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什麽是物態

物態是指物質在壹定條件下所處的相對穩 定的狀態.按傳統的、經典的觀點,物質有三 態:固態、液態和氣態.當組成物質的原子或分 子由於相互作用力的約束,只能圍繞各自的平 衡位置作微小振動時,表現為固態,固體在壹定 條件下能夠保持壹定的體積和形狀;當分子或 原子運動得比較劇烈,使其沒有固定的平衡位 置,可以作長程的漂移,但還不致分散遠離時, 表現為液態,液體在壹定條件下能保持壹定的 體積,但不能保持其形狀,液體的形狀由容納它 的容器來決定;如果不但分子或原子的平衡位 置沒有了,而且能在空間作自由運動,能夠互相 分散遠離,就表現為氣態.

二、凝聚態的提出

實際上,固態和液態之間往往沒有嚴格的 界線.固體分為晶體和非晶體.晶體有確定的 熔點;非晶體卻沒有確定的熔點,而是有壹個從 固態軟化為液態的溫度範圍(稱為軟化溫度). 當非晶體處在它的軟化溫度範圍內時,無法說 出物質是處於固態還是液態.

此外,膠體也是介於固態和液態之間的壹 種中間狀態.

電流變液 在通常條件下是壹種懸浮液, 它在電場的作用下可發生液體—固體的轉變. 當外加電場強度大大低於某個臨界值時,電流 變液呈液態;當電場強度大大高於這個臨界值 時,它就變成固態;在電場強度的臨界值附近, 這種懸浮液的粘滯性隨電場強度的增加而變 大,這時很難說它是呈液態還是呈固態.

固體分為晶體和非晶態固體,晶體和非晶 體的特性不同的基本原因是組成物質的原子、 分子空間排列的有序和無序.常見物質的固、 液、氣三態的轉變,就是構成它的原子、分子空 間排列的有序—無序的變化.

在氣態,分子的空間位置是完全無規的,分 子可以在空間自由運動,這是壹種高度無序的 狀態.

晶體結構是長程有序的,也就是說,構成晶 體的原子在整個空間(或者至少在壹個長距離 的宏觀範圍內)的排列是有規則的、周期性的, 整個晶體可以看做是壹個小單位——元胞的周 期性重復.

非晶體是長程無序,短程有序的,也就是 說,在非晶體中壹個宏觀的範圍內,原子的空間 排列是不規則的,但是在每個局部,在幾個或十 幾個原子間距的範圍內,卻常常仍有壹定程度 的規則排列.在液體中,原子的空間排列同樣 是長程無序,短程有序的.

盡管非晶態固體的原子被固定在空間某點附近,而液體中的原子能夠漂移,可是液體和非 晶態固體還是極為相似的,因此人們有時把非 晶態固體稱為過冷液體.如果能獲得非晶體內 原子排列的瞬時圖像,那麽它將和在液體中得 到的瞬時圖像相同.因此,這兩種物質可以用 同樣的數學形式來描述.

所以,從物質結構之有序—無序的角度來 看,非晶態固體應該和液體歸為壹類.晶體和 非晶體才是性質截然不同的兩類物質. 液晶可以流動,似乎是液態物質;然而液晶 分子的空間排列具有長程有序性,導致液晶具 有晶體的某些特性,所以不能簡單地把液晶歸 入液態或固態.事實上,液晶相是某種物質從 固相轉變到液相或從液相轉變到固相過程中的 壹種中間相.

綜上所述,把物態劃分為固態和液態不是 很準確、很科學的.於是人們又把固態、液態和 介於兩者之間的各種狀態,以及只有在低溫下 才存在的特殊量子態(如:超流態、玻色—愛因斯 坦凝聚),還包括稠密氣體的物態統稱為物質的 凝聚態.物質的氣態則專指稀薄氣體的物態. 凝聚態和氣態的基本區別是:凝聚態物質中的 粒子(原子、離子、分子)間存在相互作用;氣態 物質分子間的相互作用非常小,近似地可以忽 略不計.

三、等離態和超固態

氣態和凝聚態並沒有完全包括物質所有的 狀態,有人提出,除此之外還應該增劃等離態和 超固態這兩種物態.

當氣體分子的能量進壹步增大,分子運動 更加劇烈時,氣體分子高度電離成正離子和電 子的混合集團,這種狀態稱為等離態.等離態 的嚴格定義是:含有足夠數量的自由帶電粒子, 有較大的電導率,其運動主要受電磁力支配的 物質狀態.等離體由帶正電的離子和帶負電的 電子,也可能還有壹些中性的原子和分子所組 成,粒子在兩次碰撞之間在空間作長程運動,其 空間位置是完全無規的.

當壓強超過1024巴,密度超過1011壹1012 克/厘米3時,原子結構被破壞,原子外圍的電子 殼層被擠壓到原子核的範圍,這種狀態稱為超 固態.超固態又可分為性質完全不同的中子 態和黑洞,在宇宙空間中已經觀察到了這兩種 物態的存在.

當核外電子被擠壓進原子核內,與核內質 子結合成中子時,物質形成簡並中子氣狀態,稱 為中子態.脈沖星是壹種發射出短周期電磁波 脈沖輻射的天體,宇宙間已經發現了幾百顆脈 沖星,普遍認為它們是旋轉著的中子星,中子星 的物態就是中子態.

壹個原先質量為4—8個太陽質量的恒星, 在演化過程中當其內部燃料耗盡,核反應停止 後,會發生引力坍縮而形成簡並中子氣狀態,這 種簡並中子氣的壓強有可能與引力收縮作用達 到平衡,這時就形成中子星.在恒星坍縮形成 中子星的過程中要發生“爆發”.當它猛烈收縮 時,巨大的引力勢能被釋放出來,把恒星的外殼 掀掉,向星際空間拋射出大量物質,這就是所謂 的“超新星爆發”.爆發後剩余下來的核心部分 質量若大約為1.4—2個太陽質量,則形成中子 星;若坍縮中心核的質量超過太陽質量的2倍, 則可能變成黑洞.

黑洞的密度比中子星的密度大得多,在黑 洞內引力非常強,任何物質(包括光)都不能從 中逸出,而外界的物質卻能被吸入其中.因此 無法觀測到來自黑洞內部的輻射,但是黑洞與 外界仍有引力作用,可以通過引力場探測黑洞 的存在.

四、新的說法——物質有六態

當等離體被徹底電離時,核外電子完全被 剝離,形成原子核和電子的混合集團.這時如 果等離體的能量繼續增加,就可能導致原子核 也分裂為(基本)粒子,形成另壹種物態.物質 形成由粒子組成的粒子氣狀態,稱為粒子態.

真空中的電磁波,亦即光子氣,是自然界中 常見的壹種物質,它的物態應該屬於粒子態.除 此以外,在自然界中很難見到粒子態,但是在實 驗室中有可能在小範圍短暫的時間內制造出粒 子態.例如,將壹團氫氣中的氫分子完全離解和 電離,就形成了由質子和電子組成的粒子態.

粒子態往下壹個層次的物態應該是粒子分解成誇克而形成誇克氣的態,稱為誇克態。由於在實驗中尚未發現自由誇克,因此誇克態是否存在尚有待實驗的證實。