颗粒物质物理与力学

1. 力学和物理有什么本质的区别

1、研究对象不同：

力学是研究物质机械运动规律的科学。自然界物质有多种层次，从宇观的宇宙体系，宏观的天体和常规物体，细观的颗粒、纤维、晶体，到微观的分子、原子、基本粒子。

物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。作为自然科学的带头学科，物理学研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律，因此成为其他各自然科学学科的研究基础。

2、研究领域不同：

力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。机械运动是物质运动的最基本的形式。

物理学主要研究凝聚态物理、原子，分子和光学物理、高能/粒子物理、天体物理。

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物理学研究的范围 ——物质世界的层次和数量级

空间尺度：

原子、原子核、基本粒子、DNA长度、最小的细胞、太阳山哈勃半径、星系团、银河系、恒星的距离、太阳系、超星系团等。人蛇吞尾图形象地表示了物质空间尺寸的层次。

物理学研究的领域可分为下列四大方面：

1.凝聚态物理——研究物质宏观性质，这些物相内包含极大数目的组元，且组员间相互作用极强。最熟悉的凝聚态相是固体和液体，它们由原子间的键和电磁力所形成。更多的凝聚态相包括超流和波色-爱因斯坦凝聚态（在十分低温时，某些原子系统内发现）；某些材料中导电电子呈现的超导相；原子点阵中出现的铁磁和反铁磁相。凝聚态物理一直是最大的的研究领域。历史上，它由固体物理生长出来。1967年由菲立普·安德森最早提出，采用此名。

2.原子，分子和光学物理——研究原子尺寸或几个原子结构范围内，物质-物质和光-物质的相互作用。这三个领域是密切相关的。因为它们使用类似的方法和有关的能量标度。

3.高能/粒子物理——粒子物理研究物质和能量的基本组元及它们间的相互作用；也可称为高能物理。因为许多基本粒子在自然界不存在，只在粒子加速器中与其它粒子高能碰撞下才出现。

4.天体物理——天体物理和天文学是物理的理论和方法用到研究星体的结构和演变，太阳系的起源，以及宇宙的相关问题。因为天体物理的范围宽。它用了物理的许多原理。包括力学，电磁学，统计力学，热力学和量子力学。

2. 岩石力学的物理基础

岩石的物理力学性质，决定于岩石组成成分和结构构造条件。岩石是各种无机质天然元素组合成晶质或非晶质的各种固体矿物，形成由单一或复合矿物构成的岩石。组成岩石矿物的元素质点，为原子、离子或分子，但主要是离子质点。晶体是质点在空间作规律的几何图形排列。一组质点组成一个晶胞———即晶体的基本结构单元。相同质点组作周期性重复排列，形成晶格结构。晶格的结构单元在空间依一定的次序排列，使晶体的弹性、力学强度、电导率等物理力学性质，具向量特性，所以晶体是各向异性体。非晶体结构，其质点在空间排列没有几何上的规律性，也没有对称性和周期性，其物理力学性质与方向无关，故非晶体岩石为各向同性体。

岩石组成的各种矿物元素，联结为能保持其形状，并且有强度的固体物质，在于元素质点间的互作用力。质点间既有吸引力又有排斥力，使固体物质处于系统平衡状态。在岩石受到应力作用时，在一定范围内显示弹性作用，超出一定范围，既显示弹性，又显示非弹性表象的塑性作用。李四光先生在其所著《地质力学概论》中提出“不仅是地质力学基础理论问题之一，而且对解决许多实际问题是具有重要意义的。……地质力学工作……必须和分子乃至原子间力场的研究密切地结合起来”。下面摘抄较长一段的叙述如下，“应力的作用不单独影响到岩石内部的颗粒与颗粒之间，并且达到颗粒的内部和颗粒与颗粒之间的中间物质的内部，即组成它们的分子和原子的内部。那些分子和原子原来在空间按一定的规律排列，但在它们受到应力作用的影响以后，即使它们相对的位置不发生很大的变化，它们之间的力场一定会受到扰乱，彼此间总不免发生一定程度的相对位移。

根据一般的了解，如图2.1所表现的那样，组成物质的离子之间，既具有吸引性又具有排斥性。这种吸引性和排斥性是吸引能场和排斥能场相互作用的表现。在吸引力的位能和排斥力的位能对质点距离变化的一般规律性，可以由常数(r^ρ)^－1表示出来的假定下，就可以把前述两种位能的联合作用φ(r)用下式表示出来:

反应力应变岩石力学在工程中应用

式中a、b两个常数是与离子和离子之间键的连续性能有关，n经常大于m，因为当距离r增加的时候，排斥力的位能(b/rⁿ)一定会比吸引力的位能(a/r)减少得更快，否则物质得不到平衡。按照惯例，吸引力的位能写为负，排斥力的位能写为正。

