学年的物理课，我们开设这门课程是着眼于你们，读者们，将成为物理学工作者。因此情况并非一定如此，但是每门学科的教授都是如此设想的！假设你打算成为一个物理学工作者，就要学习特别多东西，这是一个200年以来空前蓬勃开展的知识领域。事实上你会想到，这么多的知识是不可能在四年内学完的，确实不可能。你们还得到研究院去接着学习。

2、 相当出人意外的是，尽管在这么长时间中做了极其大量的工作，但却有可能把这一大堆成果大大地加以浓缩。这确实是说，找到一些概括我们所有知识的定律。不过，即便如此，掌握这些定律也是颇为困难的。因此，在你对科学的这部分与那部分题材之间的关系还没有一个大致的理解之前就让你去研究这个庞大的课题的话，就不公平了。按照这种看法，前三章将略述物理学与其他科学的关系，各门学科之间的互相联络以及科学的含义，这有助于你们对本学科产生一种切身的感受。 你们可能会征询，在讲授欧几里德几何时先是陈述公理，然后作出各种各样的推论，那为什么在讲授物理学时不能先直截了当地列出根本定律，然后再就一切可能的情况说明定律的应用呢？（如

3、此一来，假设你不满足于要花四年时间来学习物理，那你是否打算在4分钟内学完它？）我们不能如此做是由于两个理由。第一，我们还不明白所有的根本定律：未知领域的边界在不断地扩展。第二，正确地表达物理定律要涉及到一些特别陌生的概念，而表达这些概念又要用到高等数学。因此，即便为了明白词的含义，也需要大量的预备性的训练。确实，那样做是行不通的，我们只能一步一步地来。 大自然整体的每一部分不断只不过是关于整个真理或者说，关于我们至今所理解的整个真理的逼近。实际上，人们明白的每件事都只是某种近似，由于我们明白得，到目前为止，我们确实还不明白所有的定律。因此，我们之因此需要学习一些东西，正是为了要抛弃往常的谬见，

4、或者更可能的是为了改正往常的谬见。 科学的原那么或者简直可称为科学的定义为：实验是一切知识的试金石。实验是科学“真理”的唯一鉴定者。但是什么是知识的源泉呢？那些要检验的定律又是从何而来的呢？从某种意义上说，实验为我们提供了种种线索，因此可以说是实验本身促成了这些定律的产生。但是，要从这些线索中作出严峻的推断，还需要有丰富的想象力去对蕴藏在所有这些线索后面的令人惊奇、简单、而又特别奇特的图象进展猜测，然后，再用实验来验证我们的猜测终究对不对。这个想象过程是特别困难的，因此在物理学中有所分工，理论物理学家进展想象、推演和猜测新的定律，但并不做实验；而实验物理学家那么进展实验、想象、推演和猜测。 我

5、们说过，自然的定律是近似的：起先我们找到的是“错”的定律，然后才觉察“对”的定律。那么一个实验如何可能是“错误”的呢？首先通常是：仪器上有些缺点，而你又没有留意，但是这种征询题是容易确定的，你可以反复检查。假设不去纠缠在这种次要的征询题上，那么实验的结果如何可能是错误的呢？这只可能是由于不够准确罢了。 例如，一个物体的质量大概是从来不变的：转动的陀螺与静止的陀螺一样重。结果就觉察了一条“定律”：质量是个常数，与速率无关。然而现在觉察这条“定律”却是不正确的。质量实际上随着速度的加大而增加，但是要速度接近于光速才会明显增加。正确的定律是：假设一个物体的速率小于100海里/秒，那么它的质量的变化不

6、超过百万分之一。 在这种近似方式下，这确实是一条正确的定律。因此，人们可能认为新的定律实际上并没有什么有意义的差异。因此，这可以说对，也可以说不对。关于一般的速率我们因此可以忘掉它，而用简单的质量守恒定律作为一种特别好的近似。但是关于高速情况这就不正确了：速率越高，就越不正确。 最后，最有趣的是，就哲学上而言，使用近似的定律是完全错误的。纵然质量的变化只是一点点，我们的整个世界图景也得改变。这是有关在定律后面的哲学或根本观念的一件十分特别的事，即便是极小的效应有时在我们的观念上也要引起深化的变化。 那么，我们应该首先教什么呢？是否应先教那些正确的、陌生的定律以及有关的奇特而困难的观念，例如相对

