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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 元素·气体·高压
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日12:52:18 星期六), 站内信件



　　　　　　            高压


　　液化气体的工作开创了一个新的科学领域，更引起了大家对
于产生高压的兴趣。似乎把很多种类的物质（不仅气体）放在巨
大压力下，都可以显示出物体性质的基本信息，同时也显示出地
球内部的基本信息。例如，在地表下11公里（7英里）深处，压
力是1000大气压；644公里（400英里）深处是双万大气压；而在
3200公里（2000英里）深处，则是140万大气压；到64000公里
（4000英里）深的地心，就高达350万大气压。（当然，地球是
较小的行星。土星的中心压力，估计高于 5000万大气压；至于
更大的木星，则高达1亿大气压。）

　　在本19世纪的实验室里顶多能做到3000大气压左右，这是19
世纪叨年代由阿玛加特达到的。但是在1905年，美国物理学家布
里奇曼开始设计新的方法，立即达到2万大气压，把实验用的小
金属室给炸裂了。他采用更坚固的材料，终于成功地产生了50万
大气压。由于在高压方面的工作，他获得了1946年的诺贝尔物理
学奖。
　　在他的超高压力下，布里奇曼曾迫使物质的原子和分子更紧
密地排列，这种排列有时在除掉压力后，仍可被保留下来。例如，
他把普通非导电体的黄磷，变成了可导电的黑磷，甚至还使水产
生惊人的变化。普通冰比水的密度要低，利用高压，布里奇曼制
造出一系列的冰（冰－Ⅱ、冰－Ⅲ等等），它们的密度不仅比液
体水还高，而且温度也比正常水的冰点高。冰－Ⅶ在温度高于水
的沸点时是固体。

　　所有高压技术中最引人注目的就是金刚石。它是一种结晶碳，
就像石墨也是一种结晶碳一样。当一个元素以两种不同的形式出
现时，称为同素异形体，金刚石和石墨是该现象最引人注目的例
子。臭氧和普通氧是另一个例子。在前段曾经提到过的黄磷和黑
磷（还有红磷）也是一例。

　　同素异形体在外观、性质上似乎可以完全不同。大概，除了
煤和金刚石以外，再没有比石墨与金刚石更令人震惊的例子了。
（在化学上来说，无烟煤是一种含水分多的石墨型式）。

　　金刚石只不过是石墨（或煤）以不同的原子排列方式形成的，
乍看之下，这个观点似乎令人难以置信，但是金刚石的化学本质
早在1772年就由拉瓦锡及其他一些法国化学家证实了。他们合资
买了金刚石，然后把它加高温燃烧，发现所产生的气体是二氧化
碳。后来，英国化学家坦南特证明，所测得的二氧化碳总量，只
有在金刚石为纯碳时才有可能产生。这点和石墨是一样的；在
1799年，法国化学家莫尔弗把金刚石变成一堆石墨，证明这种说
法是正确的。

　　莫尔弗所做的不是一件合算的事，但是为什么事情不能反过
来呢？金刚石密度比石墨高了55％。为什么不能对石墨加压，使
它形成较密堆积的金刚石呢？

　　经过多方的努力，像炼金术士那样，许多实验者都报告取得
了成功。最有名的就是法国化学家穆瓦桑。在1893年，他把石墨
溶于熔融的铸铁中，并报导说，冷却后在里面发现了些小金刚石。
其中大部分的物质是呈黑色而又不纯的微小东西，但是有一颗却
是无色的而且几乎有1厘米长。该结果广为大家所接受，而且在
很长一段时间里，穆瓦桑甚至被认为己制造出了人造金刚石。然
而，他的结果从来没有人成功地重复过。

　　在合成金刚石的研究方面不是没有意外收获的。1891，年，
美国发明家艾奇孙在他认为可制成金刚石的情况下加热石墨，偶
然发现了碳化硅，他给它的商品名为金刚砂。经证明。除了金刚
石外，它比当时所知的任何物质都硬。这种物质已成为一种广泛
使用的研磨剂，即作为磨碎、磨光之用的物质。

　　研磨剂的效率取决于它的硬度。研磨剂可以抛光或磨蚀比它
较软的物质，而作为最硬的一种物质的金刚石，它在这方面可说
是相当有用的。各种物质的硬度通常以莫氏硬度来量度。这个硬
标是由德国矿物学家莫斯在1818年提出的。它按矿物编号，定义
滑石为1，而金刚石为10。具有某一标号的矿物能够在标号比它
小的任何一种矿物上划出刻痕。在莫氏硬度上，金刚砂给以标号
9。但刻度间隔并不相等。在绝对尺度上，标号10（金刚石）与
标号9（金刚砂）的差比标号9（金刚砂）和标号1（滑石）硬度
差大4倍。

