地板下的原子：隐藏在家中的科学 |周末读书

出版商：化学工业出版社

作者：（英）克里斯•伍德福德（Chris Woodford）

开本：B5

页码：232页

定价：58.00元

出版日期：2020年8月

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推

荐

理

由

• 美国物理联合会（AIP）2016年度“科学写作奖”

• 英国物理学会（IOP）《物理世界》杂志2015年度“十佳物理图书”

• 畅销全球，俄罗斯、波兰、韩国、意大利、德国、越南等多国引进出版

• 打破对物理的畏难情绪，所有场景都来源于日常生活，轻松代入，就能学到物理知识

内容简介：为什么摩天大楼会在风中摇晃？为什么你无法吹干净书架上的灰尘？为什么肚子在猛摔进游泳池时比跌在柔软的垫子上更疼？为什么你能通过网络传输照片？无线电的原理究竟是什么？既然我们看不到原子，我们怎么知道原子真的存在？《地板下的原子——隐藏在家中的科学》一书可以帮助你回答这些问题。

本书以一种生动有趣的方式，探索了日常生活中的科学。没有复杂的公式，也没有烦琐的计算，作者用简单的语言阐明了复杂的科学原理。从科学的角度来说，本书内容涵盖了力、光、热、电、磁、物质属性等领域的基本科学概念。

本书是一本青少年科普读物，尤其适合中学生阅读使用，也可供中学教师准备教学案例参考使用。

作者简介：克里斯•伍德福德(Chris Woodford)，剑桥大学自然科学专业，专注科普领域写作二十多年。运营人气教育网站Explain that Stuff（网站主要介绍日常科学），撰写、主编、参编过的图书被译为近20种语言，销量超过四百万册，获奖或入围图书推荐名单超过40次。

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内容节选：

第8章

不可思议的玻璃（节选）

煮沸的沙滩

这里有个制作玻璃的简单方法。你带着提桶和铲子飞快跑去海滩，然后挖一些沙子，再生个熊熊大火。把沙子煮成“汤”，然后快速冷却，变——你就会得到玻璃了。你还需要再添加一些成分来精炼以提高质量（比如钠和碳酸钙之类的东西，能使制作过程变得更简单，接着再轻轻拌和一点硒、铁或铜等金属，能让玻璃变成好看的粉红或绿蓝色）。实质上，这就是玻璃制作过程的全貌：将沙子煮沸，冷却后使用。1945年7月16日，当奥本海默（J.Robert Oppenheimer）和同事们在新墨西哥州沙漠制造出第一颗原子弹时，就曾试验过这个方法，并得到了惊人的结果。他们极高的烹饪技术，使得炸弹塔正下方一个直径0.75千米的沙圈，立刻变成了具有放射性的绿玻璃。

现在如果你把冰加热变成水，然后再冷却，撇开过程中损失的水蒸气不谈，所得到的差不多还是一开始的东西：冰。沙子却不一样。如果你把沙子加热成液体，然后再冷却，并不会得到原来的那个固体。沸腾之后，固体中的原子开始四处分散并微微振动：你可以倒出融化了的沙子，吹制成型，或者倒进模具里制作出一片片玻璃。但冷却后的原子，并不会像我们在一般固体中所见的，安静地井然有序排列。相反，我们会看到一种杂乱无序的特别结构，介于液体的混乱与固体的有序之间。我们称其为非晶固体，或者有时叫做半固体。你常常会在书里读到玻璃是一种尚未凝固的液体（这种说法有点误导，稍后说明原因）。

卡在中间状态

如果用人群来比喻，就比较容易理解玻璃的状态——人山人海。想象有几百名上班族在高峰时飞奔过地铁站的大厅。把人当成原子的话，这就是气体的状态。现在想象一群观众挤满了剧院的入口大厅。他们相互靠得更近，摩肩接踵地走到售票口、寄存处或水吧，纵使移动缓慢又有点迟钝，却依旧能自由移动。这就是拟人化的液体状态。如果把人群紧密排成行列，像士兵的纵列队一样，结果就是固体的状态。他们依然可以在自己的位置上稍稍移动，但因为无比拥挤，任何人都不可能单独逃脱，也不能使整体结构大幅改变。

那么，什么是非晶固体？假设你在凌晨四点命令一整营的士兵起床，而且只给他们一分钟时间准备。到处充满了呼叫声与快动作，有穿了一半的制服和醒了四分之一的睡脸，然后你在60秒的时候喊出“停！”，迫使每个人立刻停下动作。结果就会看见一堆人停止在有序与混乱的中间地带：有几个已经准备就绪；还有许多人冲往大致正确的方向。这时候的状态看起来比较像固体，而不是液体，但是离固体整齐、晶化的排列还很远，你必须给士兵更多时间才能得到固体那样的状态。这就是非晶固体的形态：还没准备好的固体。玻璃绝非唯一的非晶固体物质。比如，你非常快速地让水降温，就可以做成非晶态冰。虽然我们在日常生活中不容易看到非晶固体，但在浩瀚的宇宙里，它却以宇宙霜的形式普遍存在：彗星绝大部分由它组成。

