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第一章 早晨 1 1 起床（第2页）

不过，如今大多数数字手表都不再使用LED显示器了，而是使用LCD，也就是液晶显示器（LiquidCrystalDisplay）。其主要优点是功耗低，因此，如果电子设备由电池供电的话，液晶显示器会让设备的续航能力更强。

这里向大家简单介绍一下什么是液晶[15]。在晶体中，组成粒子（原子、离子或分子）按照一定的几何形状在空间中有序排列，而这个几何形状就决定了晶体特定的对称性。其结构的对称性会使晶体在不同的方向上具有不同的物理性质（如电学性质、光学性质或机械性质）。这种特性被称为晶体的各向异性（anisotropy）。当固体熔化时，其几何秩序和对称性一般会被破坏，得到的**会呈现出完美的各向同性，即在各个方向上呈现出相同的性质。液晶是一种特殊的物质，与其他物质不同，它不能直接从固态变为液态，但它可以产生同时具有固态和液态特征的中间相（iephase），从而保持一定的各向异性。

1888年，奥地利植物学家和化学家弗里德里希·莱尼兹（Friedriitzer，1857—1927）发现了具有这种特性的物质。在研究一种特殊的物质——胆固醇苯甲酸酯（Cholesterylbenzoate）时，他观察到，在加热到145℃后，这种物质熔解为混浊状的**，但随着温度的升高，**逐渐变得透明，直到在178。5℃的温度下又呈现出原始的颜色。在冷却下来时，**又呈现出一种接近蓝色的颜色并最终结晶变回固体。莱尼兹对这个独特的现象很感兴趣，于是向德国物理学家奥托·雷曼（OttoLehmann，1855—1922）请教。雷曼用偏光显微镜研究该物质，并在一篇题为《论可流动的晶体》（OnFlowingCrystals）（发表于《物理化学杂志》，ZeitschriftfürPhysikalischeChemie）的文章中说明了他的研究结果，而这篇文章也成为现代液晶科学的“基石”。“液晶”这一概念由雷曼提出，这位德国科学家是第一个尝试对这些材料的独特现象进行解释的人。液晶与一般**不同，它保持着一定的分子组织。正常**中存在大量的微观无序现象，而液晶则表现出一定程度的有序性。且这种排列次序是可以通过调节温度、施加电场或磁场来改变的。

能通过温度的变化而形成液晶相（liquidephase）的物质称为热致液晶。溶液中通过浓度变化而形成液晶相的物质则称为溶致液晶（lyotropicliquidcrystal）。

若某种物质想要表现得像液晶一样，它就必须具有某些特性分子。首先，分子必须具有很强的各向异性。比如细长呈棒状的分子会构成棒形分子液晶（rodicliquidcrystal）。如果分子扁平、薄且呈盘状，则可得到盘形分子液晶（discoticliquidcrystal）。其次，这些分子还必须能进行一些分子间的相互作用。这些相互作用保证了即使在**状态下物质也能产生一定的有序性和各向异性。

根据分子排列次序的不同也可以将热致液晶分为不同的类型（图2）。所谓向列相（icphase）液晶，其特征是分子质心位置是无序的，但分子取向是有序的，沿某一从优方向取向。在胆甾相（cholestericphase）液晶中，分子间的相互作用使相邻两层的分子排列方向保持一定的角度错位，分子的取向在整个空间中不是恒定的，而是遵循一种螺旋式结构。近晶相（smecticphase）液晶的特点是具有较高的秩序性，除了具有从优取向方向，分子还排列成层状结构。

图2　液晶分子排列示意图

正如我们所说，液晶内部分子的有序程度对外部应力，如电场产生的应力作用非常敏感。从外部施加的电场可以诱导分子沿着一个方向移动。这种方向取向可以改变材料的光学特性，尤其是可能会使该材料对偏振光（pht）照射的反应有所不同。偏振光（见本章第3节）由在某一优先平面（偏振面，planeofpolarization）中振**的电磁波组成，这与在无固定方向平面中发生振**的普通光不同。只有当偏振光的偏振面与晶体分子的取向方向一致时，偏振光才能穿过液晶（此时液晶呈透明状态）。相反，如果它们的方向垂直，光就不能通过，晶体就不透明。液晶显示器的原理就是利用了这一特点。电路（如闹钟中的电路）将信号发送至电极，以改变封闭在两片透明玻璃之间的液晶分子的方向。这个方向决定了偏振光是否能通过，并使相应的显示元素（像素，pixel）呈现出亮或暗的状态，如果是闹钟的话，这样就构成了闹钟上表示时间的数字。另外，根据光线的来源也可以将显示屏分为多种类型：如果光线是来自屏幕背面，则为透射式液晶显示屏（transmissives）；如果是利用环境中的光线，通过放置在屏幕背面的镜子反射出来，则为反射式液晶显示屏（reflectives）。在某些情况下，上面两种情况兼有，就有了所谓的透反式液晶显示屏（traives）。

