五、固体的基本性质
1、固体的主要特征。
固体有一定的形状和体积。固体微粒结合很牢固，有固定的位置，不容易移动，所以有一定的硬度，不容易改变形状。温度升高能够使固体膨胀，最后是熔化变成可以流动的液体，也可能直接变成气体，也可能引起化学反应而变成其它物体。
2、固体有晶体和无定形体（非晶体）两类。
1912年发现了晶体的空间点阵结构：组成晶体的微粒（分子、离子、原子）有规则排列。晶体一般都有一定的有规则的几何外形，最基本的特征是各向异性，就是不同的方向的物理性质不同，有一定的熔点（晶体和液体平衡时的温度）。晶体的外形的规则性和各向异性都是晶体内部结构决定的。多晶体是各向同性的，但是有确定的熔点。晶体有离子晶体、原子晶体和分子晶体。结晶水、结晶水合物也是晶体。非晶体是各向同性的，没有一定的熔点，只有软化温度范围，又分为玻璃体和微晶体两类。非晶体的分子构造与流体相同，是不稳定的，在一定情况下会变成晶体。晶体和非晶体是可以转化的，转化的条件是温度。
炁学提示：西学唯一没有发现的物质是晶体内的炁子。炁子是决定晶体和非晶体及其性质的关键物质。晶体的空间结构是由炁子决定的，不是由分子决定的。
图4.43晶体的内部结构
3、固体的形变、弹性、范性和胡克定律。
力会使物体发生变形。在力的作用下，固体会发生形变，就是形状和体积发生改变。任何物体（包括固体、液体和气体）在受到任意大小的力的作用时都要发生形变，不发生形变的物体是不存在的。固体的形变同物体的尺寸、形状、外力的大小、方向和作用点、材料等有关。
衡量固体变形能力的是弹性和范性。在除去所加的外力后，能恢复到原来形状和体积的性质叫做弹性，不能够恢复原来形状和体积的性质叫做范性（也叫做塑性），相应的形变叫做弹性形变和范性形变。任何物质都有弹性和范性，范性大则弹性差。弹性形变的基本类型有：拉伸、压缩、切变、扭转、弯曲形变等。产生弹性形变时，外力做功变成弹力的势能，温度不会升高，发生范性形变时温度就要上升。晶体粒子之间是弹性结合，有引力和斥力作用。弹力是物质微粒之间相互作用的表现。弹性限度就是使固体发生范性形变所需要的最小胁强，是使固体不能够恢复原状的限度（弹性和范性的界限）。弹性限度大说明弹性好。弹性限度大的物体叫做弹性体，例如钢铁、橡胶，弹性限度小的物体叫做范性体，例如铅、蜡烛。物体受到大于弹性限度的作用力后，就不能够恢复原状。根据弹性限度把材料分成弹性材料和范性材料。不同的物质的弹性限度是不同的，一般材料的弹性限度为0.25~31.6公斤/毫米2。弹性限度还同温度有关，会受到温度的影响：温度高则弹性减弱，范性变大。范性提高有利于加工，热加工就是利用这个性质进行的。
胡克定律，也叫做固体的弹性规律，是由英国人胡克（1635-1703）发现的：在弹性限度的范围内，固体在外力F的作用下发生的形变△L，同它所受到的外力成正比，数学表达式为：△L=KF，其中K为伸长系数。利用这个定律，人们制造了弹簧秤等测力计。
胡克定律的另一个表达式为：（L-L0）/L0=αδ。其中：α叫做伸长系数，δ=P/S叫做胁强，E=1/α叫做弹性模量（杨氏模量），是使物体伸长一倍时所需要的胁强。一般材料的E值小于2.2×104公斤/毫米2。
强度是材料受力时抵抗破坏的能力。使材料破坏所需要的最小胁强叫做极限强度，其值越大材料越坚固。一般物体的极限强度是拉伸时小于95公斤/毫米2，压缩时小于88公斤/毫米2。极限强度同资用胁强（允许承担的胁强）的比值叫做安全系数，一般由国家规定。钢梁的安全系数是2.5~4，铸铁梁为6~8，木梁为8~10。如果负载是冲击性的，安全系数应该增加到2倍左右。
炁学提示：这些性质由炁子决定，因为分子的位置是由炁子决定的。这些物理量测定的是炁子能量，也就是分子之间的结合力。
4、固体的压强。
压强是单位面积所受到的垂直压力。压强P=压力F÷受力面积S。
炁学提示：压强的大小由炁子决定。因为在物体里量子之间有十分巨大的空隙，如果没有炁子存在，是很容易被压缩的。正是由于炁子的存在，使物体不容易受到压缩。炁子让分子之间产生吸引和排斥作用，所以拉压物体都是需要力量的。
图4.44炁子产生压强
5、硬度。
硬度是材料抵抗外力刻划或者压入其表面的能力。硬度的测定方法：划痕法和压入法。一般物体的硬度是850公斤/毫米2以内。最硬的物体是氮化碳，比金刚石（硬度为10）还硬，其硬度随氮含量而提高，以C3N4比例最硬。1989年美国学者通过计算预言氮化碳的体积弹性模量为461~483吉帕，比金刚石的443吉帕还高。1993年7月，美国哈佛大学终于制造出来了这种物质。氮化碳比金刚石有许多优良特点，成膜既硬又光滑，耐热耐氧化，导热性好，绝缘性极佳，光学效果优异，可能是激光的优良材料和性能优良的高温半导体材料。以往都是制造材料再进行理论研究，现在改变了这种做法，从理论到实验，说明了理论指导实践的力量。理论的力量的十分强大的，像计算机这样复杂的系统，如果没有理论指导，而是靠一边制造零部件一边测试修改的方法是根本不可能制造出来的。
炁学提示：物体的硬度也是跟炁子有关。炁子硬则物体才能够硬。
6、固体的应用。
这有多方面的用途。例如用金属制作电线电器、器具、工具，制造合金、泡沫金属、塑料、化肥，用冰冷藏食物，使用土壤耕作和开采矿物等。合金是两种以上的金属的混合物。合金使熔点下降，硬度上升，塑性上升，导电性传热性下降，化学活性下降。钨（W）的熔点最大，为3370℃，常用来制造灯丝。泡沫金属的孔隙度在90%以上，是通气性金属，具有质量轻（比重小于水）、有良好的吸收能量的性能（隔音、隔电磁波、隔热、耐冲击、防震）、导热率极低（纯铝为180，发泡铝为2，单位是kcal/mh℃）、容易加工等性质，用途十分广泛。