图2.1 离子间吸引力、排斥力和位能与距离的关系

从上面表示联合位能的方程式，就可以求得表示吸引力和排斥力联合作用的方程式:

反应力应变岩石力学在工程中应用

图2.1就是这两个方程式的图解。从这两个图解中可以清楚地看出，当φ(r)达到最小值的时候，F(r)=0，就是说，即在这个时候相互作用的力等于零，也就是达到了平衡。同时位能最小，键能最大。在这个时候，离子1与离子2之间的距离r的数值是r₀。此后，如若离子2向右移动，它就会遇到更大的阻力，直到它达到r'的时候阻力最大，也就是联合作用力达到最大值σ_m的时候。如若离子2再往右移，阻力便要减少，因此r达到r'的时候，就是物质达到了屈服点的时候。其他关于物质弹性应变在不超过一定程度时所引起的复原力如何取决于组成它的离子的位移，关于弹性模量如何决定于在吸引力和排斥力达到平衡之点，即r=r₀，对F(r)曲线所作切线的方位等关系，都可以得到进一步的认识。同时，上述的分析，也可以帮助我们了解:当物质受到引张作用时，它呈现机械抗张性，当它受到挤压作用时，它又转过来所呈现机械抗压性，是由于组成它的离子内部力场中发生了怎样的变化而表现出来的。”

岩石的矿物颗粒，大多为离子晶体。离子可以是单个离子，也可由多个离子复杂的复合体而成。如岩盐(NaCl)的离子为Na⁺与Cl^－;方解石(CaCO₃)的离子为Ca²⁺与CO^2－₃，CO^2－₃碳酸根为复合离子;硬石膏(CaSO₄)中的SO^2－₄硫酸根亦为复合离子。复合离子中各原子的电子在周期运动中轨道重叠，形成共有化运动，即电子不再局限于某个原子，而在整个离子中运动。电子受自身原子核对它的作用，又受其他原子核对其形成的不可忽略的作用。共有化运动使离子键的能级增加。式(2.1)中a、b常数与离子间连续性键电子ee'———共有化运动的能级决定的。

矿物晶体的晶格结点上，正离子和负离子相间隔，结晶点除有规律分布，成为具有电力偶的分子，是具偶级性的中性分子。分子晶格接近时，正负电荷发生移动，相互极化而产生互作用。分子键是偶化电荷间相互作用力，吸引力非常微弱，不管距离大小，会很快的减少。这种互作用力叫范德华尔氏力。但分子晶格在受力发生机械变形时，例如在拉伸或压缩时，能产生电极化的压电现象。石英(SiO₂)在0.102MPa的压强下，在其上下面产生0.5V的电位差。在压缩固结成岩过程，高压产生的极化压电现象，能量亦可观，可产生较强的分子键联接作用。

单原子晶体为中性，原子间联接的作用力———原子键，是原子间电子共有的结果，是非极性联接，它使原子间紧靠的程度大于离子键。金刚石属于原子晶体，由于其中碳原子互相离得很近，所以金刚石具有特别高的硬度和强度。

结晶水对晶体内键的强度有很大的影响，岩石经过水化作用，若化合物中含结晶水，因水分子能分开晶格，键的强度就要大大的减弱。晶格中的水分子数越多，则其强度就越小。硬石膏(CaSO₄)水化作用为石膏(CaSO₄·2H₂O)，因石膏中有结晶水，使其强度较硬石膏降低一半多。

多晶体岩石中的晶体是在相互共生的情况下形成，没有规则外形，所以称为晶粒。岩石晶体常直接接触，或晶粒与胶结物颗粒直接相接触，其互作用力，既有离子键，又有极化条件的分子键，离子键有时具有不可忽略的地位。接触面原子质点距离r，可从晶体内原子间的距离，大到互作用力近于零的距离。接触面上质点间的平均距离，大于晶体内离子质量间的平均距离，所以多晶体所形成的互作用力小于晶体内的互作用力。多晶体晶粒的联接力，在很大程度上影响着多晶体弹性。多晶体通常是不服从直线虎克定理的。它的弹性系数也不是常量，受压缩力时，弹性模量成正比增大;受拉伸力时，随质点间距离增大，互作用力减小，弹性模量亦减小。则表明岩石质点连结的键能，是非均一不平衡的，且具软化特性。这一现象说明，岩石中具软化键的缺陷，离子间的互作用力，因受作用力的压缩作用而获得加强;经受反作用外力的拉伸作用，键的总位能减小，使互作用力降低。从微观物理基础的力学特点，说明正应力与反应力作用所反映的力学特性不同，仅从正应力应变研究宏观岩石力学特性，不能涵盖反应力应变的岩石力学特性。

