[科普中國(guó)]-表面能

定義表面能定義

表面能是創(chuàng)造物質(zhì)表面時(shí)對(duì)分子間化學(xué)鍵破壞的度量。在固體物理理論中，表面原子比物質(zhì)內(nèi)部的原子具有更多的能量，因此，根據(jù)能量最低原理，原子會(huì)自發(fā)的趨于物質(zhì)內(nèi)部而不是表面。

表面能的另一種定義是，材料表面相對(duì)于材料內(nèi)部所多出的能量。把一個(gè)固體材料分解成小塊需要破壞它內(nèi)部的化學(xué)鍵，所以需要消耗能量。如果這個(gè)分解的過(guò)程是可逆的，那么把材料分解成小塊所需要的能量與小塊材料表面所增加的能量相等，即表面能增加。但事實(shí)上，只有在真空中剛剛形成的表面才符合上述能量守恒。因?yàn)樾滦纬傻谋砻媸欠浅２环€(wěn)定的，他們通過(guò)表面原子重組和相互間的反應(yīng)，或者對(duì)周圍其他分子或原子產(chǎn)生吸附，從而使表面能量降低。

也可以這樣理解，由于表面層原子朝向外面的鍵能沒(méi)有得到補(bǔ)償，使得表面質(zhì)點(diǎn)比體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)具有額外的勢(shì)能，稱為表面能。

產(chǎn)生單位面積新表面所作的功：y=dw/ds

表面張力定義由于物體表面積改變而引起的內(nèi)能改變，液體的單位面積的表面能的數(shù)值和表面張力相同（固體則不相同），但兩者物理意義不同。

物質(zhì)的表面具有表面張力σ，在恒溫恒壓下可逆地增大表面積dA，則需功σdA，因?yàn)樗璧墓Φ扔谖锵底杂赡艿脑黾?，且這一增加是由于物系的表面積增大所致，故稱為表面自由能或表面能。

產(chǎn)生原因物體表面的粒子和內(nèi)部粒子所處的環(huán)境不同，因而所具有的能量不同。例如，在液體內(nèi)部，每個(gè)離子都均勻地被鄰近粒子包圍著，使來(lái)自不同方向的吸引力相互抵消，處于力平衡狀態(tài)。處于液體表面的粒子卻不同，液體的外部是氣體，氣體的密度小于液體，故表面離子受到來(lái)自氣體分子的吸引力較小，而受到液體內(nèi)部粒子吸引力較大，使它在向內(nèi)向外兩個(gè)方向受到的力不平衡。這樣是表面分子受到一個(gè)指向液體內(nèi)部的拉力，因此，液體表面有自動(dòng)收縮到最小的趨勢(shì)。

如果要把液體內(nèi)部的粒子遷移到表面上來(lái)，則需要克服向內(nèi)的拉力而做功。當(dāng)這些被遷移的粒子形成新的表面時(shí)，所消耗的這部分功就轉(zhuǎn)變成表面內(nèi)粒子的勢(shì)能，使體系的總能量增加。表面粒子比內(nèi)部粒子多出的這部分能量稱為表面能。

實(shí)踐證明，不僅在液體和氣體的表面上存在著表面能，而且在任何兩相界面上均存在著界面能。在膠體分散體系中，分散質(zhì)顆粒具有很大的總表面積，故相應(yīng)地具有很大的表面能。1

性質(zhì)能量守恒砸碎石頭，就增大了石頭的表面能，但是同時(shí)也做了功，能量守恒。

特殊的性質(zhì)由于表面層中的電子所處的表面勢(shì)場(chǎng)與三維晶體內(nèi)部不同，電子態(tài)就表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)。

理論上，常把傳統(tǒng)的能帶計(jì)算法（見(jiàn)能帶理論）應(yīng)用于表面薄層，以計(jì)算電子能量和波函數(shù)。描述表面電子態(tài)的波函數(shù)只存在于表面幾個(gè)原子層的區(qū)域內(nèi)，進(jìn)一步深入內(nèi)部時(shí)，波函數(shù)迅速衰減。從化學(xué)鍵模型看，表面能級(jí)起源于表面原子朝外方向具有不飽和的價(jià)鍵，稱為懸掛鍵。

相關(guān)概念懸掛鍵這些懸掛鍵可提供電子或吸收電子，相當(dāng)于半導(dǎo)體中的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)（見(jiàn)半導(dǎo)體），從而形成與施主能級(jí)或受主能級(jí)相當(dāng)?shù)谋砻婺芗?jí)。表面能級(jí)可位于體能帶的禁帶區(qū)內(nèi)，也可位于允許帶內(nèi)，后者稱為共振態(tài)。

清潔表面清潔表面的表面能級(jí)稱為本征表面態(tài)。當(dāng)表面結(jié)構(gòu)改變、表面吸附外來(lái)原子、或表面層存在各種缺陷時(shí)，表面能級(jí)的密度和分布均會(huì)發(fā)生明顯變化。研究表面能級(jí)的起源、密度和分布，以及與表面結(jié)構(gòu)的關(guān)系是表面物理學(xué)的基本內(nèi)容之一。研究表面能級(jí)的主要實(shí)驗(yàn)手段有光電子能譜、離子中和譜等。

應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)了，物品會(huì)有灰塵附著，就是因?yàn)榛覊m附著降低了物體的表面積，從而降低了物體的表面能，物質(zhì)能量都有自動(dòng)趨向降低，保持穩(wěn)定的特點(diǎn)。