物质的相变-当代科学之谜

                                          晏成和

上一篇文章从氢气、氧气的形成，明确了价和电子的包围运转-推理到一般物质的连接、结合的价和运转原理，简单的介绍了固体物质结构的形成。

早年学者猜想原子的电子云“偶合成键”，之后各种化学键种类繁多，表面上牛气十足，可是与温度无关，当问到锡在230℃烙铁下熔化成了液态，其金属键如何解体？水在低温结冰、键是如何建立？面对自然物质普遍存在的相变事实，头头是道的化学键理论集体失声，司空见惯的相变、成了存疑千古的自然之谜。

当今物理面对与温度相关的实验-分子热运动，总想把物质相变与分子热运动扯上关系，可是热怎样使固体的化学键解体？热怎样使水蒸发、气化？相变为什么会有固定的温度点，这无规则的分子热运动如何能够导致这极具规律的相变？仍然是困惑物理学的世纪难题。

     * 温度与相变

上篇文章，简要谈到金属结构、共价晶体结构，知道固体结构是由价和电子运转所提供的价和力、电磁力所构成。温度升高，物质由固体相变成液体，原来的固体结构坍塌，价和力、电磁力丧失、结构垮塌。相变、温度是外因，内因、当然应该是从价和电子的运转中去探寻力的丧失和垮塌的原因。以下是关键词及其相互关联特征。

相变——物质的结构、状态、特性的变化，这些变化与温度相依相存；

温度——与核外电子速率、线路密切相关，温度高-电子运转速率高；

结构——物质的结构、状态的建立与解体，与电子的价和运动密切相关；

那么，相变与温度、结构与温度、核外电子的速率、线路与物质相变直接相关；物质的相变-温度-核外电子速率-价和电子运动之间、存在着必然的逻辑联系。之前讨论过：物质构成的力学特性源于且服从价和电子的规律运动，因此，温度改变-价和电子运动的改变-结合力的改变，是导致相变的直接原因。

     一百年来，电子运转的线路、速率是科研禁区，探讨相变不敢涉及电子的运动，而物质相变与温度有着直接的联系，但又要遵循无规则的分子热运动。自然事实是：相变具有固定、特有的温度点，是极有规律的。想从无规则的电子云中研究出有规律的相变，实在是异想天开。

百年物理忠实地执行电子云理论而禁锢探讨电子规律运动，作茧自缚让学说脱离自然真实、造成探索无门，于是司空见惯的相变就成了困惑科学的自然之谜。

禁锢虽然严苛，但自然事实铁证如山，温度达到一定的程度，水能沸腾、钢铁能够熔化。温度导致了相变、温度改变核外电子运动速率。那么就是：温度-相变之间有一个关键的中间项-电子的速率和线路。即：探讨相变必须研讨价电子的运转规律及变化，这个逻辑篤定！

* 固体结合力的坍塌

上一篇结论：一、原子之间的连接-价和运转形成结构元；二、构成结构元的电子速率速率随着温度的改变。固体的存在的原因是：原子之间相互吸引价电子、形成结构元之间稳固的结合，有稳定的结合力。温度升高，核外电子、价和电子速率加快。我们就可以依据这两个特点来探讨科学之谜-物质的相变。

自然事实是：随着温度升高，蜡烛、沥青会变软；钢铁烧红了也容易煅打，温度升高物体的塑性增加。那么，核外电子速率加快与物体塑性增加、内聚力减小，存在必然的内在联系，相变探索面临着温度与结合力变化内在关联的探讨。

结构元之间结合力的变化是相变的关键。说到力，我们学过，力有三要素：大小、方向、作用点。在物质的内部、构成物质的内力同样存在这三要素，而且这三要素在构成物质的相态上起着至关重要的作用。

一般来说，价和电子速率高、价合力和电磁力会加大，那么温度高-速率高、物体内聚力加大，物体结构稳固。为什么相变中温度高…内聚力增大，却没有出现，反而发生物体熔化？没错！别忘了力有三个要素，还有两个关键的要素是力的方向、作用点。力的方向不对正、作用点不专一，这个力就会大打折扣，甚至是荡然无存。

在固体物质的内部，价和电子的速率虽不是很快，但价和电子在稳定的平面轨道上运转，价和力的方向十分稳定、作用点固定；相邻结构元相互调适在固定的位置，所有价和力的作用点专一，力的三要素稳定，内力的稳固，才有了稳定的固体结构。