7、论、四维时空等等之类？仍然应先教简单的“质量守恒”（扫校者注：译本原文如此，有网友提出，这里的 constant-mass”被译成“质量守恒”是有征询题的。从上下文来看，上文提到的需要相对论修正的老定律是“质量不随速率改变”，而不是一般意义上的质量守恒。在后面，提到类似的能量守恒定律的时候，作者用的是conservation of energy）定律，即那条尽管只是近似的，但并不包含那种困难的观念的定律？前一条定律比较引人入胜，比较奇特和比较有趣，但是后一条定律在开始时比较容易掌握，它是真正理解前一种观念的第一步。这个征询题在物理教学中会一再出现，在不同的时候，我们将要用不同的方式去处理它。但

8、是在每个阶段都值得去弄明白：我们现在所明白的是什么，它的正确性如何，它如何样适应其他各种事情，以及当我们进一步学习后它会有如何样的变化。 让我们按照我们所理解的当代科学（特别是物理学，但是也包括四周有关的其他科学）的轮廓接着讲下去，如此，当我们以后专门留意某些特别征询题时，就会关于背景情况有所理解为什么这些特别征询题是有趣的，它们又是如何样适应整体构造的。 那么，我们世界的总体图象是如何样的呢？ 1-2 物质是原子构成的 假设由于某种大灾难，所有的科学知识都丧失了，只有一句话传给下一代，那么如何样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢？我相信这句话是原子的假设（或者说原子的事实，不管你愿意如何样称

9、呼都行）：所有的物体都是用原子构成的这些原子是一些小小的粒子，它们不断不停地运动着。当彼此略微离开时互相吸引，当彼此过于挤紧时又互相排斥。只要略微想一下，你就会觉察，在这一句话中包含了大量的有关世界的信息。 图1-1 放大10亿倍的水 为了说明原子观念的重要作用，假设有一滴直径为1/4英寸的水滴，即便我们特别贴近地观察，也只能见到光滑的、连续的水，而没有任何其他东西。同时即便我们用最好的光学显微镜（大致可放大2000倍）把这滴水放大到40英尺左右（相当于一个大房间那样大），然后再靠得相当近地去观察，我们所看到的仍然是比较光滑的水，不过四处有一些足球状的东西在来回游动，特别有趣。这些东西是草履虫

10、。你们可能就到此为止，对草履虫以及它的摆动的纤毛和卷曲的身体感到十分好奇。也许除了把草履虫放得更大一些看看它的内部外，就不再进一步观察了。因此这是生物学的课题，但是现在我们接着观察下去，再把水放大2000倍更接近地观察水这种物质本身。这时水滴己放大到有15英里那样大了，假设你再十分贴近地观察，你将看到水中充满了某种不再具有光滑外表的东西，而是有些象从远处看过去挤在足球场上的人群。为了能看出挤满的终究是些什么东西，我们再把它放大250倍后就会看到某品种似于图1-1所示的情形。这是放大了10亿倍的水的图象，但是在以下这几方面是理想化了的。首先，各种粒子用简单的方式画成有明显的边缘，这是不准确的。其

11、次，为了简便起见，把它们都画成二级的陈列，实际上它们因此是在三维空间中运动的。留意在图中有两类“斑点”或圆，它们各表示氧原子（黑色）和氢原子（白色），而每个氧原子有两个氢原子和它结合在一起（一个氧原子与两个氢原子组成的一个小组称为一个分子）。图像中还有一个被理想化的地点是自然界中的真实粒子总是在不停地跳动，彼此绕来绕去地转着，因此你必须把这幅画面想象成能动的而不是静止的。另一件不能在图上说明的事实是粒子为“粘在一起”的，它们彼此吸引着，这个被那个拉住等等，可以说，整个一群“胶合在一起”。另一方面，这些粒子也不是挤到一块儿，假设你把两个粒子挤得特别紧，它们就互相推斥。 原子的半径约为1210-8

