刀能切开纸,是因为刀刃进入了原子的缝隙还是将原子切碎了?


刀刃的厚度与原子直径,就根本不是一个数量级。

举个例子,我们常用的剃须刀的刀刃最薄处可达 0.4 微米,也就是 4 x 10^(-7)米,这可以说是非常锋利了,然而原子直径的数量级则是 10^(-10)米,也就是说,假如我们把原子直径放大成 1 厘米,那么相对比例放大后的刀刃最薄处的厚度就有 40 米,你说这怎么切?

是把原子之间的化学键切开了吗?也不一定,比如说水分子就是由两个氢原子和一个氧原子通过化学键结合而成,如果刀真的能把它们之间的化学键切开,那就意味着,我们只需要用刀不断地切开水分子的化学键,就可以持续地产生氢气和氧气,很明显,这也是不现实的。

实际上,从微观角度来讲,刀根本就不能算是“切开”了物体,而应该说是刀刃用“挤”的方式破坏了物体内部的微观结构,不过为了方便讨论,下面还是用“切开”来进行描述。那刀切开物体时,到底切开了什么呢?其实这个问题需要分情况来看。

先说晶体,晶体是一种常见的固体结构,大量微观粒子(如原子、分子、离子等)通过一定的规则进行有序排列之后就可以形成晶体,总的来讲,晶体可分为金属晶体、原子晶体、离子晶体以及分子晶体四种类型。

如上图所示,金属晶体都是单质金属,在其内部的金属原子通过金属键结合成一种晶格状的规则结构。

原子晶体又称“共价晶体”,在其内部的原子之间通过共价键结合在一起,进而形成一种三维立体网状结构(如上图所示),比如说金刚石晶体就是原子晶体。

离子晶体则是由离子化合物结晶而形成的特殊晶体,在其内部,大量的正、负离子会按照一定的规则通过离子键结合。

我们常见的氯化钠(食盐的主要成分)晶体就是离子晶体,如上图所示,在其内部,每一个氯离子(Cl-)都结合了 6 个钠离子(Na+),而每一个钠离子同样也结合了 6 个氯离子,它们一起形成了一个正立方体的网状结构。

可以看到,在以上三种晶体都有一个共同的特征,那就是它们的微观结构中都不存在单个的分子结构,因此当我们用刀切开这几种类型的晶体时,确实是切开了它们内部原子之间的化学键(即金属键、共价键和离子键)。

然而对于分子晶体来讲,情况却不一样了,顾名思义,所谓分子晶体,就是指大量的分子通过分子间的相互作用形成的晶体,为方便描述,我们不妨以一种最常见的分子晶体——冰,来进行举例说明。

如上图所示,从微观的角度来看,冰其实就是由大量的水分子通过氢键和范德华力(即分子间作用力)形成的规则结构,换句话来讲就是,在其中是存在着单个的分子结构的,每一个水分子都是由两个氢原子和一个氧原子通过共价键结合而成。

相对水分子内部原子之间的共价键来讲,水分子之间的相互作用就要弱得多,因此当我们切开这一类晶体时,其实是切开了其内部分子之间的相互作用,而不会切开其内部的单个分子。

同样的道理,对于那些不是晶体的固体结构而言,其内部通常都拥有大量的单个分子结构,因此当我们用刀切开这类物体时,绝大多数时候都是切开了其内部分子之间的相互作用,而不会切开其内部的单个分子,为什么要说是“绝大多数时候”呢?这是因为存在着一些特殊情况。

例如像塑料这一类的高分子聚合物,其内部单个分子的长度就可以很长,所以当我们用刀切开由塑料制成的物体时,就有可能会直接切开其内部的单个分子。

结语

我们常见的物体大多数都是由多种物质构成的混合物,因此实际情况会比较复杂,但总的来讲,当我们用刀切开物体时,肯定是不可能把原子切开的,实际上,这是刀刃用“挤”的方式,破坏了物体内部相对最脆弱的那一种相互作用。

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