在金属固体内部，价电子少，只有一两个结构元，但价和电子在稳定的平面轨道上运转，电子运转伴生磁场力的方向十分稳定；所有相邻结构元相互调适在固定位置，力的三要素稳定，形成了金属体的固体结构。

例如金属固体（图三左，四边形表示平面）价和电子在平面运转，伴生的电磁力N S对正稳定、材料稳固。随着物质温度升高、材料的价和电子运转速率越来越快、达到极限，价电子的运转跃出平面，在一个带状椭圆（黄色）区间内上下扭曲运转（图三右），导致与电子旋转平面垂直的电磁力发生扭曲和晃动（图示上方红色区域），于是结构元之间电磁力的方向不能正对，遇到较大外力时，结构元之间容易移动换位。宏观的表现是物体内聚力变小，塑性、延展性增加。趁热打铁就是这个时机，这是个电磁力从稳固到物质塑性的变化过程。

      图三左金属固体及电磁力（箭头），右高温下电磁力晃动 

* 熔化-气化

熔化是物质由固态相变成液态的过程，也是固体的内力丧失的过程。温度继续升高、价和电子扭曲范围逐渐扩大，与电子旋转平面垂直的电磁力的方向晃动更加厉害，力的三要素中的两要素：力的方向散乱，力的作用点的散漫，物体内力紊乱。使得结构元之间的引力不稳，难以支撑原来的结构，在外力作用下容易发生换位移动，固体结构发生坍塌，宏观的表现是固体物质的熔化。图四（1-4）是物质从固态相变到液态、气态的价和电子运动变化的过程。外椭圆表示结构元橄榄状球体，黄色阴影表示价和电子在空间扭转运动的区域。

    　    （1）固体     （2）塑性增加    （3）液体      （4）气体            

                           图四  价和电子运动的线路与物质的相态   

图四（2）温度升高，价和电子的速率更高、价电子的运转跃出平面，在一个狭窄带状椭圆区间内上下扭曲运转，导致与电子旋转平面垂直的电磁力发生扭曲和晃动，于是，结构元之间电磁力的方向不能正对，遇到较大外力时，结构元之间容易移动换位，物体塑性、延展性增大。

图四（3）温度达到熔点，价和电子在一个更宽的椭圆区间扭曲运转，导致电磁力方向散乱，同时又受到侧向价和电子外斥力的干扰。于是，结构元在物质内换位、滚动、转向、重组-布朗运动。原来的金属物体内稳定的内力完全瓦解，刚性结构彻底消失——物体熔化了，相变成了液体。

图四（4）价和电子在空间呈球面扭曲运转，伴生的电磁力方向完全混乱-丧失，包围在球面的电子与相邻球状结构元电子相斥，结构元之间由斥力推开距离，物质呈气态。

非金属物质的相变原理与此相同，也是由于温度变化、价和电子运动的改变。固体物质的结构来源于价和电子稳定运动所形成稳定的力，温度变化-价和电子运转发生变化，伴生的结构力发生变化-物质发生了相变。

由此可见，物质的结构和相变，与物理的力学、热学相辅相成，过程和逻辑是清晰的。只要注重核外电子在热环境中的规律运动，相变就丝毫不神秘，相变是有理、有序的自然作为。

在液体内的原子，仍然是以结构元形式存在着，这些结构元成链成团成环、时合时分，不能形成整齐连续的架体结构，但物质内仍有一定的价和力、电磁力（但方向紊乱、瞬变），正是如此才构成了液体的内聚力，构成了液体内分子的布朗运动，构成了液体表面张力。 

在熔化过程中，最先受热的部分结构元的电磁力方向的紊乱，激化和干扰了邻近的结构元也必须加快价和电子的速率以适应这种变化，电子加快速率必须吸收热量 （吸收周围物质的电磁波辐射，使周围物质降温），形成变化惯性，宏观的表现则是熔化时的吸热现象。化雪时气温降低就是由这种吸热所导致的。

非金属物质，如：共价晶体，硅；化合物晶体，食盐。的内聚力不是电磁力，不会发生电磁力紊乱的相变，所以非金属结构的物体的熔化困难。而且相变之后呈现的是粘稠的熔融状态，不是流动性很好的液体。多个结构元之间关联度高，升温时要所有的价和电子同步加速，所以熔点很高。

相变，物质的相态与核外电子的运动状态精确对应，困惑人类数百年的自然之谜从此解开，今后教科书可以自信的告诉孩子：固态，价和电子在平面固定的轨道运转；液态，价和电子在立交轨道运转；气态，价和电子在球面轨道运转。温度降低，电子的运动、物质相态的逆过程完全成立。

                                 2025/2/12晚