12、厘米，10-8厘米现在称为1?（这只是另一个名称），因此我们说原子的半径为12?。另一个记住原子大小的方法是如此的：假设把苹果放大到地球那样大，那么苹果中的原子就差不多有原来的苹果那样大。 图1-2 水蒸气 现在，想象这个大水滴是由所有这些跳动的粒子一个挨一个地“粘合”起来的。水能保持一定的体积而并不散开，由于它的分子彼此吸引。假设水滴在一个斜面上，它能从一个位置挪动到另一个位置。水会流淌，但是并不会消失它们并没有飞逝，由于分子之间有吸引力。这种跳动确实是我们所说的热运动。当温度升高时，这种运动就加强了。假设我们加热水滴，跳动就增加，原子之间的空隙也增大。假设接着加热到分子间的引力缺乏以将彼此

13、拉住，它们就分开来飞散了。因此，这正是我们从水制取水蒸气的方法提高温度。粒子由于运动的加强而飞散。图1-2是一幅水蒸气的图象。这张水蒸气图象有一个缺乏之处：在通常的气压下在整个房间里只有少数几个分子。决不可能在如此一张图象中有三个以上的分子。在大多数情况下，如此大小的方块中可能连一个都不会有不过碰巧在这张图中有两个半或三个分子（只有如此图象才不会是完全空白的）。现在，比起水来，在水蒸气的情况下，我们可以更明晰地看到水所特有的分子。为了简单起见，将分子画成具有120的夹角，实际上，这个角是1053，氢原子中心与氧原子中心之间的间隔是0.957?，如此看来，我们对这个分子理解得特别明晰了。 图1-

14、3 让我们来看一下水蒸气或任何其他气体具有一些什么性质。这些气体分子是彼此别离的，它们打在墙上时，会反弹回来。设想在一个房间里有一些网球（100个左右）不断地来回跳动，当它们打到墙上后，就将墙推离原位（因此我们必须将墙推回去）。这意味着气体施加一个“颤抖”的力，而我们的粗糙的感官（并没有被我们本人放大十亿倍）只感到一个平均的推力。为了把气体限制在一定的范围之内，我们必须施加一个压力。图1-3是一个盛气体的标准容器（所有教科书中都有这种图），一个配有活塞的汽缸。由于不管水分子的形状如何，情况都是一样，因此为简单起见我们把它们画成网球形状或者小黑点。这些东西沿着所有的方向不停地运功着。由于有这么多

15、的气体分子不断在撞击顶端的活塞，因此要使活塞不被这种不断的碰撞逐步顶出来，必须施加一定的力把活塞压下去，这个力称为压力（实际上，是压强乘以面积）。特别明晰，这个力正比于面积，由于假设我们增大面积而保持每立方厘米内的分子数不变的话，那么分子与活塞碰撞次数增加的比例与面积增加的比例是一样的。 现在，让我们在这个容器内放入两倍的分子，以使密度增加一倍，同时让它们篇二：费曼物理学讲义笔记 加州理工学院 费曼 物理学讲义 加州理工学院（California Institute of Technology, 缩写为Caltech）Physics is to math what sex is to mast

16、urbation. （“物理之于数学好比性爱之于手淫。”） Physics is like sex: sure, it may give some practical results, but thats not why we do it. （“物理跟性爱有类似之处：是的，它可能会产生某些实在的结果，但这并不是我们做它的初衷。”） 理查费曼与“草包族科学” 理查费曼曾经在1974年，于加州理工学院的一场毕业典礼演说中表达”草包族科学”（Cargo cult science）时提到： 从过往的经历，我们学到了如何应付一些自我欺骗的情况。举个例子，密立根做了个油滴实验，量出了电子的带电量，得到一个

