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Sandbox Physics
从气体追问原子

热 · 偶然 · 集体行为

Bridgman 怎样把物质压进新的世界

一个更好的密封,怎样让人看见高压下的物质变化?

先得让压力留在里面

研究高压,第一步是让压力确实留在装置里。二十世纪初,哈佛大学的 Percy Williams Bridgman 改进了一种密封:内部压强越大,密封反而压得越紧。有了它,研究者才能反复进入更高的压强范围,看到日常冰箱里找不到的冰,也测量许多材料原先难以观察的变化。

活塞把力传给包围样品的介质,样品才受到压力。可活塞要能动,入口就不能直接焊死。压强升高后,液体容易沿着活塞与容器之间的缝隙漏走。单把筒壁做厚,解决不了这条出口;密封本身必须另想办法。

来源:[1][3]

让压力自己堵住出口

Bridgman 让液体顶住一个塞子,再由塞子去挤较软的填料。受力面积经过安排,填料里的压强始终比液体里高一定比例。液体越想往外跑,就越用力地把自己的出口堵紧。

关键是分清力与压强。同样的力,压在较小面积上,压强就较大。装置把液体作用的面积与填料承受挤压的面积错开,便能让填料受到更强的压紧作用。这一点几何安排,把原先容易失守的边界变成了密封。

密封可靠,并不意味着别处就不会坏。筒体、活塞和连接仍要承受应力,材料强度仍会限制实验。Bridgman 使用更强的材料,也设计外部支撑,逐步把可用的压强往上推。他在 1946 年的诺奖演讲中,按不同压强范围讨论了所需技术。

来源:[1]

压得上去,还要测得出来

装置能维持高压以后,还要知道里面究竟有多大压强。外面施加的载荷当然有用,可摩擦、形变都会影响它与内部压强之间的关系。Bridgman 一边造产生高压的设备,一边改进测压方法,利用可重复的材料转变与电学响应来确定条件。

随后才轮到样品。要知道体积怎样变,就得读活塞位移,并扣掉装置本身的贡献;要测电阻,就得把电线穿出容器,同时让穿线处保持密封。每多观察一种性质,容器边界就多出一道要解决的难题。

真正有用的科学仪器,还得允许人一次次返回规定条件,再换一个温度比较结果。这样才能画相图:在不同压强、温度下,物质哪一种状态稳定存在。

来源:[1][3]

水结成固体,还有许多种排法

Bridgman 在 1912 年发表的长篇论文,研究了水在高压下的液态与五种固态。他识别出后来称为冰 V、冰 VI 的高压形式。化学成分仍然是水,分子在固体中采取的稳定排列,却会随温度与压强改变。

普通冰比液态水轻,能浮起来,因为它的分子排列比较疏松。高压则偏爱占体积较小的排列,有几种高压冰比液态水还密。我们从杯子里的浮冰得到的经验,到了这里就要重新检查。

缓慢改变压强时,体积突然一跳,是发现相变的一种办法。换几个温度,重复追踪这次跳变,就能画出两种稳定形式之间的分界。1912 年的论文把这些条件与测量逐项记录下来,让“水还能结成什么样”成为可重复研究的问题。

来源:[2][3]

装置与发现,一同写进授奖理由

1946 年物理学奖的授奖理由同时写了两件事:产生极高压强的装置,以及用它做出的高压物理发现。Bridgman 研究体积、相态、电阻等性质,逐渐显示出,平常条件下熟悉的材料,一旦被压得足够紧,还会有另一番行为。

解释实验时,还要记住压力怎样传到样品。各方向挤压接近相等时,最容易用一个压强数值描述;介质变成固体、挤压不再均匀时,不同方向的应力也可能影响结果。密封打开了入口,具体的测量条件决定了能从中读出什么。

来源:[4][1]

来源与阅读说明

  1. P. W. Bridgman, General Survey of Certain Results in the Field of High-Pressure Physics (Nobel lecture, 1946)

    从图一的自紧密封开始,把产生压强、测量压强、测量样品三件事分开读。

  2. P. W. Bridgman, Water, in the Liquid and Five Solid Forms, under Pressure (1912)

    追踪测得的相界与体积变化,分清水的不同固态。

  3. Harvard Physics and Collection of Historical Scientific Instruments, P. W. Bridgman, Pioneer of High-Pressure Physics

    对照密封剖面、引线结构,以及馆藏的冰压强—温度—体积模型。

  4. The Nobel Prize in Physics 1946

    授奖理由同时包括高压装置及用它做出的发现。

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