能量可以转化为质量吗能量和质量是一体的吗( 三 )


工程人员事后对伽利略号天线故障的分析认为,高增益天线的表面电镀了一层黄金,这些天线肋骨的表面由于没有涂抹润滑油,发射时产生的振动使肋骨间产生磨损,从而使它们在真空中发生了金属粘接,这就是冷焊 。
(右方三根天线肋骨被认为“冷焊”在了一起)
冷焊发生的条件太空中由于没有氧气,金属表面不会产生氧化物,失去了氧化物的阻隔,金属在相互摩擦或存在外部强大压力的情况下容易造成原子间形成新的金属键,从而发生粘接的情况 。
但不是所有的金属都容易被粘接 。
科学家们发现,当两片直径10纳米以下的超薄金纳米线相互接触时,它们可以在施加非常低的压力下,几秒钟内通过单独的机械接触冷焊在一起 。通过高分辨率透射电子显微镜和原位测量表明,焊缝几乎是完美的,具有与纳米线其余部分相同的晶体取向,强度和导电性 。
(黄金超薄纳米线的合成)
高质量的焊接归因于纳米ji样品尺寸,定向附着机制和机械辅助的快速表面扩散 。并且目前只在金纳米线之间和银纳米线之间观察到这样的冷焊现象,说明焊接材料本身的金属属性也是其中一个重要条件 。
(超薄金纳米线的冷焊过程,b中的内置图为小方框中的放大图,清晰的表明了原子的扩散通道)
铁的金属属性与黄金不同铁的原子序数为26,它的原子核中有26个质子和30个中子,核外有26个电子 。铁原子的电子轨道分为4层,从内到外分别为2个、8个、14个和2个 。
(铁原子核外电子分层)
常温状态下,铁原子通过它最外层的2个电子与相邻的铁原子结成金属键,从而形成稳定的体心立方晶体结构 。
(常温下铁的体心立方晶体结构)
当铁被加热到911.85-1393.85摄氏度(1185-1667 K)之间时,铁原子间的相互连接会发生改变,它的晶体结构会变成与黄金一样的面心立方金属晶体 。
(高温下铁的面心立方晶体结构)
当两个铁原子团相遇时,它们不会因为相互接触而发生金属键的断裂重组,因为铁的最外层电子已经与其相邻的铁原子组成了稳定的联系 。在这种情况下,铁最外层原子会对外来的原子产生静电排斥力 。要想打断原有的金属键,必须给它提供额外能量,比如将铁加热到相当高的温度、施加更大的压力或通过强大的电流 。
总结:冷焊现象在纳米尺度下的黄金或白银纳米线发生,与金银元素本身的原子特性有关,也与其在纳米尺度下原子间相互作用力相关 。理论上在真空环境下金或银因为相互摩擦会发生冷焊,航天器在设计和制造过程中也会将活动构件有可能发生的金属粘接因素考虑进去 。但这不表示将两块打磨光滑的铁相互靠近就能发生冷焊,从而粘接在一起 。要想实现两块铁的焊接,必须要对它们施加外部作用,打破铁原子间已有的金属键结构,从而在两块铁之间形成新的金属键 。
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