17、今天我们明白是不大对的。他的材料有点偏向，由于他用了个不准确的空气粘滞系数数值。因此，假设你把在密立根之后、进展测量电子带电量所得到的材料整理一下，就会觉察一些特别有趣的现象：把这些材料跟时间画成坐标图，你会觉察这个人得到的数值比密立根的数值大一点点，下一个人得到的材料又再大一点点，下一个又再大上一点点，最后，到了一个更大的数值才稳定下来。 为什么他们没有在一开始就觉察新数值应该较高？这件事令许多相关的科学家惭愧脸红由于显然特别多人的做事方式是：当他们获得一个比密立根数值更高的结果时，他们以为一定哪里出了错，他们会拼命寻找，同时找到了实验有错误的缘故。另一方面，当他们获得的结果跟密立根的相仿时

18、，便不会那么用心去检讨。因此，他们排除了所谓相差太大的材料，不予考虑。我们现在已经特别明晰那些手段了，因此再也不会犯同样的缺点。目录 第1章原子的运动 . 5 1-1引言 . 5 1-2物质是原子构成的 . 5 1-3原子过程 . 5 1-3化学反响 . 6 第2章根本物理 . 6 2-1引言 . 6 2-2 1920年往常的物理学 . 6 附录 . 7 理查德费曼 . 7 目录 . 9 编辑 生平简介 . 9 编辑 费曼的著作 . 10 编辑 传记 . 12 编辑 参考材料 . 12 编辑 外部链接 . 12 第1章原子的运动 1-1引言 征询：为什么不能直截了当的列出根本定律，然后再就一切

19、可能的情况说明定律的应用呢？ 答：第一，我们还不明白所有的根本定律：未知领域的边界在不断地扩展； 第二，正确地表达物理定律要涉及到一些特别陌生的概念，而表达这些概念有要用到高等数学。因此即便为了明白词的含义，也需要大量的预备性的训练。 大自然整体的每一部分不断只不过是关于整个真理或者说，关于我们至今所理解的整个真理的逼近。实际上，人们明白的每件事都只是某种近似，由于我们明白得，到目前为止，我们确实还不明白所有的定律，因此，我们之因此需要学习一些东西，正是为了要抛弃往常的谬见，或者更可能的是为了改正往常的谬见。 科学的原那么或者简直可以成为科学的定义为：实验是一切知识的试金石。实验是科学“真理”

20、的唯一鉴定者。 假设一个物体的速率小于100海里/秒，那么它的质量的变化不超过百万分之一。在这种近似情形下，“质量是个常数，与速率无关。”确实是一条正确的定律。 就哲学上而言，使用近似的定律是完全错误的。纵然质量的变化只是一点点，我们的整个世界图景也得改变。 在每个阶段都值得去弄明白：我们现在所明白的是什么，它的正确性如何，它如何样适应其他各种事情，以及当我们进一步学习后它会有如何样的变化。 1-2物质是原子构成的 所有的物体都是用原子构成的这些原子是一些小小的粒子，它们不断不停地运动着。当彼此略微离开时互相吸引，当彼此过于挤紧时又互相排斥。 原子的半径约为1210?8厘米，10?8厘米现在称

21、为1? 假设把苹果放大到地球那么大，那么苹果中的原子就差不多有原来的苹果那么大。 1-3原子过程篇三：费曼物理学讲义第一卷1-5章 第一卷 第一章 原子的运动 理查德费曼 1-1 引言 这是一门两学年的物理课，我们开设这门课程是着眼于你们，读者们，将成为物理学工作者。因此情况并非一定如此，但是每门学科的教授都是如此设想的！假设你打算成为一个物理学工作者，就要学习特别多东西，这是一个200年以来空前蓬勃开展的知识领域。事实上你会想到，这么多的知识是不可能在四年内学完的，确实不可能。你们还得到研究院去接着 学习。 相当出人意外的是，尽管在这么长时间中做了极其大量的工作，但却有可能把这一大堆成果大大

22、地加以浓缩。这确实是说，找到一些概括我们所有知识的定律。不过，即便如此，掌握这些定律也是颇为困难的。因此，在你对科学的这部分与那部分题材之间的关系还没有一个大致的理解之前就让你去研究这个庞大的课题的话，就不公平了。按照这种看法，前三章将略述物理学与其他科学的关系，各门学科之间的互相联络以及科学的含义，这有助于你们 对本学科产生一种切身的感受。 你们可能会征询，在讲授欧几里德几何时先是陈述公理，然后作出各种各样的推论，那为什么在讲授物理学时不能先直截了当地列出根本定律，然后再就一切可能的情况说明定律的应用呢？（如此一来，假设你不满足于要花四年时间来学习物理，那你是否打算在4分钟内学完它？）我们不

