本文來(lái)自微信公眾號(hào)：原理 （ID：principia1687），作者：小雨，頭圖來(lái)自：caltech.edu
不遵循熱膨脹的例外
(資料圖片僅供參考)
幾乎每種物質(zhì)，無(wú)論是固態(tài)、液態(tài)還是氣態(tài)，都會(huì)隨溫度的升高而膨脹，隨溫度的降低而收縮，這種特性被稱為熱膨脹。
熱膨脹之所以會(huì)發(fā)生，是因?yàn)椴牧系脑訒?huì)隨著溫度的升高而振動(dòng)得越厲害。原子振動(dòng)得越厲害，它們就與鄰近的原子相隔越遠(yuǎn)，原子與原子之間的空間增大，材料的密度就會(huì)減小，導(dǎo)致整體尺寸增大。
總的來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)材料都嚴(yán)格遵守這一原則。不過(guò)，也有少數(shù)例外，比如一種名為因瓦（Invar）的金屬合金材料，就是一個(gè)典型的例子。
因瓦合金。（圖/caltech.edu）
與磁性有關(guān)？
因瓦是一種由鐵（Fe）和鎳（Ni）結(jié)合而成的磁性金屬合金。鐵和鎳都有著正向的熱膨脹特性，但當(dāng)它們以一定的比例結(jié)合起來(lái)時(shí)，就會(huì)形成一種在很大的溫度和壓強(qiáng)范圍內(nèi)，都能頑強(qiáng)地表現(xiàn)出幾乎“零熱膨脹”的材料，這種反常的現(xiàn)象被稱為因瓦效應(yīng)。
這種特性使得這種合金非常適用于對(duì)精度有極高要求的場(chǎng)景，比如為鐘表、望遠(yuǎn)鏡和其他精密儀器制造零件。然而，一直以來(lái)，科學(xué)家一直不知道為什么因瓦合金會(huì)有這樣的性質(zhì)。
150多年來(lái)，科學(xué)家就已經(jīng)知道熱膨脹與熵有關(guān)。熵是熱力學(xué)中的一個(gè)核心概念，它可以被簡(jiǎn)單理解為是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序程度的度量。普遍來(lái)說(shuō)，隨著溫度的升高，系統(tǒng)的熵也隨之增加。正因如此，因瓦效應(yīng)必須用某種能夠抵消熱膨脹的東西來(lái)加以解釋。
因瓦效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者，瑞士物理學(xué)家夏爾·紀(jì)堯姆（Charles Guillaume）就提出，因瓦效應(yīng)與磁性有關(guān)，因?yàn)橹挥心承╄F磁性（能夠被磁化）的合金才能表現(xiàn)得像因瓦合金。
在一篇新發(fā)表于《自然·物理學(xué)》雜志上的新論文中，加州理工學(xué)院的一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)與其合作者，通過(guò)使用一個(gè)非常簡(jiǎn)潔的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)因瓦合金的原子振動(dòng)和磁性同時(shí)進(jìn)行了測(cè)量，找到了問(wèn)題的答案。
微妙的平衡
熵、熱膨脹和壓力之間的關(guān)系被稱為“麥克斯韋關(guān)系”。在新的研究中，物理學(xué)家找到了一種方法，能夠利用麥克斯韋關(guān)系來(lái)測(cè)量由磁性和原子振動(dòng)引起的熱膨脹。
他們的實(shí)驗(yàn)裝置由一個(gè)金剛石壓砧室組成的，它具有兩個(gè)被精確研磨的金剛石尖，可以對(duì)材料樣本進(jìn)行嚴(yán)密地?cái)D壓。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員就以約20萬(wàn)倍的大氣壓強(qiáng)，在金剛石壓砧室中擠壓一小塊的因瓦合金樣本。
與此同時(shí)，他們還將一束強(qiáng)大的X射線穿過(guò)合金。在這個(gè)過(guò)程中，X射線與原子的振動(dòng)（聲子）相互作用，這種相互作用可以改變X射線所攜帶的能量，使研究人員可以測(cè)量原子振動(dòng)的程度。
其實(shí)，物質(zhì)的磁性與其電子的自旋態(tài)有關(guān)，所以任何能夠抵消材料的預(yù)期熱膨脹的磁效應(yīng)，都必須歸因于其電子的活動(dòng)。因此，在實(shí)驗(yàn)中，研究人員還在金剛石壓砧室周圍放置了傳感器，可以探測(cè)到由屬于因瓦合金的原子的電子自旋態(tài)產(chǎn)生的干涉圖案。
利用這套裝置，研究人員測(cè)量了因瓦合金的原子振動(dòng)以及其電子在溫度升高時(shí)的自旋態(tài)。他們的觀測(cè)結(jié)果顯示，原子振動(dòng)產(chǎn)生的熱膨脹被磁性微妙地抵消了。
具體來(lái)說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)在較低的溫度下，更多的因瓦的電子共享相同的自旋態(tài)，導(dǎo)致它們分開(kāi)得更遠(yuǎn)，并且也將它們的母原子推得更遠(yuǎn)；隨著因瓦合金的溫度升高，其中一些電子的自旋態(tài)越來(lái)越多地出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，使得電子變得越來(lái)越容易靠近鄰近的電子。
通常情況下，這會(huì)導(dǎo)致因瓦合金在升溫時(shí)收縮，但由于因瓦合金的原子也因?yàn)樯郎囟駝?dòng)得越厲害，進(jìn)而占據(jù)了更多的空間。結(jié)果就是，由自旋狀態(tài)變化引起的收縮，會(huì)與原子振動(dòng)引起的熱膨脹相互抵消，導(dǎo)致因瓦合金可以在溫度的變化下維持大小不變。
令人興奮的答案
研究結(jié)果表明，雖然因瓦合金的原子振動(dòng)和磁性都隨溫度和壓力的變化而變化，但在某種程度上，它們可以維持平衡。這是令人興奮的結(jié)果，因?yàn)榭茖W(xué)家已經(jīng)為此困惑了100多年。???
研究人員利用這種新發(fā)展的理論方法，展示了原子振動(dòng)和磁性之間的相互作用是如何幫助維持這種平衡的。原子振動(dòng)與磁性之間的這種耦合，也或?qū)⒂兄诳茖W(xué)家們理解其他磁性材料中的熱膨脹，并幫助開(kāi)發(fā)其他可用于磁制冷的材料。
參考來(lái)源：
https://www.caltech.edu/about/news/some-alloys-dont-change-size-when-heated-we-now-know-why
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：原理 （ID：principia1687），作者：小雨
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