组成岩石之矿物晶格元素间理论强度已可算出，但晶体的实际强度，由于结构中的某些缺陷，如非连续界面的隐形纹缝，有被减弱的键等而显著降低。以石英为例，其理论的抗张断裂强度为10200MPa，大约1μm的石英丝的抗拉强度亦近于10200MPa。但粗粒晶体的实际抗张断裂强度为118.32MPa，降低为1/86的强度值。揭示微细颗粒组成的固体物质强度，比同种大颗粒组成的固体物质的强度高。岩盐与锌的晶体强度情况亦然，且出现更大差异:岩盐的理论强度为2040MPa，实际强度仅为1/400的5.1MPa，锌的比值强度更甚，其理论强度为3672MPa，实际强度为1/2000的1.836MPa。则说明固体物质的颗粒粗，存在缺陷多，越粗缺陷越多。

图2.2 质点接触面的坑洼示意图

固体物体的脆性断裂，有拉张断裂、压致张裂和剪切碎裂等三种类型，在显微镜下可以看到剪切错位的微细结构现象，这种错位有压剪与张剪两种形式，其抗剪强度亦显现不同的差异。抗剪强度是指沿岩石中某一较弱结构面发生滑移的最小剪应力，原子质点间的结合界面，属于质点间的弱面，在受到应力作用时，其界面力场受到扰动变化。由于受力情况的不同而发生不同性质与情况的位移。其所反映的力学强度亦有不同。质点间的界面，由于原子有效应力场势的球形特征，而成正弦曲线状坑洼。压剪时，剪力既要克服质点间的吸引力，用式(2.2)中的第一项a/r^(m+1)求算，亦可用ee'/r²求算。式中ee'为原子间电荷静电吸引能量。另外，还要克服从坑洼面抬升至突起高度的剪胀量，其情况如图2.2所示。

f为剪切力，以p代表吸引力。f为r/2处至端部h高处的变量，在r/2路程内所有消耗的功等于f·(r/4)。这个功等于在滑移面垂直方向移动时所储存的位能，这个位能等于(h/2)·p，依据此述，则f·(r/4)=(h/2)·p得f=(2h/r)·p。2h/r系数是正切摩擦角，其与原子力场势的坑洼高度h成正比，因而与滑移界面的组成物质有关。滑移面上原子力场势的坑洼高度，也会因所受应力状态的不同而产生变异。如岩石受力后，沿滑移面产生塑变位移，经过卸载后再加荷，就产生屈服极限增大的硬化现象。这是由于沿滑移面上，质点受到外力的强制发生位移时，吸收了一定量的位能，卸载后位能又发生作用，使质点有些回复到原有位置，有些形成晶格的弯曲，增加了潜在坑洼高度，可由很小直至等于原子力场的半径，所以，抗剪强度可由很小直到接近抗剪强度值。在古典摩擦理论中，库伦方程为:

反应力应变岩石力学在工程中应用

式中的抗剪强度τ(MPa)与法向作用力σ成正比，摩擦系数tanφ是固定值。

但从前面的论述中，可以论证摩擦系数不是一个固定值。张剪时，其力的矢量相反，则滑移界面上，仅有质点间的相互吸引力，p不存在向截面作用的正向压力，所以剪切时不会产生剪张能，即式(2.3)中σtanφ值，因σ为零，所以σtanφ为零。这样的脆断属性，实属拉升破裂范畴。但当张剪作用的张剪力的拉剪方向，与滑移界面的展布近一致，界面上质点的坑洼高度，部分突现于剪面上，形成部分咬合作用，依据克拉盖里斯基的现代摩擦理论，分子—机械理论，摩擦是一混合过程，既要克服滑移面上质点间的吸引力，又要克服机械变形阻力，即

反应力应变岩石力学在工程中应用

式中:τ_j为克服滑动面A_j上的剪切强度;A_r为质点间吸引力p所作用的面积。

习惯采用:

的形式表示，因张剪时σtanφ=0，所以τ=c，c为咬合力，其大小由拉张抬升后在滑移面突出部分面积决定。从近于p·(2h/r)值到零。由于张剪时张剪力拉张方向一般大于滑移面方向，所以大面积的c值为零，仅在滑移面端部进入闭合区时，才会出现这一类似压剪的状况。从岩石组成物质的元素，原子等质点的力学场势的互作用力入手，探讨质点在受力作用产生形变时，压与拉张作用所产生的差异，获其在力学特性方面不同的结果。这是从微观，甚至从涉及量子力学部分领域，着手研究岩石受力作用时，压缩与拉张状态的结果，其与宏观范畴，存有成岩缺陷与构造损伤的岩石力学，有巨大差异，似无直接关联，但它是宏观岩石力学的物理基础，利于正确解释宏观岩石力学中的问题。

3. 量子力学和粒子物理学有什么区别，哪一个与四大基本作用力和弦理论联系大

量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态回物质，以及原答子核和基本粒子的结构、性质的基础理论它与相对论一起构成现代物理学的理论基础。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。
粒子物理学，又称为高能物理学，它是研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。粒子物理学同时又是粒子量子化的粒子物理的大统一。
关系都不太大，都是微观的