23、能如此做是由于两个理由。第一，我们还不明白所有的根本定律：未知领域的边界在不断地扩展。第二，正确地表达物理定律要涉及到一些特别陌生的概念，而表达这些概念又要用到高等数学。因此，即便为了明白词的含义，也需要大量的预备性的训练。 确实，那样做是行不通的，我们只能一步一步地来。 大自然整体的每一部分不断只不过是关于整个真理或者说，关于我们至今所理解的整个真理的逼近。实际上，人们明白的每件事都只是某种近似，由于我们明白得，到目前为止，我们确实还不明白所有的定律。因此，我们之因此需要学习一些东西，正是为了要抛 弃往常的谬见，或者更可能的是为了改正往常的谬见。 科学的原那么或者简直可称为科学的定义为：实验

24、是一切知识的试金石。实验是科学“真理”的唯一鉴定者。但是什么是知识的源泉呢？那些要检验的定律又是从何而来的呢？从某种意义上说，实验为我们提供了种种线索，因此可以说是实验本身促成了这些定律的产生。但是，要从这些线索中作出严峻的推断，还需要有丰富的想象力去对蕴藏在所有这些线索后面的令人惊奇、简单、而又特别奇特的图象进展猜测，然后，再用实验来验证我们的猜测终究对不对。这个想象过程是特别困难的，因此在物理学中有所分工，理论物理学家进展想象、推演和猜测新的定律，但并不做实验；而实验物理学家那么进展实验、想象、推演和猜测。我们说过，自然的定律是近似的：起先我们找到的是“错”的定律，然后才觉察“对”的定律。

25、那么一个实验如何可能是“错误”的呢？首先通常是：仪器上有些缺点，而你又没有留意，但是这种征询题是容易确定的，你可以反复检查。假设不去纠缠在这种次要的征询题上，那么实验的结果如何可能是错误的呢？这只可能是由于不够准确罢了。 例如，一个物体的质量大概是从来不变的：转动的陀螺与静止的陀螺一样重。结果就觉察了一条“定律”：质量是个常数，与速率无关。然而现在觉察这条“定律”却是不正确的。质量实际上随着速度的加大而增加，但是要速度接近于光速才会明显增加。正确的定律是：假设一个物体的速率小于100海里/秒，那么它的质量的变化不超过百万分之一。 在这种近似方式下，这确实是一条正确的定律。因此，人们可能认为新的

26、定律实际上并没有什么有意义的差异。因此，这可以说对，也可以说不对。关于一般的速率我们因此可以忘掉它，而用简单的质量守恒定律作为一种特别好的近似。但是关于高速情况这就不正确了：速率越高，就越不正确。 最后，最有趣的是，就哲学上而言，使用近似的定律是完全错误的。纵然质量的变化只是一点点，我们的整个世界图景也得改变。这是有关在定律后面的哲学或根本观念的一件十 分特别的事，即便是极小的效应有时在我们的观念上也要引起深化的变化。 那么，我们应该首先教什么呢？是否应先教那些正确的、陌生的定律以及有关的奇特而困难的观念，例如相对论、四维时空等等之类？仍然应先教简单的“质量守恒”（扫校者注：译本原文如此，有网

27、友提出，这里的 constant-mass”被译成“质量守恒”是有征询题的。从上下文来看，上文提到的需要相对论修正的老定律是“质量不随速率改变”，而不是一般意义上的质量守恒。在后面，提到类似的能量守恒定律的时候，作者用的是conservation of energy）定律，即那条尽管只是近似的，但并不包含那种困难的观念的定律？前一条定律比较引人入胜，比较奇特和比较有趣，但是后一条定律在开始时比较容易掌握，它是真正理解前一种观念的第一步。这个征询题在物理教学中会一再出现，在不同的时候，我们将要用不同的方式去处理它。但是在每个阶段都值得去弄明白：我们现在所明白的是什么，它的正确性如何，它 如何样适

