顆粒物質物理與力學

1. 力學和物理有什麼本質的區別

1、研究對象不同：

力學是研究物質機械運動規律的科學。自然界物質有多種層次，從宇觀的宇宙體系，宏觀的天體和常規物體，細觀的顆粒、纖維、晶體，到微觀的分子、原子、基本粒子。

物理學是研究物質運動最一般規律和物質基本結構的學科。作為自然科學的帶頭學科，物理學研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規律，因此成為其他各自然科學學科的研究基礎。

2、研究領域不同：

力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎，機械、建築、航天器和船艦等的合理設計都必須以經典力學為基本依據。機械運動是物質運動的最基本的形式。

物理學主要研究凝聚態物理、原子，分子和光學物理、高能/粒子物理、天體物理。

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物理學研究的范圍 ——物質世界的層次和數量級

空間尺度：

原子、原子核、基本粒子、DNA長度、最小的細胞、太陽山哈勃半徑、星系團、銀河系、恆星的距離、太陽系、超星系團等。人蛇吞尾圖形象地表示了物質空間尺寸的層次。

物理學研究的領域可分為下列四大方面：

1.凝聚態物理——研究物質宏觀性質，這些物相內包含極大數目的組元，且組員間相互作用極強。最熟悉的凝聚態相是固體和液體，它們由原子間的鍵和電磁力所形成。更多的凝聚態相包括超流和波色-愛因斯坦凝聚態（在十分低溫時，某些原子系統內發現）；某些材料中導電電子呈現的超導相；原子點陣中出現的鐵磁和反鐵磁相。凝聚態物理一直是最大的的研究領域。歷史上，它由固體物理生長出來。1967年由菲立普·安德森最早提出，採用此名。

2.原子，分子和光學物理——研究原子尺寸或幾個原子結構范圍內，物質-物質和光-物質的相互作用。這三個領域是密切相關的。因為它們使用類似的方法和有關的能量標度。

3.高能/粒子物理——粒子物理研究物質和能量的基本組元及它們間的相互作用；也可稱為高能物理。因為許多基本粒子在自然界不存在，只在粒子加速器中與其它粒子高能碰撞下才出現。

4.天體物理——天體物理和天文學是物理的理論和方法用到研究星體的結構和演變，太陽系的起源，以及宇宙的相關問題。因為天體物理的范圍寬。它用了物理的許多原理。包括力學，電磁學，統計力學，熱力學和量子力學。

2. 岩石力學的物理基礎

岩石的物理力學性質，決定於岩石組成成分和結構構造條件。岩石是各種無機質天然元素組合成晶質或非晶質的各種固體礦物，形成由單一或復合礦物構成的岩石。組成岩石礦物的元素質點，為原子、離子或分子，但主要是離子質點。晶體是質點在空間作規律的幾何圖形排列。一組質點組成一個晶胞———即晶體的基本結構單元。相同質點組作周期性重復排列，形成晶格結構。晶格的結構單元在空間依一定的次序排列，使晶體的彈性、力學強度、電導率等物理力學性質，具向量特性，所以晶體是各向異性體。非晶體結構，其質點在空間排列沒有幾何上的規律性，也沒有對稱性和周期性，其物理力學性質與方向無關，故非晶體岩石為各向同性體。

岩石組成的各種礦物元素，聯結為能保持其形狀，並且有強度的固體物質，在於元素質點間的互作用力。質點間既有吸引力又有排斥力，使固體物質處於系統平衡狀態。在岩石受到應力作用時，在一定范圍內顯示彈性作用，超出一定范圍，既顯示彈性，又顯示非彈性表象的塑性作用。李四光先生在其所著《地質力學概論》中提出「不僅是地質力學基礎理論問題之一，而且對解決許多實際問題是具有重要意義的。……地質力學工作……必須和分子乃至原子間力場的研究密切地結合起來」。下面摘抄較長一段的敘述如下，「應力的作用不單獨影響到岩石內部的顆粒與顆粒之間，並且達到顆粒的內部和顆粒與顆粒之間的中間物質的內部，即組成它們的分子和原子的內部。那些分子和原子原來在空間按一定的規律排列，但在它們受到應力作用的影響以後，即使它們相對的位置不發生很大的變化，它們之間的力場一定會受到擾亂，彼此間總不免發生一定程度的相對位移。

根據一般的了解，如圖2.1所表現的那樣，組成物質的離子之間，既具有吸引性又具有排斥性。這種吸引性和排斥性是吸引能場和排斥能場相互作用的表現。在吸引力的位能和排斥力的位能對質點距離變化的一般規律性，可以由常數(r^ρ)^－1表示出來的假定下，就可以把前述兩種位能的聯合作用φ(r)用下式表示出來:

反應力應變岩石力學在工程中應用

式中a、b兩個常數是與離子和離子之間鍵的連續性能有關，n經常大於m，因為當距離r增加的時候，排斥力的位能(b/rⁿ)一定會比吸引力的位能(a/r)減少得更快，否則物質得不到平衡。按照慣例，吸引力的位能寫為負，排斥力的位能寫為正。

