交界面上的風景

王殿華

陰陽交合，萬物化生。大自然最神奇、最熱鬧、最富有生機和活力的地方，莫過于兩種物質的交界處了。天空與大地、陸地與海洋、有機物與無機物以及冷暖氣流、高低氣壓等任何兩種不同物質交叉融匯、沖突碰撞的地方，往往呈現出氣象萬千的景象。

兩相之間的分界被稱為界面，按物質形態來分，包括：氣－液、氣－固、液－液、液－固、固－固等界面。其中，液－氣界面、固－氣界面，也被稱作表面。

地表天地相交生萬物

天空與大地的交界面——地表，是我們能看到的最宏大的自然界面，是大氣圈、水圈、陸地圈相互交接的地方。這里是生命繁衍的世界，萬物競逐，生機勃勃；這里山巒起伏、大河奔流、云蒸霞蔚、氣象萬千。我們人類就生活在地表，大多數生物也和人類一樣生活其間。由于氣、液、固三相交互滲透，經過長期能量轉化、物質交換，在地球表面形成一個有生命活動的圈層，這就是生物圈。生物圈是地表有機質及其生存環境的總和，包括大氣圈底部對流層、水圈和巖石圈上部風化層，厚度約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。

在大氣運動基礎上形成了氣候，在陸地圈基礎上形成了地貌，在水圈基礎上形成了水文，在三大圈層互相作用基礎上形成了土壤、植物、動物，以及在地層中的礦產資源等。凡此種種構成了自然環境的基本要素。

地表自然環境處在地表四個圈層的接觸帶上。自然環境運動是地球內力和外力相互作用的產物。地球內力來源于放射性元素蛻變產生的熱能、地幔中的熱對流、地球自轉產生的動能。地殼的水平運動和垂直運動、褶皺、斷裂、火山噴發、巖漿入侵、地震、海嘯是地球內力的表現。地球內力是地殼發展的主要動力。去年發生的汶川大地震就處在亞歐板塊和印度洋板塊交界處，屬于地殼脆一韌性轉換帶，因而地震造成的破壞力巨大。內力作用也常生成有價值的礦床。在花崗巖與石灰巖的交界面，常常能形成矽卡巖富礦床，這是由于花崗巖周圍，由于巖漿的烘烤作用，石灰巖受溫度、汽水熱液的影響，發生接觸交代變質作用(在侵入體與圍巖的接觸帶，圍巖除受到熱流的影響外，還受到具化學活動性的流體和揮發分的作用，發生不同程度的交代置換，原巖的化學成分、礦物成分、結構構造都發生明顯改變，形成各種夕卡巖和其他蝕變巖石，有時還伴生有一定規模的鐵、銅、鎢等礦產以及鉬、鈦、氟、氯、硼、磷、硫等元素的富集)形成矽卡巖。矽卡巖礦物組成方解石、水晶、硅灰石、石榴子石、黃鐵礦、黃銅礦等。地球外力指的是太陽能以及由太陽能轉化而成的風化、流水、波浪、洋流等能量。地球外力對地殼起著緩慢的剝蝕作用。在汶川大地震造成的次生災害中，山石之所以很松散，就與長期風化作用有關。

界面效應變幻莫測生神奇

不但宏觀物質界面風景秀麗，微觀物質界面同樣異彩紛呈。在一些物質的表面，往往會發生令人難以置信的神奇物理現象，對這些現象的觀察與利用，推動了人類文明的巨大進步和科技水平的飛躍。

眾所周知，光不但能在物體表面發生反射，而且以一定角度進入空氣、玻璃、水等透明物質時會發生折射，并由此產生美麗的彩虹和各種各樣的現象。

1870年初春的一天，英國著名物理學家丁鐸爾做了一個有趣的實驗：在暗室里，一股水流從容器的側壁孔中流出，在另一側壁給水照明。這時從孔中流出的水，幾乎在整個長度上都在發光。而且本來直線傳播的光，現在竟然沿著這股彎曲的水流在耀動。

人們驚訝地發現，光彎曲了。

這是為什么?

原來光由折射率大的水進入折射率小的物質時，在兩種物質的交界面上產生了全反射。光沒有進入折射率小的物質，而是全部返回到折射率大的物質中。后來，人們用玻璃纖維模模擬這股水流，制成了玻璃光導纖維。把玻璃纖維的一端截面對準某一物體，不管它彎曲成什么樣的角度和形狀，都能從另一端的截面上清楚地看到射入的圖像。

光是沿直線傳播的。光導纖維卻是彎彎曲曲的，但這并不影響到光在光導纖維中的傳輸。光導纖維中間為具有高折射率的芯材，外面裹有低折射率的包皮，最外面是塑料護套。這樣特殊的結構，加上精心的選材，使光導纖維既纖細似發、柔軟如絲，又具有高抗拉強度、大抗壓能力。同時，光導纖維中的光波傳輸衰減小，可以多功能傳輸聲音、圖像和文字。光導纖維可以在低溫環境下工作，能抗電磁干擾，耐放射性輻射。光波在光纖中傳播時不會向外輻射電磁波，有很高的保密性能，信息以光速傳送，速度無與倫比。研究顯示，光通信比電通信的容量要高1億到10億倍，一根光纖能同時傳輸100億個電話，或1000萬套電視節目。想象一下，它的容量有多大啊!

超聲波也具有同上面介紹的類似的特性。超聲波在同一均勻介質中作直線性傳播，但在兩種不同物質的界面上，便會出現部分或全部的反射。如今，人們利用這一效應來進行疾病診斷和超聲波探傷。所謂超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法。當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發回反射波來，在熒光屏上形成脈沖波形。根據這些脈沖波形，人們即能判斷出金屬材料的缺陷情況。換句話說，當超聲波遇到材料內部有氣孔、裂紋、縮孔時，則在金屬的交界面上發生反射，異質界面愈大反射能力愈強，反之愈弱。這樣，內部缺陷的部位及大小就可以通過探傷儀熒光屏的波形反映出來。常用的超聲波探傷有X光和射線探傷。

物理界面效應最典型的事例莫過于p－n結了。科學家很早就發現，將一塊P型半導體和一塊N型半導體連接，電子將擴散到P型材料中，空穴則會擴散到N型材料中。p—n結具有整流作用。當具有p—n結的半導體受到光照時，其中電子和空穴的數目增多，在結的局部電場作用下，p區的電子移到n區，n區的空穴移到p區，這樣在結的兩端就有電荷積累，形成電勢差。這一現象被稱為p—n結的光生伏特效應。由于這些特性，用p—n結可制成半導體二極管和光電池等器件。利用p－n結的反向電壓原理還可用來制造穩壓管或開關等器件。

界面景象之所以多姿多彩，是因為那里是物質存在或運動方式發生根本轉換的邊界線和臨界點，也是物質發生分合交流反應最頻繁的地方。從物質界面引申到社會層面、科學層面，其實也存在著同樣的現象。

責任編輯趙菲