如前面所述，液晶分子的排列次序也可以取决于温度（如热致性液晶）。特别是在胆甾相液晶中，它特有的螺旋结构的螺距就与温度的高低有关。螺距的大小与可见光的波长相当。因此，随着温度的变化，液晶会选择性地反射光线。实际上温度的不同还会使液晶发生颜色变化，这使得液晶可以当作温度计应用于各个领域。

职责所在得上班呀。你得离开舒适的被窝，迎接漫长的一天啦！再看一眼你的闹钟。你绝对想象不到吧，这个看似简单，我们又再熟悉不过的日常用品中竟然包含了这么多的知识，这都是科学家们潜心研究的成果啊！

拓展：原子、分子和原子结构

也许在25个世纪之前，在神海之滨，诗人的吟唱声刚刚消逝的地方，已经有哲学家教导我们，不断变化的物质是由不断运动且不可被摧毁的颗粒，也就是原子组成的。在命运的安排下，在世纪长河里，原子聚集，形成我们所熟悉的形态以及我们的身体[16]。

伟大的法国化学家和物理学家让·巴蒂斯特·佩兰（JeanBaptistePerrin，1870—1942）就是用这样几句诗意的话语，概述了思想史上首次诞生原子观念的环境。留基伯（Leuileto）和德谟克利特（DemocritodiAbdera，约公元前5—前4世纪）是这一观点的创始人，他们认为物质是由微观且不可分割的粒子组成的。“原子（atomo）”一词来源于希腊语?τομο?（àtomos），意为“不可分割”。“不可分割”的含义则来自其单词的组成字母：?表示“不”，是希腊语的第一个字母；τ?μο?（tómos）表示“分割，碎片”。

原子论观点被伊壁鸠鲁（Epicuro，公元前341—前270）采用，而关于他对原子论的想法，我们可以在一部拉丁文学杰作，提图斯·卢克莱修·卡鲁斯（TitoLucrezioCaro，公元前98—前55）的《物性论》（Dererumnatura）中找到清楚详尽的阐述。原子学说早在古代就有许多反对者，其中影响力最大的就是亚里士多德（约公元前384—前322）。他对西方思想的影响使原子论观点在很多个世纪都不被支持和接受。但原子观念从来都没有消失过，它偶尔还会被不同时期的学者重新提出来。一直到17世纪，原子论都在哲学家的讨论范畴。随着科学思想的诞生及其与哲学思想的逐步分化，关于原子是否存在的争论引起了自然科学家的注意[17]。弗朗西斯科·培根（Francese）、丹尼尔·塞内特（Da）、约阿希姆·容吉乌斯（Joagius）、罗伯特·波义耳（RobertBoyle）、尼古拉斯·雷姆利（Niery）、艾萨克·牛顿（Isaa）、米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫（MichailV。Lomonosov）、鲁格罗·朱塞佩·博斯科维奇（RuggeroG。Boscovich）和丹尼尔·伯努利（DanieleBernoulli）等人就在他们的作品中经常提到原子或者类似的想法。

17世纪到18世纪，化学取得了飞速的发展。安托万·洛朗·拉瓦锡（ALavoisier，1743—1794）对此做出了重要贡献（见第三章第2节）。到了19世纪初，元素、化合物、混合物和化学反应的概念已经得到了清楚的解释。此外，对气体的研究和重量定律[1]（leggeponderale）的发现，表明了物质状态的特殊规律性。因此这些逐步被收集起来的实验数据和原子理论等待着一个天才的想法将它们联系起来，而这个想法就诞生在英国化学家和物理学家约翰·道尔顿[2]的头脑中。