28、应其他各种事情，以及当我们进一步学习后它会有如何样的变化。 让我们按照我们所理解的当代科学（特别是物理学，但是也包括四周有关的其他科学）的轮廓接着讲下去，如此，当我们以后专门留意某些特别征询题时，就会关于背景情况有所了 解为什么这些特别征询题是有趣的，它们又是如何样适应整体构造的。 那么，我们世界的总体图象是如何样的呢？ 1-2 物质是原子构成的 假设由于某种大灾难，所有的科学知识都丧失了，只有一句话传给下一代，那么如何样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢？我相信这句话是原子的假设（或者说原子的事实，不管你愿意如何样称呼都行）：所有的物体都是用原子构成的这些原子是一些小小的粒子，它们不断不停地

29、运动着。当彼此略微离开时互相吸引，当彼此过于挤紧时又互相排斥。只要 略微想一下，你就会觉察，在这一句话中包含了大量的有关世界的信息。 图1-1 放大10亿倍的水 为了说明原子观念的重要作用，假设有一滴直径为1/4英寸的水滴，即便我们特别贴近地观察，也只能见到光滑的、连续的水，而没有任何其他东西。同时即便我们用最好的光学显微镜（大致可放大2000倍）把这滴水放大到40英尺左右（相当于一个大房间那样大），然后再靠得相当近地去观察，我们所看到的仍然是比较光滑的水，不过四处有一些足球状的东西在来回游动，特别有趣。这些东西是草履虫。你们可能就到此为止，对草履虫以及它的摆动的纤毛和卷曲的身体感到十分好奇。

30、也许除了把草履虫放得更大一些看看它的内部外，就不再进一步观察了。因此这是生物学的课题，但是现在我们接着观察下去，再把水放大2000倍更接近地观察水这种物质本身。这时水滴己放大到有15英里那样大了，假设你再十分贴近地观察，你将看到水中充满了某种不再具有光滑外表的东西，而是有些象从远处看过去挤在足球场上的人群。为了能看出挤满的终究是些什么东西，我们再把它放大250倍后就会看到某品种似于图1-1所示的情形。这是放大了10亿倍的水的图象，但是在以下这几方面是理想化了的。首先，各种粒子用简单的方式画成有明显的边缘，这是不准确的。其次，为了简便起见，把它们都画成二级的陈列，实际上它们因此是在三维空间中运动

31、的。留意在图中有两类“斑点”或圆，它们各表示氧原子（黑色）和氢原子（白色），而每个氧原子有两个氢原子和它结合在一起（一个氧原子与两个氢原子组成的一个小组称为一个分子）。图像中还有一个被理想化的地点是自然界中的真实粒子总是在不停地跳动，彼此绕来绕去地转着，因此你必须把这幅画面想象成能动的而不是静止的。另一件不能在图上说明的事实是粒子为“粘在一起”的，它们彼此吸引着，这个被那个拉住等等，可以说，整个一群“胶合在一起”。另一方面，这些粒子也不是挤到一块儿，假设你把两个粒子挤得特别紧，它们就互相推斥。 原子的半径约为1210-8厘米，10-8厘米现在称为1?（这只是另一个名称），因此我们说原子的半径为

32、12?。另一个记住原子大小的方法是如此的：假设把苹果放大到地球那样大，那么苹果中的原子就差不多有原来的苹果那样大。 图1-2 水蒸气 现在，想象这个大水滴是由所有这些跳动的粒子一个挨一个地“粘合”起来的。水能保持一定的体积而并不散开，由于它的分子彼此吸引。假设水滴在一个斜面上，它能从一个位置挪动到另一个位置。水会流淌，但是并不会消失它们并没有飞逝，由于分子之间有吸引力。这种跳动确实是我们所说的热运动。当温度升高时，这种运动就加强了。假设我们加热水滴，跳动就增加，原子之间的空隙也增大。假设接着加热到分子间的引力缺乏以将彼此拉住，它们就分开来飞散了。因此，这正是我们从水制取水蒸气的方法提高温度。粒