玻璃介于固体与液体之间，尽管这个形容是正确的，并不代表它仍处于转变成固体的过程中，或者最终会完全固体化：玻璃的固体程度只能到中间这个状态。另外，形容玻璃是半固体，就像是以超慢动作流动的液体，也是不正确的说法。儿童科普书里有个老生常谈的说法，认为古老的玻璃窗的下面比上面厚，是因为半固体态的玻璃正非常慢地往下流动。其实这种说法并不正确，专家认为真正的原因在于，当时的玻璃以传统制法（吹制成型）制作，造成有些地方比其他部分厚，而一般镶嵌时都把最厚的部分放置在底部。

典型的固体(1) 有规律的内在结构。我们称它为晶化结构或晶体结构，尽管像金属这样的固体，跟你在商店里看到的闪烁的石英毫不相同。玻璃(2) 的结构比较混乱且为非晶形，没有任何明显的模式或秩序。

为什么玻璃会碎裂？

玻璃是再戏剧化不过的东西。“看我！看我！”它叫嚣着，但是一遇到麻烦，它就出现裂纹、碎成片，粉碎成一地的玻璃块。大部分的固体不会如此，或者不会变成类似的结果。用拳头拍击桌面，整个书桌并不会在你手下碎裂。倒车撞到墙壁，你顶多有一两处擦伤或保险杆凹陷，但绝不会置身于一堆尘土中。那么，玻璃有什么不一样呢？

正如我们在前一章学到的，归根究底差别都在“内部的秘密”里。金属是紧密堆积的晶化固体，其中的原子可以勉强地缓慢移动。你可以敲打金属，把成排成列的原子击打到新的位置，来使金属塑形。由于金属的原子可以移动，金属就能迅速吸收你的铁锤敲击所供应的能量。但是，玻璃是有空隙的非晶结构，原子并不是紧密堆积在一起，而是不受约束地、杂乱地连接在一起。射出一颗子弹穿过玻璃，由于玻璃中的原子无法迅速顺利地重新排列，也没法吸收或耗散子弹的能量，结果就导致了整个结构的瓦解。即使是最轻微的应力，也能让玻璃裂开。

“防弹玻璃”这个词并不准确：没有这种东西。挂着这个名字销售的东西，既不防弹，也不是玻璃。更准确的说法是抗弹，由玻璃和塑料组成的一种层压板（多层键结）制成。对着这种抗弹层压板开枪，子弹的能量会被分散，由夹层吸收，所以能量能够迅速耗散。其中的塑料能防止玻璃碎裂，协助吸收子弹的能量，所以即使子弹能穿透玻璃，但是它的速度会变慢，从而避免危及性命。

为什么你可以看穿玻璃窗？

在便宜的替代品“塑料”出现之前的几千年里，玻璃一直是“透视”的终极选择。确实如此，除了水和几样天然物质（想想蜻蜓的翅膀），玻璃仍是仅有的几种透明物质之一。玻璃的透明性显然归结于光能穿透玻璃这项事实，但为什么光无法穿透其他固体呢，例如金属？

厚度并不是症结所在：薄纸张是半透明的（可让光穿过，但在过程中会使光分散、重新排列，所以你无法真正看清楚那里的东西），而不是透明的（让光穿过，因此你可清楚看见另一边的东西）。如果你把非常薄的描图纸贴近放在某个东西旁边，那么纸看起来是透明的；但如果隔着一些距离，它就是半透明的，因为描图纸会让一部分的光反射（以一个精确的角度使光线回弹），一部分的光透射，还有一部分的光散射（以任意角度把光投射出去，让光无法准确透射）。铝箔纸的厚度不到0.2毫米，比大多数纸张更薄，但你肯定无法看穿它。

物质是透明的还是不透明的，取决于当光试图穿过物质的过程中，物质对光所造成的影响。金属会迅速吸收入射光的粒子（称为光子），同时往往还吸收了其他类似的东西，包括X射线（第10章将详细介绍光这个主题）。金属的原子环绕在一片自由电子的海洋中，那些自由电子能轻易吸收光的光子，然后再次将它们放出去，就像接球一样有效地抓住光子，再把它们抛回原来的地方。闪亮的金属如铝和银，可以抓住各种光子（所有颜色的光），再把它们扔出去，因此是制作镜子的好材料。有色金属如铜或金，可以吸收一些光子，同时反射或透射其他光子（铜会反射任何入射光中的红光光子，但可以吸收从黄和绿到蓝和蓝紫光谱中的光子）。

玻璃有何不同呢？答案还是在“内部的秘密”里。在玻璃中，为了把那些奇怪的非晶结构原子结合在一起，所有的电子都处于忙碌状态，因此需要更多能量来激发这些电子。这表示玻璃无法像金属一样，抓住可见光中微弱的光子，所以那些普通光子就直接从一块玻璃的一边钻入，再从另一边钻出。玻璃中的原子甚至几乎没注意到它们。然而，如果我们使用紫外线，它的光子的能量比可见光中那些光子的能量高，也更容易被玻璃吸收。这就是为什么玻璃在纯紫外线下一般看起来是不透明的。添加金属原子来为玻璃上色，两全其美：光可以穿透，内部的金属原子则在这个过程中改变光的颜色。

当阳光照射在铜(1)上时，会激发金属原子内部的电子。被激发的原子变得不稳定，再次将光反射出来，不过反射出来的光比较红，这就是铜看起来带着特征红褐色的原因。玻璃的情况不同(2)。当普通光照射玻璃时，并没有足够的能量激发原子。光只会通过玻璃，然后以几乎没有改变的状态在另一边出现（尽管它的路径会发生一些偏折）。

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