圖2.1 離子間吸引力、排斥力和位能與距離的關系

從上面表示聯合位能的方程式，就可以求得表示吸引力和排斥力聯合作用的方程式:

反應力應變岩石力學在工程中應用

圖2.1就是這兩個方程式的圖解。從這兩個圖解中可以清楚地看出，當φ(r)達到最小值的時候，F(r)=0，就是說，即在這個時候相互作用的力等於零，也就是達到了平衡。同時位能最小，鍵能最大。在這個時候，離子1與離子2之間的距離r的數值是r₀。此後，如若離子2向右移動，它就會遇到更大的阻力，直到它達到r'的時候阻力最大，也就是聯合作用力達到最大值σ_m的時候。如若離子2再往右移，阻力便要減少，因此r達到r'的時候，就是物質達到了屈服點的時候。其他關於物質彈性應變在不超過一定程度時所引起的復原力如何取決於組成它的離子的位移，關於彈性模量如何決定於在吸引力和排斥力達到平衡之點，即r=r₀，對F(r)曲線所作切線的方位等關系，都可以得到進一步的認識。同時，上述的分析，也可以幫助我們了解:當物質受到引張作用時，它呈現機械抗張性，當它受到擠壓作用時，它又轉過來所呈現機械抗壓性，是由於組成它的離子內部力場中發生了怎樣的變化而表現出來的。」

岩石的礦物顆粒，大多為離子晶體。離子可以是單個離子，也可由多個離子復雜的復合體而成。如岩鹽(NaCl)的離子為Na⁺與Cl^－;方解石(CaCO₃)的離子為Ca²⁺與CO^2－₃，CO^2－₃碳酸根為復合離子;硬石膏(CaSO₄)中的SO^2－₄硫酸根亦為復合離子。復合離子中各原子的電子在周期運動中軌道重疊，形成共有化運動，即電子不再局限於某個原子，而在整個離子中運動。電子受自身原子核對它的作用，又受其他原子核對其形成的不可忽略的作用。共有化運動使離子鍵的能級增加。式(2.1)中a、b常數與離子間連續性鍵電子ee'———共有化運動的能級決定的。

礦物晶體的晶格結點上，正離子和負離子相間隔，結晶點除有規律分布，成為具有電力偶的分子，是具偶級性的中性分子。分子晶格接近時，正負電荷發生移動，相互極化而產生互作用。分子鍵是偶化電荷間相互作用力，吸引力非常微弱，不管距離大小，會很快的減少。這種互作用力叫范德華爾氏力。但分子晶格在受力發生機械變形時，例如在拉伸或壓縮時，能產生電極化的壓電現象。石英(SiO₂)在0.102MPa的壓強下，在其上下面產生0.5V的電位差。在壓縮固結成岩過程，高壓產生的極化壓電現象，能量亦可觀，可產生較強的分子鍵聯接作用。

單原子晶體為中性，原子間聯接的作用力———原子鍵，是原子間電子共有的結果，是非極性聯接，它使原子間緊靠的程度大於離子鍵。金剛石屬於原子晶體，由於其中碳原子互相離得很近，所以金剛石具有特別高的硬度和強度。

結晶水對晶體內鍵的強度有很大的影響，岩石經過水化作用，若化合物中含結晶水，因水分子能分開晶格，鍵的強度就要大大的減弱。晶格中的水分子數越多，則其強度就越小。硬石膏(CaSO₄)水化作用為石膏(CaSO₄·2H₂O)，因石膏中有結晶水，使其強度較硬石膏降低一半多。

多晶體岩石中的晶體是在相互共生的情況下形成，沒有規則外形，所以稱為晶粒。岩石晶體常直接接觸，或晶粒與膠結物顆粒直接相接觸，其互作用力，既有離子鍵，又有極化條件的分子鍵，離子鍵有時具有不可忽略的地位。接觸面原子質點距離r，可從晶體內原子間的距離，大到互作用力近於零的距離。接觸面上質點間的平均距離，大於晶體內離子質量間的平均距離，所以多晶體所形成的互作用力小於晶體內的互作用力。多晶體晶粒的聯接力，在很大程度上影響著多晶體彈性。多晶體通常是不服從直線虎克定理的。它的彈性系數也不是常量，受壓縮力時，彈性模量成正比增大;受拉伸力時，隨質點間距離增大，互作用力減小，彈性模量亦減小。則表明岩石質點連結的鍵能，是非均一不平衡的，且具軟化特性。這一現象說明，岩石中具軟化鍵的缺陷，離子間的互作用力，因受作用力的壓縮作用而獲得加強;經受反作用外力的拉伸作用，鍵的總位能減小，使互作用力降低。從微觀物理基礎的力學特點，說明正應力與反應力作用所反映的力學特性不同，僅從正應力應變研究宏觀岩石力學特性，不能涵蓋反應力應變的岩石力學特性。

