微观状态与微观量-大学物理研究成果

1.微观量

任何宏观物体都是由大量分子或原子组成的。分子或原子统称为微观粒子，其线度很小，约为10-10m数量级，质量也很小，在10-27～10-25kg数量级。任何宏观物体中所包含的微观粒子数都很大。分子或原子都以不同的形式不停地运动着，它们之间存在着相互作用。如果给出了系统中所有微观粒子在某一时刻的运动状态，也就给出了系统在该时刻的状态，这种通过对微观粒子运动状态的说明而对系统的状态加以描述的方法即为微观描述。描述每个微观粒子运动状态的物理量叫微观量，如分子的质量、运动速度、能量等。微观量不能直接测量，又因为微观量的数目非常大，因此无法知道每个分子的运动状态。

2.统计规律

大量偶然事件的集合所表现的规律称为统计规律。从微观上看，每个分子每时每刻都在不停地做无规则的运动，不停地碰撞着。由于碰撞，分子的速度不断地改变，因此我们要跟踪某一个分子，看它如何运动是很困难的，也没有必要。我们只对这些大量分子运动的结果感兴趣。例如：我们要研究的温度T、压强p等，是大量分子运动的统计结果，所以对微观状态的描述是用统计规律来描述的。对大量气体分子，其微观量的统计平均值与宏观状态参量之间有确定的关系。这说明大量气体分子的整体运动服从统计规律，因此可以用统计的方法进行研究。

3.分子之间存在相互作用力

分子之间既有引力，也有斥力，引力与斥力同时存在，它们统称为分子力。如图8—2所示，当分子间距离为r=r0时，引力与斥力相等；当r＞r0时，引力大于斥力，合力为引力；当r＜r0时，斥力大于引力，合力为斥力；r0约为10-10m。分子力是短程力，当r大于10-9m时，作用力可以忽略。(www.xing528.com)

近代科技已能实现对分子（原子）力的探测，并且基于分子力的检测，研制出了足以“看清”固体表面原子排布的原子力显微镜。

图8—2　分子间距离与相互作用力的关系

4.扩散现象

系统中的每个分子都在不停地运动，扩散现象就是分子运动的结果。不仅气体和液体有扩散现象，固体也有扩散现象。例如：普通白炽灯用久了，灯泡会发黑，这是灯丝的金属分子扩散而附着在灯泡的玻璃内壁上所致。工厂中还利用扩散现象，使碳分子渗入普通钢制成轴的表面，使其既耐磨又保持足够的韧性。