道尔顿首先利用原子假说对气体的一些状态进行合理的解释。后来他又尝试运用他的假说来说明化合物的形成机制。各种不同元素的原子结合在一起形成一个“复杂原子（）”，而复杂原子的质量就等于所含的各种元素原子质量之和。有了这些假设，道尔顿对普鲁斯特的定比定律和拉瓦锡的质量守恒定律给出了正确的解释。此外，他还成功计算出许多元素的原子质量与氢原子质量（相对原子质量）的比值。在他假设的基础上，道尔顿从理论上预测出了另一个重量定律的存在：也就是他通过实验证明的倍比定律。

1808年，道尔顿发表了《化学哲学新体系》（emofChemicalPhilosophy）的第一册，他在书中概述了原子理论的特点。他又于1810年和1827年分别出版了该书的后两册，进一步完善了该理论。尽管道尔顿的实验观测都很合理，但他的理论还是遭到了很多人的反对。包括法国的克劳德·路易斯·贝托莱（Claude-LouisBerthollet，1748—1822）在内的权威化学家提出了各种批评，特别是不同意道尔顿关于原子绝对不可分割的观点（对于这一点，今天我们知道那些化学家是对的）。而且，“原子”这个词“吓”到这么多人，是因为它还带有形而上学的意味。但不管怎么说，随着时间的推移，原子理论已经成为理解化学物质组合的通用参考模型。

在当时的化学界，新的原子理论推动了一系列的科学研究，引入了一些现代化学最重要的概念。除此之外，它还在化学语言中引入了化学符号、化学式和化学方程式的使用。道尔顿本人是第一个采用常规符号系统来表示元素的人。道尔顿的符号系统虽然没有被广泛采用，却影响到了永斯·雅各布·贝采利乌斯（J?nsJacobBerzelius，1779—1848）。他在1813年发表了一个更完善的元素符号系统，与我们现在使用的元素符号系统几乎一样。后来人们发现道尔顿计算出的相对原子质量是不准确的。这也是因为当时的分析方法存在局限性，在没有其他人反对的情况下，根据道尔顿提出的原子假说，复杂原子所含的元素原子的比例为1∶1。这种“最简原则”使道尔顿认为：水的化学式是HO（而不是H2O），氨气的化学式是NH（而不是NH3），甲烷的化学式是CH（而不是CH4），等等。

约瑟夫·路易·盖-吕萨克（Joseph-LouisGay-Lussac，1778—1850），贝托雷的学生，后在巴黎综合理工学院（écolePolyteique）[18]任安东万·弗朗索瓦（Antoine-FrantedeFourcroy，1755—1809）的助手。他在1808年发表了一条关于气体的定律（盖-吕萨克定律），对相互反应的气体元素的状态进行了说明。盖-吕萨克观察到，参加反应的各种气体的体积总是呈简单的整数比。虽然道尔顿的原子理论在用重量定律解释时很合理，但盖-吕萨克得到的这些比值却与他的假说预测的并不一致。

都灵的阿梅代奥·阿伏加德罗（LorenzoRomanoAmedeadrotediQuarego，1776—1856）成功地解决了这一难题[19]。在学习了哲学和法律之后，阿伏加德罗致力于自然科学的研究。他曾在维切利皇家学院担任物理学教授，后在都灵大学担任物理学教授一职。

阿伏加德罗在1811年用一个看似简单、但实际上非常天才的理论成功地解决了盖-吕萨克定律的棘手问题（盖-吕萨克与道尔顿的实验结果不一致的问题）。他假设在相同的温度和压强下，相同体积的任何气体所含的分子数目相同。这个假说今天被称为“阿伏加德罗定律”。在此定律下，气体体积之比与气体所含的分子数目之比有直接的比例关系。因此我们就可以在某些时候用相互作用的分子数目之比来解释参加反应的气体体积的比例。此外，阿伏加德罗还将道尔顿的原子理论解释为一种数学模型，而非物理模型。在这种想法下，他承认气体元素中相互作用的分子可以分割为更多的基本粒子。今天我们知道，盖-吕萨克所认为的气体元素并不像道尔顿所认为的那样由单个原子构成，而是由一对一对相连的原子，也就是双原子分子（diatomicmolecules，“分子melecola”一词来源于拉丁语moles，意为“少量”）构成。因此阿伏加德罗的想法是正确的。

