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出版者:7-122

作者:埃伦斯坦

出品人:

页数:230

译者:

出版时间:2007-7

价格:38.00元

装帧:

isbn号码:9787122003522

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《物质的奥秘：从微观粒子到宏观世界的探索》 目录 引言：窥探自然的语言 第一章：原子与分子的世界 1.1 原子：构成一切的基础 1.1.1 原子核的发现与构成 1.1.2 电子的运动与能级 1.1.3 同位素：同一元素的变奏 1.2 分子：原子携手构筑的生命 1.2.1 化学键的形成：电子的共享与转移 1.2.2 分子的形状与极性 1.2.3 分子间作用力：无形的力量 第二章：物质的形态与转变 2.1 三态物质：固、液、气 2.1.1 固态：有序的结构与稳定的形态 2.1.2 液态：流动的自由与可塑性 2.1.3 气态：无拘无束的弥散 2.2 相变：物质的身份转换 2.2.1 熔化与凝固：固液之间的舞蹈 2.2.2 汽化与液化：液气之间的变奏 2.2.3 升华与凝华：直接跨越的旅程 2.3 混合物与纯净物：物质的分类学 2.3.1 物理混合：简单的结合 2.3.2 化学反应：全新的诞生 第三章：化学反应的艺术 3.1 反应的驱动力：能量的释放与吸收 3.1.1 活化能：点燃反应的火花 3.1.2 焓变：能量的得失 3.1.3 熵变：无序度的增加 3.2 反应的速率与平衡 3.2.1 影响反应速率的因素：温度、浓度、催化剂 3.2.2 化学平衡：动态的稳定状态 3.3 氧化还原反应：电子的传递游戏 3.3.1 氧化与还原的定义 3.3.2 氧化剂与还原剂 3.3.3 常见氧化还原反应的应用 第四章：元素周期表的奥秘 4.1 元素：物质的基石 4.1.1 原子序数与元素的身份 4.1.2 元素家族的划分：金属、非金属、稀有气体 4.2 周期表的结构与规律 4.2.1 行与列的意义：周期与族 4.2.2 元素性质的周期性变化 4.3 重要的元素及其化合物 4.3.1 氧与氢：生命之源 4.3.2 碳：万物之本 4.3.3 硅：现代工业的基石 第五章：光学世界的奇妙旅行 5.1 光的本质：波粒二象性 5.1.1 光的波动性：干涉与衍射 5.1.2 光的粒子性：光电效应 5.2 光的传播与反射 5.2.1 光的直线传播 5.2.2 平面镜与曲面镜的成像 5.3 光的折射与色散 5.3.1 光的折射定律 5.3.2 棱镜的魔术：彩虹的诞生 5.4 透镜的成像原理 5.4.1 凸透镜与凹透镜 5.4.2 眼睛与照相机的光学原理 第六章：电与磁的交响曲 6.1 电荷的奥秘 6.1.1 静电：不动的电荷 6.1.2 电荷守恒定律 6.2 电流的形成与运动 6.2.1 电路的构成 6.2.2 欧姆定律：电压、电流与电阻的关系 6.3 磁场的产生与效应 6.3.1 磁铁的磁性 6.3.2 电流的磁效应 6.4 电磁感应：变化的磁场产生电流 6.4.1 法拉第电磁感应定律 6.4.2 发电机的工作原理 第七章：声波的传递与感知 7.1 声波的本质：振动与介质 7.1.1 声波的产生：振源的运动 7.1.2 声波的传播：介质的重要性 7.2 声波的特性 7.2.1 频率与音调 7.2.2 振幅与响度 7.2.3 波形与音色 7.3 声波的现象 7.3.1 回声：声音的反射 7.3.2 干涉与衍射：声音的叠加与绕射 7.4 声波的应用 7.4.1 超声波探伤与成像 7.4.2 声纳技术 第八章：能量的转化与守恒 8.1 能量的形式：动能、势能、热能等 8.1.1 动能：运动的能量 8.1.2 势能：位置或状态的能量 8.1.3 热能：微观粒子的无规则运动 8.2 能量守恒定律：永恒不变的法则 8.2.1 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失 8.2.2 能量的转化形式 8.3 能量转化中的效率问题 8.3.1 能量损耗与转化效率 8.3.2 