内部质点结合力对物质性能的影响

物理学中将物质的聚集状态分为气态、液态、固态，以及由液、固两种形态构成的高度分散体系，称为胶体物质。物质的宏观聚集状态及性能取决于其内部质点间的距离和结合力。

图2-1所示为物质内部质点间的作用力、作用能量随质点间距的变化曲线。由图2-1可见，质点间相互作用力的合力曲线与x轴有一个交点A，即质点间距r＝a0。当质点之间处于该距离时，相互作用力的合力为0，作用能量最小，该点称为平衡位置或平衡距离（对于晶体叫做晶格常数）。当质点间距离小于a0时，质点间表现为排斥力，且随着距离减小，排斥力趋于无穷大；当质点间距离大于a0时，质点间表现为相互吸引力，随着距离增大，吸引力上升，达到一个最大值之后下降，最后趋于零。因此，宏观上物质所表现出来的变形（包括流动）或破坏，取决于其内部质点之间的平衡位置是否被打破。例如固体物质内部的分子或原子之间距离较小，相互间作用力较大，欲使质点之间距离变化需要较大的外力，因此具有固定的形状，使其变形或破坏需要一定的外力；而液体和气体内部质点之间距离较大，相互作用力较弱，在微小外力下即可产生流动或变形，不能保持固定的形状。

图2-1　物质内部质点相互作用力、能量与质点间距的关系(www.xing528.com)

建筑材料多数以固态或胶体状态存在，其变形能力和强度取决于内部质点间的距离和排列方式。由图2-1所示的合力曲线可以看出，欲将质点间距离缩小（即压缩），需要克服排斥力，且随着质点越接近，斥力无限增大，要将两个质点压缩至距离为0是不可能的，因此从理论上讲材料是不能被压破坏的；但是质点间的引力存在最大值，即拉伸强度有极限值，欲将两个质点拉开，则需要克服质点间的吸引力，随着距离增大，所需要克服的吸引力增大，当外力克服了吸引力最大值时，则可使两个质点完全分开，即破坏。

作用力F-r曲线在平衡位置两侧较小范围内接近直线，在此范围内，当材料受拉力或压力作用时，内部质点之间的距离与外力成正比，宏观上表现为材料的长度变化与作用力成正比。这就是著名的虎克定律，而F-r曲线在r＝a0处的斜率就是该材料的弹性模量。而能量U-r曲线在最小值左右是不对称的，当原子间距增大（向右侧）时曲线上升的幅度较小，即所需提供的能量较小；而当原子间距减小（向左侧）时曲线上升幅度较大，并趋于无限大，即需要外部提供较多的能量。因此，当原子或分子在其平衡位置附近振动时，质点间距将随振动加剧而增大，即向右侧进行。在绝对零度以上的温度条件下，材料内部质点的振动程度与温度成正比，因此材料受热时将产生膨胀，同时质点间的结合强度被削弱，所以温度升高时材料的拉伸强度降低。如果持续受热升温，原子的振动会达到使原子间的化学键断裂的程度，此时固体发生熔融。