同位素效应与冰和水中的负热膨胀现象
化学物理
2025-12-30 v1 材料科学
摘要
H2O是一种具有异常热力学性质的特殊物质，其电子、声子及结构自由度之间微妙的相互作用导致了这种特性。值得注意的是，H2O在固相（冰）低温下以及液相（水）接近冻结温度时，均可观察到负热膨胀（NTE）现象。此外，冰和水还表现出异常的体积同位素效应（VIE），即用更重的同位素氕（D）取代氢（H）后会发生体积膨胀。为更深入地理解冰和水中引人注目的NTE和VIE现象，本文采用Born-Oppenheimer近似法和林德曼准则，探讨了这些现象中的同位素效应。我们的发现表明，这些现象中出现的异常同位素效应源于零点能声子、热声子与氢键之间的竞争。所有这些成分都源自核量子力学（QM）过程，揭示了量子力学物理在看似经典的冰/水系统中发挥着关键作用。
引用
@article{arxiv.2512.23247,
title = {Isotope Effects and the Negative Thermal Expansion Phenomena in Ice and Water},
author = {B. I. Min and J. -S. Kang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2512.23247},
year = {2025}
}
备注
10 pages, 4 figures