提高效率的途径 第九章：宇宙的宏伟图景 9.1 星星与星系：宇宙的组成单元 9.1.1 恒星的生命周期 9.1.2 星系的类型与演化 9.2 行星与卫星：太阳系的成员 9.2.1 行星的分类与特征 9.2.2 月球与地球的相互作用 9.3 黑洞与暗物质：宇宙的未解之谜 9.3.1 黑洞的引力陷阱 9.3.2 暗物质与暗能量的推测 9.4 宇宙的起源与未来：大爆炸理论 9.4.1 宇宙膨胀的证据 9.4.2 宇宙的终极命运 第十章：科学方法的精神 10.1 观察与假设：科学的起点 10.1.1 敏锐的观察力 10.1.2 合理的推测与假设 10.2 实验与验证：科学的基石 10.2.1 设计严谨的实验 10.2.2 数据分析与结论 10.3 理论与模型：科学的升华 10.3.1 建立科学理论 10.3.2 模型在科学研究中的作用 10.4 科学的局限与发展 10.4.1 科学的不断修正 10.4.2 探索未知，永无止境 引言：窥探自然的语言 我们生活在一个由无数奇妙现象构成的世界里。从微小的原子如何组合成万物，到星辰大海的浩瀚运行，自然界以其精妙的规律和深刻的奥秘吸引着我们去探索、去理解。这本书，并非关于某一特定材料的专著，而是试图为你打开一扇通往物质世界广阔图景的大门。我们将一起踏上一段探索之旅，从最基础的构成单元——原子和分子，到它们如何以不同的形态存在、相互作用，再到我们周围的光、电、磁、声等各种物理现象，最终将目光投向浩渺的宇宙。在这过程中，我们将揭示隐藏在这些现象背后的普适性原理，感受科学探索的逻辑与魅力。这不是一本枯燥的教科书，而是一次对自然语言的诗意解读，一次对物质世界深刻本质的追寻。 第一章：原子与分子的世界 我们所触及的一切，无论坚硬如石，或是飘渺如风，最终都可以追溯到微观世界的基石——原子。原子并非不可再分的最小粒子，而是由一个致密的原子核和围绕其运动的电子构成。原子核又由质子和中其中子组成，它们的数量决定了元素的种类。质子带正电荷，电子带负电荷，正是这种电荷的吸引力将电子束缚在原子核周围。电子并非在固定的轨道上运行，而是存在于特定的概率区域，即能级。不同元素的原子，其电子排布方式各有不同，这决定了它们独特的化学性质。 当原子不再孤立存在，它们便会通过化学键连接，形成更复杂的结构——分子。化学键的形成，是原子间电子的“合作”与“分配”过程。共价键中，原子共享电子；离子键中，电子则在原子间发生转移，形成带有相反电荷的离子，再通过静电吸引结合。分子的形状和极性，同样由电子的分布决定，这些微观特征又深刻影响着宏观性质。即使没有形成化学键，分子之间也存在着微弱的“分子间作用力”，它们如同无形的细线，将分子维系在一起，决定了物质的状态和许多物理性质。 第二章：物质的形态与转变 物质最直观的表现就是其形态：固态、液态和气态。固态物质拥有规则的晶格结构，粒子排列紧密，只能在固定位置附近振动，因此具有固定的形状和体积。液态物质的粒子间距稍大，粒子可以相对滑动，但仍受分子间作用力束缚，因此具有流动性，体积固定但形状可变。气态物质的粒子间距巨大，粒子运动自由，几乎不受束缚，因此既无固定形状也无固定体积。 物质并非一成不变，它们会经历“相变”，即从一种形态转变为另一种形态。加热固体，粒子获得足够能量克服束缚，发生“熔化”变成液体；冷却液体，粒子能量降低，重新排列成固定结构，发生“凝固”。液体受热蒸发变成气体，这个过程称为“汽化”；气体降温则会“液化”成液体。有些物质还能直接从固态变成气态（升华），或从气态变成固态（凝华），如碘和干冰。 除了形态，物质还可以按其组成进行分类。纯净物由单一的化学物质构成，拥有固定的化学式和性质。混合物则是两种或多种物质的简单物理组合，各成分保持其原有性质，可以通过物理方法分离，如过滤、蒸馏等。而当不同物质通过化学反应结合，则会生成全新的物质，这是化学世界的奇妙之处。 第三章：化学反应的艺术 化学反应是物质发生深刻变化的过程，其背后是能量的驱动和粒子的重组。要使反应发生，通常需要克服一个能量障碍，即“活化能”，这就像点燃火种一样。反应过程中，能量会以“焓变”的形式释放或吸收，释放能量的反应（放热反应）通常更易进行。