构成阿伏加德罗分子理论的简单假说不仅能够有效地解释盖-吕萨克的实验数据，同时还修正了道尔顿理论存在的问题，使他的原子理论更加完善。正如阿伏加德罗自己所说：“当不同气体以简单的整数体积比进行反应时，就相当于以同样的分子数目比进行反应，因此说分子数目比和体积比是相等的。”他还说：“由气体的质量与体积之比可以得到密度，因此气体的密度与分子的质量成正比。”后面这句话暗示，我们可以用一种实用的方法，即气体密度法，来测定气态下各种物质的相对分子和原子质量。以克为单位表示的分子量现在我们用摩尔（mole）来表示，1mol任何物质中含有的微粒数称为“阿伏加德罗常数”（Avogadrot），其值约为6。022×1023（1908年由让·巴蒂斯特·佩兰首次提出）。

阿伏加德罗的分子论花了50年的时间才最终在化学界站稳脚跟。1860年9月3日至5日，在卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）举行了第一次国际化学会议（TheIioryce）。化学家斯坦尼斯劳·坎尼扎罗（Stanislaoizzaro，1826—1910）是热那亚大学的教授，他在会议上明确表示：“考虑到分子是物质进入化学反应时的最小粒子，也是保持物质化学性质的最小粒子，而原子是化合物分子组成的最小粒子，建议对分子和原子采用不同的概念。”

原子和分子理论在今天代表了一种稳定的思想，是所有物理化学科学的基础。当然不仅有双原子分子，还有由数千个原子组成的更复杂的大分子（maolecule）。“我们所说的分子是指相同或不同原子的最小集合体，能够独立存在，并具有分子构成的物质的所有化学和物理性质”，阿伏加德罗这句对分子的定义至今仍有意义。

今天，通过一些特殊的技术，如扫描隧道显微镜（SgTunnelingMicroscope）或场离子显微镜（FieldIonMicroscope），我们甚至能够用肉眼看到原子和分子，并且能够估计它们的大小。我们知道原子的数量级是10-8厘米（一亿分之一厘米）。尽管“原子”一词的词源含义（不可分割）一直保留着，但19世纪末到20世纪初进行的一系列研究也使我们认识到原子是由其他更小的粒子组成的。

在同一时期，威廉·克鲁克斯（WilliamCrookes，1832—1919）和约瑟夫·约翰·汤姆森（JosephJohnThomson，1856—1940）的研究（见第四章第2节），让人们发现了电子。电子是构成原子的最小粒子，带负电荷。1909年，新西兰籍的物理学家欧内斯特·卢瑟福（Erherford，1871—1937）发现原子中含有一个原子核，也就是一个很小的带有正电荷的中心区域，并且集中了原子的大部分质量。而原子核又由另外两种粒子构成：带正电荷的质子和不带电荷的中子。起初，卢瑟福认为电子是围绕着原子核运转的，就像行星围绕太阳一样，即原子行星模型（modelloplaomo）。实际上事情要复杂得多。量子力学（QuantumMeics）是20世纪前30年发展起来的一个物理学分支，它表明对于电子等微观粒子来说，再谈论轨道概念已经没有意义了。事实上，微观粒子的行为与波相似，所以我们无法在空间中对粒子定位，但定位又是描述它们的轨迹所必需的。因此量子力学用概率的方式来描述电子在原子核周围的运动。我们可以通过轨函（orbital）做到这一点，轨函实质上是一个数学函数，可以逐点计算空间中发现电子的概率。量子力学还能为每个原子轨道计算出相关的能量。由此我们发现，每个原子轨道上的电子的能量值不是任意的，只能是彼此不同的一些确定的（非连续的）值：这些能量值被称为能级。图3为两种原子轨道示意图。

图3　两种原子轨道示意图

虽然这些描述很抽象，而且也看不见，但可以解释原子所有明显的特性。因此，轨函的应用在现代化学中至关重要。通过对原子的电子构型（eleifiguration，即原子中的电子在各个轨道上的分布）的认识，可以解释元素的所有化学性质。门捷列夫（Mendeleev）的元素周期表上可以找到关于电子构型的完美解释。例如，属于同一族（同一竖列）的元素有相似的化学性质是因为它们的外部电子构型几乎一样。因此，稀有气体（或称惰性气体：氦、氖、氩、氪、氙、氡和）之所以具有化学惰性，是因为它们的电子构型非常稳定。所有其他（非惰性）元素都倾向于改变其构型，以使其像稀有气体一样有稳定的结构，这就是它们会结合形成分子的原因。我们将在下一节专门讨论化学键（见第一章第2节）。