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有哪些物理学上的事实,没有一定物理学知识的人不会相信?

知乎精选 2021-03-20 09:49:42

世上没有不透风的墙。

哪怕你用纯金属浇铸一堵严丝合缝的墙,气体原子(特别是氢)在量子隧穿效应的作用下,也有一定概率「瞬移」到墙的另一边去。


最近在文献上看到氢原子的超级扩散(superdiffusion),算是比较反经典直觉的一种现象,这里正好给大家介绍一下。

为了照顾普通读者,我且把「氢原子的超级扩散」这个现象拆分成几个小问题,并尽量用通俗的语言来回答。

  • 先来一道送分题,什么是扩散?

这个概念大家应该比较熟悉。你把一滴墨水滴入水缸中,墨水最终会均匀的分布至整个水缸。这中物质自发从高浓度区域向低浓度区域的转移的过程,就称为扩散。

有哪些物理学上的事实,没有一定物理学知识的人不会相信?
墨水在水中的扩散
  • 再来一题热身题,扩散的本质是什么?

大家应该知道,我们感受到的温度其实是微观分子热运动的表现,这种热运动是随机且无规则的。正是这种随机的热运动驱动着染料分子到处乱跑,从而充满整个水缸。

这就好比下课铃一响,一群好动的熊孩子便会离开教室各种疯,不一会儿操场上就到处都是熊孩子的身影了。

有哪些物理学上的事实,没有一定物理学知识的人不会相信?
氢原子在金属表面的随机扩散
  • 大题来了,什么是超级扩散?

很多情况下,一个原子的扩散需要挤开周围的其他原子,这需要一定的能量:

有哪些物理学上的事实,没有一定物理学知识的人不会相信?
扩散过程中的能量变化(右侧曲线)

越过这个能垒需要的能量是由热运动提供的。当温度较高时,激烈的热运动能轻易提供这个能量,扩散自然就快。反过来,温度低,没有足够的热动能,扩散也就越困难。

如果我们测量不同温度下的扩散速率,会发现随着温度的下降,扩散速率呈指数式降低,也就是下图中的红色虚线(注意纵坐标是对数尺度):

有哪些物理学上的事实,没有一定物理学知识的人不会相信?
氢、氘在铜表面的扩散系数随温度变化

可以看到,氘的扩散速率确实是指数式降低,算是正常扩散。

然而作为氘的同位素,氢和氘化学性质几乎完全一致,按理说扩散行为也应该区别也不大,但氢的扩散速率却降到一定程度就不变了。

这种低温下速率异常高的扩散,就称为超级扩散。

  • 压轴题,为什么氢会出现超级扩散?

如果把上面提到的扩散能垒看成一堵墙,能量不够的话,一般情况下就越不过这堵墙。但是(敲黑板),说了多少次了,答大题不能想当然,要揣摩出题人意思知道么。「一般情况下不能」,潜台词就是说「特殊情况下可以」,而氢就是这种特殊情况。

氢作为质量最小的原子,具有很强的量子效应。这意味着,氢原子的平均能量虽然是一个守恒值,但在短时间内具有很大的不确定性。

通过这种能量 - 时间不确定性,氢原子有一定概率「无中生有」的提高自己的能量,从而越过扩散能垒这堵墙:

有哪些物理学上的事实,没有一定物理学知识的人不会相信?
隧穿效应:经典力学中由于能量不足无法穿过的能垒墙,在量子力学中有一定概率穿过

而这种量子效应是和温度无关的。在低温下,尽管热运动不足以驱动氢原子扩散时,但量子效应依然能驱动扩散,甚至占据扩散的主导地位。因此扩散速率不随温度降低而降低。

另一方面,量子效应随质量增长迅速衰弱。而氘原子质量是氢原子的两倍,这也解释了为什么氘原子没有明显的超级扩散效应。

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