同时，“熵变”也扮演着重要角色，熵代表体系的无序度，自然界倾向于向熵增大的方向发展。 化学反应的速率受到多种因素影响：温度越高，粒子运动越快，碰撞越频繁，反应越快；浓度越高，单位体积内粒子越多，碰撞机会越大；催化剂则能降低活化能，加快反应速率而不被消耗。当反应速率达到某个平衡点，正向反应速率与逆向反应速率相等，反应体系达到“化学平衡”，此时宏观上物质的组成不再变化，但微观上反应仍在进行。 “氧化还原反应”是化学反应中的一大类，它们涉及电子的得失。一种物质失去电子，发生“氧化”；另一种物质获得电子，发生“还原”。能够引起其他物质氧化的物质称为“氧化剂”；能够引起其他物质还原的物质称为“还原剂”。这类反应在自然界和工业生产中极为普遍，例如金属的生锈、电池的工作原理等。 第四章：元素周期表的奥秘 元素是构成物质最基本的化学单元。每一种元素都由一种特定的原子构成，其身份由原子核中的质子数——原子序数唯一确定。目前已知的元素被科学家们巧妙地组织在“元素周期表”中，形成了一幅化学世界的地图。元素周期表按照原子序数递增的顺序排列，并根据其电子层结构和最外层电子数，将元素划分为不同的“周期”（横行）和“族”（竖列）。 周期表揭示了元素性质的周期性规律。同一周期的元素，其化学性质会随着原子序数的变化而呈现出周期性的变化趋势；同一族（尤其是主族）的元素，则具有相似的化学性质，例如，它们都倾向于形成相同电荷的离子，或具有相似的化学键类型。通过元素周期表，我们可以预测未知元素的性质，理解元素之间的相互关系。 在元素周期表中，有些元素因其普遍性和重要性而备受关注。氧和氢，构成了水，是生命存在的基石；碳，以其独特的成键能力，构成了生命有机物的骨架，也是现代材料科学的重要组成部分；硅，则是现代电子工业和建筑材料的核心。了解这些重要元素及其化合物的性质，是理解物质世界的基础。 第五章：光学世界的奇妙旅行 我们能够看到五彩斑斓的世界，离不开“光”。光是一种非常奇特的现象，它既具有波的特性，也具有粒子的特性，即“波粒二象性”。光的波动性体现在干涉和衍射现象中，例如肥皂泡表面出现的绚丽色彩；光的粒子性则体现在光电效应中，光可以像粒子一样撞击物体，激发出电子。 光在均匀介质中沿直线传播。当我们站在镜子前，就能看到自己的“倒影”，这是光在平面镜上发生“反射”的原理。曲面镜，如汽车后视镜，也能通过反射成像，只是成像的性质（放大、缩小、虚实）会根据镜面的曲度和物体的位置而变化。 当光从一种介质进入另一种介质时，它的传播方向会发生改变，这种现象称为“折射”。光线在穿过棱镜时，会发生色散，不同颜色的光折射角度不同，从而分离出彩虹般的七色光。我们所见的彩虹，正是太阳光被空气中的水滴折射和反射形成的自然奇观。 “透镜”是利用光的折射原理来改变光路的关键光学元件。凸透镜能够汇聚光线，而凹透镜则会发散光线。我们眼睛中的晶状体就是一个天然的凸透镜，它将外界物体成像在视网膜上。照相机也是基于类似的原理，通过透镜系统将景物聚焦在感光元件上。 第六章：电与磁的交响曲 “电”和“磁”是自然界中最基本、最重要的两种力。电荷是电现象的根源，存在两种电荷：正电荷和负电荷。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电荷具有守恒性，即在一个孤立的系统中，总电荷量保持不变，电荷既不会凭空产生，也不会凭空消失。 当电荷在导体中定向移动时，就形成了“电流”。电流的形成需要一个“电场”的驱动，也就是“电压”。电压越高，推动电荷运动的“力”越大。导体对电流的阻碍作用称为“电阻”。“欧姆定律”精确地描述了电压、电流和电阻之间的关系：电流强度与电压成正比，与电阻成反比。 “磁场”是磁现象的来源，它能够对运动的电荷施加作用力。磁铁本身就具有磁场，而运动的电荷（即电流）同样会产生磁场，这是“电生磁”的现象。变化的磁场能够诱发产生电场，进而产生电流，这就是“电磁感应”。法拉第发现的电磁感应定律是发电机和变压器等现代电力设备工作的基本原理。电和磁紧密相连，构成了现代文明的基石。 第七章：声波的传递与感知 “声波”是我们赖以沟通和感知世界的另一种重要方式。声波并非无形的能量，而是由介质（如空气、水、固体）的振动传播形成的。