刀切開物體時,到底切開了什麼?是把原子切開了嗎?

從微觀的角度來看,刀切開物體時,是把原子切開了嗎?當然不是,別的不說,就說刀刃的厚度與原子直徑,就根本不是一個數量級。

舉個例子,我們常用的剃鬚刀的刀刃最薄處可達0.4微米,也就是4 x 10^(-7)米,這可以說是非常鋒利了,然而原子直徑的數量級則是10^(-10)米,也就是說,假如我們把原子直徑放大成1公分,那麼相對比例放大後的刀刃最薄處的厚度就有40米,你說這怎麼切?

是把原子之間的化學鍵切開了嗎?也不一定,比如說水分子就是由兩個氫原子和一個氧原子通過化學鍵結合而成,如果刀真的能把它們之間的化學鍵切開,那就意味著,我們只需要用刀不斷地切開水分子的化學鍵,就可以持續地產生氫氣和氧氣,很明顯,這也是不現實的。

實際上,從微觀角度來講,刀根本就不能算是「切開」了物體,而應該說是刀刃用「擠」的方式破壞了物體內部的微觀結構,不過為了方便討論,下面還是用「切開」來進行描述。那刀切開物體時,到底切開了什麼呢?其實這個問題需要分情況來看。

先說晶體,晶體是一種常見的固體結構,大量微觀粒子(如原子、分子、離子等)通過一定的規則進行有序排列之後就可以形成晶體,總的來講,晶體可分為金屬晶體、原子晶體、離子晶體以及分子晶體四種類型。

如上圖所示,金屬晶體都是單質金屬,在其內部的金屬原子通過金屬鍵結合成一種晶格狀的規則結構。

原子晶體又稱「共價晶體」,在其內部的原子之間通過共價鍵結合在一起,進而形成一種三維立體網狀結構(如上圖所示),比如說金剛石晶體就是原子晶體。

離子晶體則是由離子化合物結晶而形成的特殊晶體,在其內部,大量的正、負離子會按照一定的規則通過離子鍵結合。

我們常見的氯化鈉(食鹽的主要成分)晶體就是離子晶體,如上圖所示,在其內部,每一個氯離子(Cl-)都結合了6個鈉離子(Na+),而每一個鈉離子同樣也結合了6個氯離子,它們一起形成了一個正立方體的網狀結構。

可以看到,在以上三種晶體都有一個共同的特徵,那就是它們的微觀結構中都不存在單個的分子結構,因此當我們用刀切開這幾種類型的晶體時,確實是切開了它們內部原子之間的化學鍵(即金屬鍵、共價鍵和離子鍵)。

然而對于分子晶體來講,情況卻不一樣了,顧名思義,所謂分子晶體,就是指大量的分子通過分子間的相互作用形成的晶體,為方便描述,我們不妨以一種最常見的分子晶體——冰,來進行舉例說明。

如上圖所示,從微觀的角度來看,冰其實就是由大量的水分子通過氫鍵和范德華力(即分子間作用力)形成的規則結構,換句話來講就是,在其中是存在著單個的分子結構的,每一個水分子都是由兩個氫原子和一個氧原子通過共價鍵結合而成。

相對水分子內部原子之間的共價鍵來講,水分子之間的相互作用就要弱得多,因此當我們切開這一類晶體時,其實是切開了其內部分子之間的相互作用,而不會切開其內部的單個分子。

同樣的道理,對于那些不是晶體的固體結構而言,其內部通常都擁有大量的單個分子結構,因此當我們用刀切開這類物體時,絕大多數時候都是切開了其內部分子之間的相互作用,而不會切開其內部的單個分子,為什麼要說是「絕大多數時候」呢?這是因為存在著一些特殊情況。

例如像塑膠這一類的高分子聚合物,其內部單個分子的長度就可以很長,所以當我們用刀切開由塑膠製成的物體時,就有可能會直接切開其內部的單個分子。

結語

我們常見的物體大多數都是由多種物質構成的混合物,因此實際情況會比較復雜,但總的來講,當我們用刀切開物體時,肯定是不可能把原子切開的,實際上,這是刀刃用「擠」的方式,破壞了物體內部相對最脆弱的那一種相互作用。

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