33、子由于运动的加强而飞散。图1-2是一幅水蒸气的图象。这张水蒸气图象有一个缺乏之处：在通常的气压下在整个房间里只有少数几个分子。决不可能在如此一张图象中有三个以上的分子。在大多数情况下，如此大小的方块中可能连一个都不会有不过碰巧在这张图中有两个半或三个分子（只有如此图象才不会是完全空白的）。现在，比起水来，在水蒸气的情况下，我们可以更明晰地看到水所特有的分子。为了简单起见，将分子画成具有120的夹角，实际上，这个角是1053，氢原子中心与氧原子中心之间的间隔是0.957?，如此看来，我们对这 个分子理解得特别明晰了。 图1-3 让我们来看一下水蒸气或任何其他气体具有一些什么性质。这些气体分子是彼

34、此别离的，它们打在墙上时，会反弹回来。设想在一个房间里有一些网球（100个左右）不断地来回跳动，当它们打到墙上后，就将墙推离原位（因此我们必须将墙推回去）。这意味着气体施加一个“颤抖”的力，而我们的粗糙的感官（并没有被我们本人放大十亿倍）只感到一个平均的推力。为了把气体限制在一定的范围之内，我们必须施加一个压力。图1-3是一个盛气体的标准容器（所有教科书中都有这种图），一个配有活塞的汽缸。由于不管水分子的形状如何，情况都是一样，因此为简单起见我们把它们画成网球形状或者小黑点。这些东西沿着所有的方向不停地运功着。由于有这么多的气体分子不断在撞击顶端的活塞，因此要使活塞不被这种不断的碰撞逐步顶出来

35、，必须施加一定的力把活塞压下去，这个力称为压力（实际上，是压强乘以面积）。特别明晰，这个力正比于面积，由于假设我们增大面积而保持每立方厘米内的分子数不变的话，那么分子与活塞碰撞次数增加的比例与面积增加的比例是一样的。 现在，让我们在这个容器内放入两倍的分子，以使密度增加一倍，同时让它们具有同样的速度，即一样的温度。那么，作为一种特别好的近似，碰撞的次数也将增加一倍，由于每次碰撞仍然和先前那样“有力”，压力就正比于密度。假设我们考虑到原子之间的力的真实性质，那么由于原子之间的吸引，可以预期压力略有减少。而由于原子也占有有限的体积，那么可以预期压力略有增加。不管如何，作为一个特别好的近似，假设原子

36、较少，密度足够低，那么，压力正比于密度。 我们还可以看一下其他情况。假设提高温度而不改变气体密度，亦即只增加原子的速度，那么在压力上会出现什么情况？因此，原子将撞击得更剧烈一些，由于它们运动得更快一些。此外，它们的碰撞更频繁了，因此压力将增加，你们看，原子理论的概念是多么简单! 我们来考虑另一种情况。假定活塞向下挪动，原子就慢慢地被压缩在一个较小的空间里。当原子碰到运动着的活塞时，会发先什么情况呢？特别显然，原子由于碰撞而提高了速率。例如，你可以试一下乒乓球从一个朝前运动的球拍弹回来时的情况，你会觉察弹回的速率比打到球拍上的速率更大一些（一个特例是：假设一个原子恰好静止不动，那么在活塞碰上它以

37、后，因此就运动了）。如此原子在弹离活塞时比碰上去之前更“热”。因此所有容器里的分子的速率都提高了。这意味着，当我们缓慢压缩气体时，气体的温度会升高。而在缓慢膨胀时，气体的温度将降低。 图1-4 冰 现在回到我们的那滴水上去，从另一个角度去观察一下。假定现在降低水滴的温度，同时假定水的原子、分子的跳动逐步减小。我们明白在原子之间存在着引力，因此过一会儿，它们就不能再跳得那么厉害了。图1-4表示在特别低的温度下会出现什么样的情况。这时分子连接成一种新的图象，这确实是冰。这个特别的冰的图象是不正确的，由于它只是二维的，但是它在定性上是正确的。有趣的一点是，关于每一个原子都有它确实定位置，你们可以特别

