分子間作用力與液體

液體結構

想像高峰時段一節擠滿人的地鐵車廂。人們既不像士兵那樣排成整齊的行列(那是固體),也不像氣體那樣彼此遠隔、四周都是空地。他們肩並肩地擠在一起,每個人身邊都有幾個近鄰,可整群人卻在不停地挪動、重新排布。液體內部大致就是這副模樣——而它的分子如何排布,就是液體結構。

液體結構描述的是液體中分子的平均排布。與晶體不同,液體沒有長程有序:你無法預測遠處的某個分子會在哪裡。但它確有短程有序——每個分子都在一個典型距離上,維持著數目相當固定的近鄰,因為分子間作用力既想讓它們彼此挨著、又不願它們相互重疊。科學家用徑向分布函數來刻畫這一點,它告訴你在距某個分子的每個距離上,找到另一個分子的可能性有多大。

它為何要緊:這種半路上的排布——近處有序、遠處無序、且始終在運動——正是賦予液體兩面性格的根源:它像固體一樣緻密、幾乎不可壓縮,卻又像氣體一樣能流動、能取任意形狀。需要老實說明的是:這裡的「結構」指的是一種轉瞬即逝的統計平均,而非固定的圖樣;近鄰是真實的,但它們每秒鐘要被替換上億次。

在液態水中,X 射線散射顯示每個分子平均約有四個近鄰,由氫鍵安排成四面體形——這種局部有序在隔開幾個分子之後便消失了。

液體在近鄰之間有序,遠處則毫無規律。

液體既不是「鬆散的固體」,也不是「緻密的氣體」。它有自己獨特的有序方式——在直接近鄰之間很強,在遠處則消失——這由徑向分布函數刻畫,並通過 X 射線和中子散射來探測。

又稱
structure of liquidsshort-range order液体结构