交界面上的风景

王殿华

阴阳交合，万物化生。大自然最神奇、最热闹、最富有生机和活力的地方，莫过于两种物质的交界处了。天空与大地、陆地与海洋、有机物与无机物以及冷暖气流、高低气压等任何两种不同物质交叉融汇、冲突碰撞的地方，往往呈现出气象万千的景象。

两相之间的分界被称为界面，按物质形态来分，包括：气－液、气－固、液－液、液－固、固－固等界面。其中，液－气界面、固－气界面，也被称作表面。

地表天地相交生万物

天空与大地的交界面——地表，是我们能看到的最宏大的自然界面，是大气圈、水圈、陆地圈相互交接的地方。这里是生命繁衍的世界，万物竞逐，生机勃勃；这里山峦起伏、大河奔流、云蒸霞蔚、气象万千。我们人类就生活在地表，大多数生物也和人类一样生活其间。由于气、液、固三相交互渗透，经过长期能量转化、物质交换，在地球表面形成一个有生命活动的圈层，这就是生物圈。生物圈是地表有机质及其生存环境的总和，包括大气圈底部对流层、水圈和岩石圈上部风化层，厚度约20千米。其中，地面上100米到水面下200米是生物集中分布的地方。

在大气运动基础上形成了气候，在陆地圈基础上形成了地貌，在水圈基础上形成了水文，在三大圈层互相作用基础上形成了土壤、植物、动物，以及在地层中的矿产资源等。凡此种种构成了自然环境的基本要素。

地表自然环境处在地表四个圈层的接触带上。自然环境运动是地球内力和外力相互作用的产物。地球内力来源于放射性元素蜕变产生的热能、地幔中的热对流、地球自转产生的动能。地壳的水平运动和垂直运动、褶皱、断裂、火山喷发、岩浆入侵、地震、海啸是地球内力的表现。地球内力是地壳发展的主要动力。去年发生的汶川大地震就处在亚欧板块和印度洋板块交界处，属于地壳脆一韧性转换带，因而地震造成的破坏力巨大。内力作用也常生成有价值的矿床。在花岗岩与石灰岩的交界面，常常能形成矽卡岩富矿床，这是由于花岗岩周围，由于岩浆的烘烤作用，石灰岩受温度、汽水热液的影响，发生接触交代变质作用(在侵入体与围岩的接触带，围岩除受到热流的影响外，还受到具化学活动性的流体和挥发分的作用，发生不同程度的交代置换，原岩的化学成分、矿物成分、结构构造都发生明显改变，形成各种夕卡岩和其他蚀变岩石，有时还伴生有一定规模的铁、铜、钨等矿产以及钼、钛、氟、氯、硼、磷、硫等元素的富集)形成矽卡岩。矽卡岩矿物组成方解石、水晶、硅灰石、石榴子石、黄铁矿、黄铜矿等。地球外力指的是太阳能以及由太阳能转化而成的风化、流水、波浪、洋流等能量。地球外力对地壳起着缓慢的剥蚀作用。在汶川大地震造成的次生灾害中，山石之所以很松散，就与长期风化作用有关。

界面效应变幻莫测生神奇

不但宏观物质界面风景秀丽，微观物质界面同样异彩纷呈。在一些物质的表面，往往会发生令人难以置信的神奇物理现象，对这些现象的观察与利用，推动了人类文明的巨大进步和科技水平的飞跃。

众所周知，光不但能在物体表面发生反射，而且以一定角度进入空气、玻璃、水等透明物质时会发生折射，并由此产生美丽的彩虹和各种各样的现象。

1870年初春的一天，英国著名物理学家丁铎尔做了一个有趣的实验：在暗室里，一股水流从容器的侧壁孔中流出，在另一侧壁给水照明。这时从孔中流出的水，几乎在整个长度上都在发光。而且本来直线传播的光，现在竟然沿着这股弯曲的水流在耀动。

人们惊讶地发现，光弯曲了。

这是为什么?

原来光由折射率大的水进入折射率小的物质时，在两种物质的交界面上产生了全反射。光没有进入折射率小的物质，而是全部返回到折射率大的物质中。后来，人们用玻璃纤维模模拟这股水流，制成了玻璃光导纤维。把玻璃纤维的一端截面对准某一物体，不管它弯曲成什么样的角度和形状，都能从另一端的截面上清楚地看到射入的图像。

光是沿直线传播的。光导纤维却是弯弯曲曲的，但这并不影响到光在光导纤维中的传输。光导纤维中间为具有高折射率的芯材，外面裹有低折射率的包皮，最外面是塑料护套。这样特殊的结构，加上精心的选材，使光导纤维既纤细似发、柔软如丝，又具有高抗拉强度、大抗压能力。同时，光导纤维中的光波传输衰减小，可以多功能传输声音、图像和文字。光导纤维可以在低温环境下工作，能抗电磁干扰，耐放射性辐射。光波在光纤中传播时不会向外辐射电磁波，有很高的保密性能，信息以光速传送，速度无与伦比。研究显示，光通信比电通信的容量要高1亿到10亿倍，一根光纤能同时传输100亿个电话，或1000万套电视节目。想象一下，它的容量有多大啊!

超声波也具有同上面介绍的类似的特性。超声波在同一均匀介质中作直线性传播，但在两种不同物质的界面上，便会出现部分或全部的反射。如今，人们利用这一效应来进行疾病诊断和超声波探伤。所谓超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法。当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发回反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形。根据这些脉冲波形，人们即能判断出金属材料的缺陷情况。换句话说，当超声波遇到材料内部有气孔、裂纹、缩孔时，则在金属的交界面上发生反射，异质界面愈大反射能力愈强，反之愈弱。这样，内部缺陷的部位及大小就可以通过探伤仪荧光屏的波形反映出来。常用的超声波探伤有X光和射线探伤。

物理界面效应最典型的事例莫过于p－n结了。科学家很早就发现，将一块P型半导体和一块N型半导体连接，电子将扩散到P型材料中，空穴则会扩散到N型材料中。p—n结具有整流作用。当具有p—n结的半导体受到光照时，其中电子和空穴的数目增多，在结的局部电场作用下，p区的电子移到n区，n区的空穴移到p区，这样在结的两端就有电荷积累，形成电势差。这一现象被称为p—n结的光生伏特效应。由于这些特性，用p—n结可制成半导体二极管和光电池等器件。利用p－n结的反向电压原理还可用来制造稳压管或开关等器件。

界面景象之所以多姿多彩，是因为那里是物质存在或运动方式发生根本转换的边界线和临界点，也是物质发生分合交流反应最频繁的地方。从物质界面引申到社会层面、科学层面，其实也存在着同样的现象。

责任编辑赵菲