38、容易地设想，假设我们用某种方式使水滴一端的所有的原子按一定的方式陈列。并让每个原子处在一定的位置上，那么由于互相连接的构造特别结实，几英里之外（在我们放大的比例下）的另一端也将有确定的位置。假设我们抓住一根冰棍的一端，另一端就会阻止我们把它拉出去。这种情况不象水那样由于跳动加强以致所有的原子以种种方式四处跑来跑去，因此构造也就被破坏了。固体与液体的差异就在于：在固体中，原子以某种称为晶体陈列的方式陈列着，即便在较长的间隔上，它们的位置也不能杂乱无章。晶体一端的原子位置取决于晶体另一端的与之相距千百万个原子的陈列位置，图1-4是一种虚构的冰的陈列情况，它尽管包括了冰的许多正确的特征，但并不是真实

39、的陈列情况。正确的特征之一是这里具有一种六边形的对称性。你们可以看到：假设把画面绕一根轴转动120的话，它仍然回到原来的形状，因此，在冰里存在着一定的对称性，这说明为什么雪花具有六边形的外表。从图1-4中还可以看到为什么冰融解时会缩小。在这里列出的冰的晶体图样中有许多“孔”，真实的冰的构造也是如此，在陈列打散后，这些孔就可以包容分子。除水和活字合金外，许多简单的物质在融解时都要膨胀，由于在固体的晶体构造中，原子是密集堆积的，而当熔解时，需要有更多的空间供原子活动，但是敞形构造那么会倒坍，体积反而收缩了，就象水的情况那样。 尽管冰有一种“刚性的”结晶形态，它的温度也会变化冰也储存热量，假设我们愿

40、意的话，就可以改变热量的储存。对冰来说，这种热量指的是什么呢？冰的原子并不是静止不动的，它们不断地摇摆着、振动着，因此尽管晶体存在着一种确定的次序一种确定的构造，所有的原子仍都“在适当的位置”上振动，当我们提高温度时，它们振动的幅度就越来越大，直到离开原来的位置为止。我们把这个过程称为熔解。当降低温度时，振动的幅度越来越小，直到绝对零度原子仍能有最低限度的振动，而不是停顿振动。原子所具有的这种最低的振动缺乏以使物质熔解，只有一个例外，即氦。在温度降低时，氦原子的运动只是尽可能地减弱，但即便在绝对零度时也有足够的运动使之不至于凝固，除非把压力加得如此大以致将原子都挤在一起。假设我们提高压力，就可

41、以使它凝固。 1-3 原子过程 关于从原子的观点来描写固体、液体和气体，我们就讲到这里。然而原子的假设也可以描写过程，因此我们现在从原子的观点来调查一些过程。我们要调查的第一个过程与水的外表有关。在水的外表有些什么情况呢？设想水的外表上是空气，现在我们来把图画得更复杂一些也更实际一些，如图1-5所示。我们看到，水分子仍然象先前那样，组成大量的水，但现在还看到水的外表。在水面上我们觉察一些东西：首先，水面上有水的分子，这确实是水的蒸气，在水面上总是有水蒸气的（在水蒸气与水之间存在着一种平衡，这种平衡我们以后再讲）。此外，我们还觉察一些别的分子：这里是两个氧原子彼此结合成一个氧分子。空气几乎完全是由氮气、氧气、水蒸气组成的，此外还有少量的二氧化碳、氩气和其他一些气体。因此，在水面上的是含有一些水蒸气的气体。那么在这种情况下会发生什么事呢？水里的分子不断地晃来晃去。有时，在水面上有个别分子碰巧遭到比通常情况下更大的冲击而被“踢”出外表。由于图1-5是静止的画面，因此在图上难以看出所发生的事。但是我们可以想象外表附近的某一个分子刚好遭到碰撞而飞了出去，或者也许另一个分子也遭到碰撞而飞了出去。分子一个接着一个地跑了出去，水就消失了蒸发了。但是假设把容器盖上，过了一会儿就会发现在空气分子中有大量的水分子。水蒸气的分子不时地飞到水面，又回到水中。结果，我们看到那个看来死气沉沉的、无趣的事情一杯