組成岩石之礦物晶格元素間理論強度已可算出，但晶體的實際強度，由於結構中的某些缺陷，如非連續界面的隱形紋縫，有被減弱的鍵等而顯著降低。以石英為例，其理論的抗張斷裂強度為10200MPa，大約1μm的石英絲的抗拉強度亦近於10200MPa。但粗粒晶體的實際抗張斷裂強度為118.32MPa，降低為1/86的強度值。揭示微細顆粒組成的固體物質強度，比同種大顆粒組成的固體物質的強度高。岩鹽與鋅的晶體強度情況亦然，且出現更大差異:岩鹽的理論強度為2040MPa，實際強度僅為1/400的5.1MPa，鋅的比值強度更甚，其理論強度為3672MPa，實際強度為1/2000的1.836MPa。則說明固體物質的顆粒粗，存在缺陷多，越粗缺陷越多。

圖2.2 質點接觸面的坑窪示意圖

固體物體的脆性斷裂，有拉張斷裂、壓致張裂和剪切碎裂等三種類型，在顯微鏡下可以看到剪切錯位的微細結構現象，這種錯位有壓剪與張剪兩種形式，其抗剪強度亦顯現不同的差異。抗剪強度是指沿岩石中某一較弱結構面發生滑移的最小剪應力，原子質點間的結合界面，屬於質點間的弱面，在受到應力作用時，其界面力場受到擾動變化。由於受力情況的不同而發生不同性質與情況的位移。其所反映的力學強度亦有不同。質點間的界面，由於原子有效應力場勢的球形特徵，而成正弦曲線狀坑窪。壓剪時，剪力既要克服質點間的吸引力，用式(2.2)中的第一項a/r^(m+1)求算，亦可用ee'/r²求算。式中ee'為原子間電荷靜電吸引能量。另外，還要克服從坑窪面抬升至突起高度的剪脹量，其情況如圖2.2所示。

f為剪切力，以p代表吸引力。f為r/2處至端部h高處的變數，在r/2路程內所有消耗的功等於f·(r/4)。這個功等於在滑移面垂直方向移動時所儲存的位能，這個位能等於(h/2)·p，依據此述，則f·(r/4)=(h/2)·p得f=(2h/r)·p。2h/r系數是正切摩擦角，其與原子力場勢的坑窪高度h成正比，因而與滑移界面的組成物質有關。滑移面上原子力場勢的坑窪高度，也會因所受應力狀態的不同而產生變異。如岩石受力後，沿滑移面產生塑變位移，經過卸載後再加荷，就產生屈服極限增大的硬化現象。這是由於沿滑移面上，質點受到外力的強制發生位移時，吸收了一定量的位能，卸載後位能又發生作用，使質點有些回復到原有位置，有些形成晶格的彎曲，增加了潛在坑窪高度，可由很小直至等於原子力場的半徑，所以，抗剪強度可由很小直到接近抗剪強度值。在古典摩擦理論中，庫倫方程為:

反應力應變岩石力學在工程中應用

式中的抗剪強度τ(MPa)與法向作用力σ成正比，摩擦系數tanφ是固定值。

但從前面的論述中，可以論證摩擦系數不是一個固定值。張剪時，其力的矢量相反，則滑移界面上，僅有質點間的相互吸引力，p不存在向截面作用的正向壓力，所以剪切時不會產生剪張能，即式(2.3)中σtanφ值，因σ為零，所以σtanφ為零。這樣的脆斷屬性，實屬拉升破裂范疇。但當張剪作用的張剪力的拉剪方向，與滑移界面的展布近一致，界面上質點的坑窪高度，部分突現於剪面上，形成部分咬合作用，依據克拉蓋里斯基的現代摩擦理論，分子—機械理論，摩擦是一混合過程，既要克服滑移面上質點間的吸引力，又要克服機械變形阻力，即

反應力應變岩石力學在工程中應用

式中:τ_j為克服滑動面A_j上的剪切強度;A_r為質點間吸引力p所作用的面積。

習慣採用:

的形式表示，因張剪時σtanφ=0，所以τ=c，c為咬合力，其大小由拉張抬升後在滑移面突出部分面積決定。從近於p·(2h/r)值到零。由於張剪時張剪力拉張方向一般大於滑移面方向，所以大面積的c值為零，僅在滑移面端部進入閉合區時，才會出現這一類似壓剪的狀況。從岩石組成物質的元素，原子等質點的力學場勢的互作用力入手，探討質點在受力作用產生形變時，壓與拉張作用所產生的差異，獲其在力學特性方面不同的結果。這是從微觀，甚至從涉及量子力學部分領域，著手研究岩石受力作用時，壓縮與拉張狀態的結果，其與宏觀范疇，存有成岩缺陷與構造損傷的岩石力學，有巨大差異，似無直接關聯，但它是宏觀岩石力學的物理基礎，利於正確解釋宏觀岩石力學中的問題。

3. 量子力學和粒子物理學有什麼區別，哪一個與四大基本作用力和弦理論聯系大

量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態回物質，以及原答子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論它與相對論一起構成現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是現代物理學的基礎理論之一，而且在化學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。
粒子物理學，又稱為高能物理學，它是研究比原子核更深層次的微觀世界中物質的結構、性質，和在很高能量下這些物質相互轉化及其產生原因和規律的物理學分支。粒子物理學同時又是粒子量子化的粒子物理的大統一。
關系都不太大，都是微觀的