　　对所有这些原因是不难看出的，在石墨中，碳原子以层状排
列。在每一单层中碳原子都是以棋盘格六角形排列，像浴室里贴
在地板上的瓷砖。每个碳原子以相同的方式与其他三个碳键连；
因碳属于小原子，所以与近邻键连坚固而紧密。这种棋盘形状的
布置很难拉断，但很薄易断开。这种棋盘形状布置，上层和下层
的距离较大，所以层与层之间的键连较弱，一层能够容易地在下
一层上滑动。由于这一原因，石墨不仅不特别硬，而且实际上可
以用作润滑剂。

　　然而金刚石中碳原子却全部都是绝对三维的对称排列。每个
碳原子与四个等距离的其他原子键连，四个碳的每一个都处在中
心为一个碳原子的四面体的顶点上，这是非常紧凑的排列，所以
金刚石实质上比石墨紧密。除在不可抗拒的力之下以外，在任何
方向也不会被拉断。其他原子也会采取金刚石结构，但其中以碳
原子最小，键连最紧。因此，金刚石比地表上的任何其他物质都
硬。

　　碳化硅中有一半的碳原子被硅取代。因为硅原子比碳原子大
得多，不能把近邻的原子拉得那么紧，因此键连就比较弱。这样，
碳化硅不像金刚石那么硬（虽然对很多用途，它已经算足够硬
了）。

　　在地表的环境下，碳原子的石墨比金刚石排列更稳定。因此，
金刚石有自发转变成石墨的趋势。然而，你没有某早上醒来发现
灿烂夺目的金刚石戒指隔夜变成毫无价值的石黑的危险，即使在
不稳定的碳原子排列中，仍然连接得如此紧密以致可能需要几百
万年才会发生变化。

　　这种稳定性的不同，使石墨变成金刚石更加困难。直到20世
纪对年代，化学家才经过努力达到把石墨变成金刚石需要的压力，
至少需要1万大气压以上才可出现转变，甚至有此高压，它的转
变仍极其缓慢，不能实现。升高温度虽会加速转变，但也提高了
压力的需求。在 1500℃，至少需要 3万大气压。所有这些都证
实穆瓦桑和他的同代人在他们所使用的条件下制造出金刚石的可
能性不会比炼金术士制造出黄金的可能性大。（有某种证据说明，
事实上，穆瓦桑是他的一个助手的受骗者，该助手厌倦于这项冗
长的实验，决定把一颗真金刚石放在铸铁混合物中，以结束这个
实验。）

　　借助布里奇曼原先达到实验所需的高温与高压所做的工作，
1955年，通用电气公司的科学家们终于完成了这项业绩。产生10
万以上大气压以及高达2500℃高温，此外还有少量的金属，例如
铬等，用于石墨上形成液体薄层。在该薄层上石墨转变成金刚石。
在1962年，可达到20万大气压和5000℃的温度。于是石墨直接转
变成金刚石，而且没有使用催化剂。

　　合成的金刚石用作宝石太小且不纯，但目前生产的是商业上
的磨料和切削工具等，合成金刚石确实是这类产品的主要来源。
到60年代末，偶然生成少量具有宝石等级的小金刚石。

　　使用这些方法所制成的一些较新的产品，可以弥补金刚石的
消耗。硼与氮的化合物（氮化硼），在性质上非常类似石墨（只
不过氨化硼是白色的而不是黑色的）。经受把石墨转变成金刚石
的这种高温和高压后，氨化硼会发生类似的转变。氮化硼的原子
可以从类似石墨的结晶排列转变成类似金刚石的排列。它的新形
式称为金刚石型氯化硼。其硬度约为金刚砂的4倍。此外，主要
的优点是更抗热。在900℃左右可将金刚石烧掉，但氨化硼却不
变化。

　　硼比碳少1个电子；氮又比碳多1个电子，两者相互组合，会
形成一种很类似碳－碳排列的情形，但离金刚石完美的对称性尚
有一段微小的差距；因此，金刚石型氨化硼不完全像金刚石那么
坚硬。

　　当然，布里奇曼关于高压的工作不是最后的定论。20世纪80
年代开始，卡内基技术学院的P．M．贝尔利用一种在两块金刚石
门塞入物质的装置，已设法达到大约150万大气压，超过了地心
压力的2／5。他相信这套仪器在金刚石崩溃以前，或许可以达到
1700万大气压。

　　加利福亚理工学院利用冲击波制造出的瞬间压力，大约高达
7500万大气压。


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