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靠一个很离谱的定律在全世界闻名的物理学家
Vegard’s Law可能是唯一被写入教科书的,并且在多数情况下不成立的物理定律。由此可见,Vegard定律所表述的深刻内涵是何等的重要啊!
Vegard定律简单地给出固溶体晶格常数随组元成分变化的线性关系式,在多数情况下,Vegard定律与实验事实不符,但是人们习惯上却说实验偏离了Vegard定律。
经过10多年的思考,我看到了Vegard’s Law背后的物理问题,即原子和原子究竟如何接触。因此,我对Vegard敬佩有加,因为他于1921年为我提出了一个有相当含金量的科学问题。至于实验结果是否与他定律的计算结果相符合,这只是两个数据的对比,差别背后隐藏着的秘密,才是我梦寐以求的东西。
1921年,挪威物理学家Lars Vegard (1880-1963)发表了一篇文章(Z. Phys. 5 (1921) 17),提出了一个非常简单的公式(我用连续固溶体表述):
a=x1a1+x2a2 (1)
式中,a1和a2分别为组元1和组元2的晶格常数,x1和x2分别为组元1和组元2的百分含量,a为固溶体的晶格常数。
就这么一个简单的公式,而且在绝大多数情况下和实验结果并不相符,即计算结果和实验结果相比是很离谱的。但是,Vegard’s Law却出现在越来越多的现代科学文献中。
Deviationfrom Vegard’s law(Google搜索)
Departure from Vegard’s law(Google搜索)
据Wikipedia介绍,Vegard除了有个著名的Vegard’s Law之外,映像到现在的几乎一无所有(还研究过北极光)。(欢迎网友提供更多Lars Vegard的信息)
每当我思考Vegard’s Law的时候,我就会想到这样的问题:
与其发表几百篇SCI文章,还不如搞一个不太好用的定律,例如,Vegard’s Law。
从1993年起,我全方位(以后展开讲)地对Vegard定律思考了20多年,得到了别人得不到或没有得到的东西。换句话说,我从Vegard定律中,挖掘到了我想要的东西,其中最重要的idea就是原子和原子究竟如何接触?
Deviationfrom Vegard’s law(Google搜索)
Departure from Vegard’s law(Google搜索)
实验偏离了Vegard定律,这种表达方式,不仅仅是个语言问题,还有更深刻的物理背景蕴含其中(Vegard提出了一个科学问题)。
20年来我异想天开地思考Vegard定律,我得到了什么呢?请听我慢慢道来!
让我们先回到教科书,看看现在的权威教科书对Vegard’s Law的描述:
在多数情况下,Vegard定律与实验事实不符,但是人们习惯上却说实验偏离了Vegard定律。
我感兴趣的问题是:
实验为什么偏离了Vegard定律?
要回答这个问题,还需要从原子的模型讲起。
如果原子是刚性的(刚球模型),那么,对于连续固溶体体系,Vegard定律就不会偏离实验结果。换句话说,组元1和组元1混合形成固溶体时,如果原子是刚性的,那么,固溶体的晶格常数应该就是a=x1a1+x2a2。
问题是绝大多数实验结果和Vegard定律不符,因此,可以得到推论1。
推论1:
原子不是刚性的。
以Cu-Ni连续固溶体为例,进一步表述如下:
当组元1(Cu)和组元2(Ni)混合形成固溶体时,由于原子不是刚性的,组元Cu原子要收缩,而组元Ni原子要膨胀,如果Cu原子的收缩量和Ni原子的膨胀量相等,那么,固溶体的晶格常数仍然应该就是a=x1a1+x2a2。
问题是绝大多数实验结果和Vegard定律不符,因此,又可以得到推论2。
推论2:
是Cu原子的收缩量和Ni原子的膨胀量不相等,这才导致了固溶体的晶格常数不能再用a=x1a1+x2a2描述。
推论3:
如果Cu原子的收缩量大于Ni原子的膨胀量,那么,和Vegard定律的直线比,固溶体的晶格常数发生了负偏离;
推论4:
如果Cu原子的收缩量小于Ni原子的膨胀量,那么,和Vegard定律的直线比,固溶体的晶格常数发生了正偏离。
(根据原子界面处电子密度连续,可知Cu原子收缩,Ni原子膨胀)
推论3或推论4是否正确,最后要用实验数据来裁决!
以上推论3和推论4,是我对Vegard定律思考多年得到的深刻体会,即这就是隐藏在Vegard定律背后的秘密,我找到了。^_^
Vegard定律只是我思维的一个载体,于是,我先把Vegard定律背后的秘密发表,然后再回头写一篇关于Vegard定律的原子模型(已经被欧洲某物理刊物接受)。
TFDC相图(2003年,自然科学进展,点击可下载)
Atomic Phase Diagram(2004年,Progress in Natural Science,点击可下载)
英文版文章里提到:The atomic model of Vegard’s Law will be published.
中文版文章里也提到:《Vegard定律的原子模型》将另文发表;
为什么《Vegard定律的原子模型》10年后(2003年到2013年)才发表出来?
这是另外一个故事了,还是等文章出来之后再讲述吧!
Atomic Phase Diagram被别人实质性地引用了一次(引用一个图)。
Hardness of metallic crystals(在正文里引用了我的一个图^_^)如果仅仅是在Introduction里引用了我的文章,那就不值得一提了。 我的“原子相图”可以用来组装原子,《Vegard定律的原子模型》算是一个简单应用的铺垫例子。还需要另外一个不同应用的铺垫例子。
“昨夜西风凋碧树, 独上高楼, 望尽天涯路”。
在我的脑子里,已经有了模糊的物理图像,但是,要把这个模糊的物理图像清楚地表达出来,可能需要好几年的时间。就像对Vegard定律的思考一样。
不过,我已经做好了准备!
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GMT+8, 2024-12-26 22:59
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