凯尔·柯克兰德博士所著的《原子与材料(我们世界中的物理)》为该系列丛书之一。该书对物质进行了深入探讨，不仅涉及最基础的组成物质的原子及其化合物，而且描述了人们在技术和社会中是如何使用这些材料的。从粒子束到混凝土块，材料存在的方式可谓五花八门，而所有这些材料都对人类的生存环境有着至关重要的作用。

也许有很多人认为物理既难学又无趣，但是当你翻开这套书就会发现，原来课本上学到的物理知识不仅仅是用来做题或应付考试的。生活中的方方面面都离不开物理原理。也许你还没有意识到，在学习了几年中学物理之后，你已经几乎能够解释生活中遇到的任何状况。凯尔·柯克兰德博士所著的《原子与材料》关注的是我们身边各式各样的材料。作者都通过大量生动翔实的例子，一一说明了组成材料的原子和不同材料的性质及应用。《原子与材料》的独特之处在于作者将看似无关的原子弹、航天飞机、防弹背心甚至科幻小说中的“太空升降机”联系在一起，一步步系统地讲解了材料科学的相关知识。

前言

鸣谢

简介

1 原子物理与分子物理

 看见原子：扫描隧道显微镜

关于元素周期表

 粒子束

原子成分

 核能

 分子力

 纳米技术

 神奇的旅程

2 物质的相

 物质：原子的集合

相变

 气体：前进，火箭

 液体：保持车轮转动

 固体：制造塑像

 动力、电视、核聚变中的等离子体

3 水

 生命中最重要的分子

极性分子

 爬上细管：毛细管作用

 昆虫如何行走在水面之上

 冰和雪

 “播种”雨云，收获雨水

4 材料

 刀剑、飞机、硬币——文明中的金属

测量材料强度

 玻璃与陶瓷

 塑料：长链分子

聚合

 合成纤维

 凯芙拉与防弹背心

 复合材料

 为航天飞机护航：耐热板

 假体：人造肢体

 未来的材料

5 建筑

 古代“摩天大厦”

 混凝土与钢

 现代摩天大厦

 太空升降机——未来之塔

结语

元素周期表

化学元素表

译者感言

昆虫如何行走在水面之上

尽管水不能让豌豆长上天，但是水的表面张力可以实现一个有趣的现象——使昆虫在池塘表面行走。

水黾(min)是池塘和流动缓慢的溪水中最常见的昆虫。事实上，它们是水上而非水中最常见的昆虫。尽管昆虫的密度比水大，但是水黾不会沉入水底。极性水分子的内聚力足以在池塘或溪水表面形成一层“皮肤”，昆虫或针这样很轻的物体不会破坏水的表面，因为它们作用在水上的压力太小不至于将氢键打断。

一只成年水黾体长可达O.5英寸(1.25厘米)。和其他昆虫一样，水黾有6条腿。中间的一对腿最长，用来轻推水面前进。这种推动十分精巧，推动使少量水运动起来，科学家还不完全肯定昆虫是否依靠制造水波或漩涡前进。麻省理工学院年轻的华裔博士胡立德(David Hu)和他的导师约翰·布什(John Blash)及同学布莱恩·陈(Brian chan)合作研究，制作出一只机械水黾，并于2003年在《自然》杂志上发表了一篇名为《水黾运动的动力学原理》的文章，文章中指出，水黾在水面制造出漩涡，表面之下的水流向后运动，推动水黾向前运动，就像火箭从后喷嘴喷出推进剂前进那样。

冰和雪

生活在水中或水附近的生物不仅仅利用其表面张力。水常常随着季节发生相变，夏季是水，冬季是冰雪。湖泊池塘在冬季一般不会完全结冰，只是表面变成固态，下面仍是流动的水，使水中的动植物得以存活。

相变是地球水循环的组成部分。有少量水分子在化学反应中消耗掉，也有少量水分子是新生成的，但是地球上绝大部分水只是在不同物相之间循环：液态水蒸发为水蒸气，水蒸气上升到大气层顶部凝结成水滴或冰晶，水滴和冰晶又以降雨和冰雹的形式回到地面。

江河湖海中的没有蒸发的那部分水留在其中，随着季节变换同样要经历相变。在北半球的一些地方，比如加拿大、美国北部和北欧诸国，冬季十分寒冷，不仅小溪会结冰，甚至大江大河也会结冰(南半球的一些地方也有一样寒冷的冬天，比如位于南美洲最南部的阿根廷火地岛)。尽管如此，由于水的物理性质特殊，江河湖泊不会完全冻结，除了那些极浅的湖泊和溪流，大部分冰面之下仍有流动的水。

水体不会完全结冰是由于水结冰时体积膨胀，这是一种只有极少物质会发生的反常现象。通常，降温引起物质收缩，因为分子在低温时运动缓慢，向外扩张的趋势也随之减小，故而体积减小。但是水结冰与此不同，冰的密度比水小，漂浮在水面之上。密度减小是因为在水结冰的过程中，氢键会产生一种力推拉分子，使分子既不会分离太远，又不能靠得太近，最终形成六角形结构。六角形的冰晶比同样质量的液态水体积略大，因此冰的密度比水小。