当发声体振动时，它会引起周围介质的疏密相间变化，形成纵波，这就是声波。声波的传播需要介质，真空是无法传播声音的。 声波有三个基本特性：频率决定了声音的“音调”，频率越高，声音越高；振幅决定了声音的“响度”，振幅越大，声音越大；而“波形”则决定了声音的“音色”，使得不同的乐器或人发出不同的声音。 声波在传播过程中也会表现出丰富的现象。当声波遇到障碍物并反射回来时，我们就能听到“回声”。声波的“干涉”是指两列或多列声波叠加，可能增强也可能减弱；“衍射”则是声波遇到小孔或障碍物边缘时，会弯曲传播的现象。这些声波特性被广泛应用于实际，例如利用超声波进行医学成像和工业探伤，或者利用声纳探测水下物体。 第八章：能量的转化与守恒 “能量”是自然界中最 fundamental 的概念之一，它使得一切运动和变化成为可能。能量有多种形式，最常见的有“动能”（物体运动所具有的能量）和“势能”（物体因位置或状态而具有的能量，如重力势能、弹性势能）。同时，组成物质的微观粒子无规则运动所蕴含的总能量，表现为“热能”。 “能量守恒定律”是物理学中最重要、最普适的定律之一，它指出：在任何孤立的系统中，能量的总量保持不变。能量不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体传递到另一个物体。例如，火力发电厂将煤炭的化学能转化为热能，再转化为机械能，最终转化为电能。 然而，在能量转化过程中，总会有部分能量转化为不易利用的“废热”，导致能量的损耗，因此转化效率并非百分之百。科学家们一直在努力研究如何提高能量利用效率，减少能源浪费，例如发展更高效的发动机、更节能的电器等。 第九章：宇宙的宏伟图景 将目光从微观世界投向宇宙，我们看到的是一个更加宏伟、更加神秘的画卷。“星星”——那些遥远的恒星，并非永恒不变，它们拥有自己的生命周期，从诞生到演化，最终走向死亡。无数的恒星聚集在一起，形成了庞大的“星系”。我们的太阳系，只是银河系中一颗普通的恒星及其行星的组合。 “行星”围绕恒星运转，它们的大小、构成、大气状况千差万别。地球的“卫星”——月球，通过其引力影响着地球的潮汐，也默默见证着地球的演变。 宇宙中还存在着许多令人着迷的未解之谜，例如“黑洞”，它拥有强大的引力，连光都无法逃脱；还有“暗物质”和“暗能量”，它们占据了宇宙的大部分质量和能量，却不与光相互作用，我们对它们的了解知之甚少。 目前，最被广泛接受的宇宙起源理论是“大爆炸理论”。它认为宇宙起源于一个极度炽热、致密的奇点，并在此后不断膨胀和演化至今。宇宙膨胀的证据，如星系的红移现象，为这一理论提供了有力的支持。关于宇宙的未来，科学家们也提出了多种猜想，但终极命运仍是未知的探索领域。 第十章：科学方法的精神 这一切对自然界的探索，都离不开“科学方法”。科学的起点是“观察”，用敏锐的眼睛去发现现象，并基于观察提出“假设”，即对现象的初步解释。然而，假设能否成立，需要通过严谨的“实验”来“验证”。科学家们会设计周密的实验方案，控制变量，收集精确的“数据”，并对数据进行分析，最终得出“结论”。 当大量的实验数据支持同一个解释，并且能够解释更广泛的现象时，就可能形成“科学理论”。“模型”则是科学研究中的重要工具，它通过简化和抽象，帮助我们理解复杂事物的本质，并预测新的现象。 科学并非一成不变的真理，它具有“局限性”，并且是在不断“发展”和“修正”中的。每一个科学理论的建立，都可能被新的发现所挑战和完善。科学精神在于不断质疑、不断探索、勇于承认未知，并以理性、逻辑和证据为依据，在认识自然的道路上永无止境地前进。这本书所描绘的，正是这场伟大探索之旅的一部分，希望能激发你对物质世界的好奇心，并鼓励你继续追寻那些隐藏在自然现象背后的深刻奥秘。

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比较言简意赅，不过作为入门级的教材了

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不错的译作，聚合材料学方面的经典书籍

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