39。F(4℃)的水密度最大，这个温度比冰点32。F(0℃)略高。水从高温冷却到4℃的过程和其他物质一致，随着温度降低水的体积逐渐减小(尽管减小得很少)，但是一旦达到4℃水的体积便开始膨胀，继续降温膨胀将一直持续到冰点。由于密度大的物质会下沉，因此4℃的水会沉到其他温度的水之下。湖水的温度并不均匀，4℃的水会沉入湖底，原先湖底更冷的水则会上浮到湖面并结冰。尽管湖底的水温也很低，但是却能尽量保持在冰点之上，除非天气寒冷到使全部湖水都结成冰。

冰漂浮在水面上给水下的动物提供了生存空间，但是也带来另一个不良后果。在每年相对较暖的春季和夏季，大约有1万—2万块冰从格陵兰和北极的巨大冰川上脱落。多年的降雪经过漫长积累，在重力作用下压紧变成冰，从而形成冰川。巨大的重量推动冰川“流动”，好像一条条冰之河，每天移动距离可达15米(49.2英尺)以上。经过几千年的运动，冰川达到大陆边缘，或者在大洋表面形成冰盖。海浪和潮汐逐渐侵蚀冰川，使大块的冰脱落掉人海中形成漂浮的冰山。

冰山形状各异、大小不一。同汽车一样大的冰山被老水手们称为咆哮者，与房屋一样大的则称作小冰山。有些冰山非常庞大，例如被气象学家命名为B15的冰山，这块冰于2000年3月从南极罗斯冰架脱落，体积和美国特拉华州相当(特拉华州是美国第二小的州，全州面积62 062平方千米，略小于中国宁夏回族自治区)，在学术分类中属于“十分巨大”一类。

冰山的形成不但漫长，而且需要吸收大量的热，因为极性水分子相互连接紧密，需要很多能量才能将它们分开。冰山会给船只航行带来危险，最著名的灾难非泰坦尼克号莫数，这艘号称永不沉没的巨轮首航时被冰山在船底撞出一个大洞，最终沉人大西洋底。没有人知道制造这场灾难的冰山有多大，据幸存者估计，冰山露出海面的部分有98.4英尺(30米，大约为10层楼的高度)高，295.3英尺(90米)长。尽管这部分体积已经很大，但是真正的冰山远不止如此，由于冰的密度仅仅比水的密度略小一点，冰山的绝大部分(约为总体积的7／8)隐藏在海面以下。

雪也是水的固体形式，但其危险程度要比冰小得多。大气层顶部的温度很低，其中的水分结冰并下落，如果地表的空气温度比较高，例如在温暖的春季或夏季，冰便会在下落过程中融化形成降雨。比较冷的季节里，大气层底部的温度也很低，小冰晶在降落的过程中会逐渐长大。不同温度下形成的冰晶形状不同：接近冰点时冰晶为平板状；略冷一些的情况为圆柱形；更冷的情况下会出现我们熟悉的六角形雪花，此时温度约为—0°F(—17.8℃)。雪花在下降过程中穿过大气的各个层，经历各种条件和温度变化，没有两片雪花经历完全相同，因此每片雪花都会成长为自己独有的形状。

P36-40

1945年，两枚核弹终结了第二次世界大战，这是对物理学威力的一次展示，让人惶恐而又令人信服。由世界上最杰出的一些科学头脑酝酿出的这次核爆炸摧毁了广岛和长崎这两座日本城市，迫使日本不得不无条件投降。应该说，物理学和物理学家的身影贯穿于第二次世界大战的始终，而原子弹只是最生动的一个例子。从那些用于炸坝的在水中跳跃前进的炸弹，到那些感应到船体出现便发生爆炸的水下鱼雷，第二次世界大战实际上也是一场科学的较量。

第二次世界大战让所有人，包括那些多疑的军事领导人相信，物理学是一门很重要的科学。然而，物理学的影响远远延伸到了战场之外，物理学原理几乎关系到世界的每个部分，触碰了人们生活的方方面面。飓风、闪电、汽车引擎、眼镜、摩天大厦、足球，甚至包括我们怎么走、怎么跑，所有这一切都要服从科学规律的安排。

在诸如核武器这样的话题或者有关宇宙起源的最新理论面前，物理学和我们日常生活的关系往往显得黯然失色。“我们世界中的物理”这套丛书的目标就是去探究物理学应用的各个方面，描述物理学如何影响科技、影响社会，如何帮助人们理解宇宙及其各个相互联系的组成部分的性质和行为。丛书覆盖了物理学的主要分支，包括如下主题：

◆力学与动力学

◆电学与磁学

◆时间与热动力学

◆光与光学

◆原子与材料

◆粒子与宇宙

“我们世界中的物理”丛书的每一册都阐释了有关某个主题的基本概念，然后讨论了这些概念的多种应用。虽然物理学是数学类学科，但这套丛书主要聚焦于思想的表达，而数学知识并不是重点，书中只涉及一些简单的等式。读者并不需要具备专门的数学知识，当然，对于初等代数的理解在有些时候还是很有帮助的。实际上，每一册可以讨论的话题的数量几乎是无限的，但我们只能选取其中的一部分。令人遗憾的是，不少有趣的东西就这样不得不被省略掉。然而，丛书的每一册都涉猎了非常广泛的材料。

我曾经参加过一个讨论会，会上一位年轻学生问教授们，是否需要备有最新版本的物理教科书。有一位教授回答说，不，因为物理学的原理“多年来一直没有改变”。这个说法大体上是对的，但这只是对物理学的效力的一个证明。物理学的另一个支撑来源于建立在这些原理之上的令人吃惊的诸多应用，这些应用仍在不断扩展和变化，其速度之快非同寻常。蒸汽机已经让位给了用在跑车和战斗机上的强大内燃机，而电话线也正在被光导纤维、卫星通讯和手机等取代。这套丛书的目标就是鼓励读者去发现物理学在各个方面、各个领域所起的作用，现在的、过去的以及不远的将来的……

人类一直希望制造持久耐用、契合最佳、功能最强的物品，这一目标和材料科学息息相关。不论是原子之类的粒子，还是尼龙之类的纤维，抑或不锈钢之类的合金，这些材料的性质决定了由其制成的物品的性质。合适的材料就是能够使某种工具、马达或建筑成为现实的那种物质。

我们在第2章讨论了物相。物相，或称物态，使同一种材料显示出不同的性质。固态的金属与加热后变成液态的金属完全不同。对于地球生命具有重要影响，专门在第3章单独讨论的水则拥有更加丰富的形态。水在大气中以气体水蒸气形式存在；在河流和海洋中是液态的；在冰川中则是固态的。相变使物质结构发生变化，有时这种变化是明显的，比如液态的水凝结成为固态的冰，有时变化却是微妙而难以察觉的。不论属于哪种情况，相变都会对物质的性质产生巨大影响，导致全新的物质出现。

1991年上映的电影《终结者2》中塑造了一个金属机器人，这个机器人可以改变形状，几乎可以模仿任何物体。从人到直升机，机器人通过流动完成变形过程。在变形时，机器人体内的金属是液态的，仅当变形完成之后，金属原子才键合在一起成为固体。

普通金属不能像科幻电影中表现的那样发生变化。第四章详细地讨论了金属材料，大部分金属在室温下是固态晶体，原子间通过强烈的金属键相连。加热可以破坏金属键，当温度升高至某种金属的熔点之上，这种全属便会熔化成为液体；否则金属是不会流动的。《终结者2》中的金属的性质更像玻璃，第4章也介绍过，玻璃内部缺乏晶体结构，是无定形物(没有固定形状)。玻璃只要稍微加热就会流动。即使保持固态，由于没有规则的内部结构，玻璃的性质也和液体十分相似。

但是无定形的金属尚未发现。1992年，加州理工大学的威廉·约翰逊(WilliamJohnson)教授、阿塔卡·彼得(Atakan Peter)及其他同事制造了一种固化时不形成结晶的金属，这种金属称为液体金属合金，一家位于加州森林湖的名为液体金属技术的公司目前正在生产、销售这种材料、

液体金属类似玻璃的性质使其比其他金属更加容易切割成型，并且可以保持并记忆原有形状，在弯折变形后可以自动恢复原状。液体金属更易加工，因为这种金属容易流动，熔点低于其他晶体金属，加工过程简单。其他具有应用价值的属性还包括抗腐蚀性以及卓越的强度和硬度。现在这种金属用于制造小型闪存(存储数字信息的设备)的保护外壳。

尽管目前液体金属的应用范围有限，但是随着性质的进一步完善，这种材料的用途将会十分广泛。像《终结者2》中的机器人一样完全改变外形暂时无法实现，但是在某些情况中，即使形状只发生微小的改变也是大有裨益的。例如，高速飞行的太空飞船必须拥有坚硬的外壳以阻挡碎石或星体碎片的撞击。碎石和飞船的相对速度很大，足以使碎石刺穿船体造成惨剧：船内的空气外溢到真空中，导致宇航员暴露在真空中窒息而亡(或被自身的气压撕碎)。这一可能对于美国宇航局正在筹备的登陆火星计划尤为重要，因为登陆火星需要接近太空中含有大量碎石的区域。但是，即使使用较厚的外壳也不能保证飞船可以承受撞击，而外壳增加了飞船的重量，使飞船发射的效率降低、成本升高。

然而，玻璃样金属在撞击中不会产生致命损伤。即使撞击导致金属上出现孔洞，金属也可以通过流动在大量空气外溢之前将孔洞填补完好。这种具有自我修复功能的外壳既可以提供保护，又不会使飞船重量增加。

自我修复飞船和可以变形的建筑仅是未来材料可能实现的众多功能中的两种。新材料的出现总是会带来设备的改进和创新，比如青铜剑、玻璃瓶、塑料袋和喷气式引擎等等。随着对原子的深入了解，以及原子如何相互作用形成地球和宇宙中难以计数的已知和未知的物质，人类终将实现随心所欲建造任意物品的目标。