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物质状态(state of matter)

已有 1254 次阅读 2011-10-14 13:42 |关键词:电子 建筑 matter target 大自然

在自然界中,我们看到物质以各种各样的形态存在着:花虫鸟兽、山河湖海、不同肤色的人种、各种美丽的建筑……大到星球宇宙,小到分子、原子、电子等极微小的粒子,真是千姿百态斗奇争艳。大自然自身的发展,造就了物质世界这种绚丽多彩的宏伟场面。物质具体的存在形态有多少,这的确是难以说清的。但是,经过物理学的研究,千姿百态的物质都可以初步归纳为两种基本的存在形态:“实物”和“场”。

  物质状态[state of matter] 物质存在的三种基本物理状态(固态、液态和气态)

  详细解释

  1.   物的形态、表象。 清 王夫之 《姜斋诗话》卷一:“然得物态,未得物理。”

  2.   景物。 唐 张旭 《留客》诗:“山光物态弄春辉,莫为轻阴便拟归。” 宋 王禹偁 《山问道赋》:“国风穆若,克清寿域之中;物态熙然,尽到春台之下。” 清 汪懋麟 《题画再赠武仕》诗:“物态看流水,秋声在远林。”

  3.   犹世态。 五代王定保 《唐摭言·两监》:“尔后物态浇漓,稔於世禄,以京兆为荣美,同华为利市,莫不去实务华,弃本逐末。” 明 宋濂 《送叶别乘之官通州诗序》:“物态民情,无不能周知。” 明 睡乡居士 《<二刻拍案惊奇>序》:“今举物态人情,恣其点染,而不能使人欲歌欲泣於其间,此其奇与非奇、固不待智者而后知之也。”

 

物态简介  

 “实物”具有的共同特点是:质量集中在某一空间,一般有比较确定的界面(气体的界面虽然模糊,但它又是由一个个实物粒子构成)。本文开头所举的各例都属于实物。

  “场”则是看不见摸不着的物质,它可以充满全部空间,它具有“可入性”。例如大家熟知的电磁波,它可以将电台天线发射的信号通过空间传送到千家万户的收音机或电视机。可以概括地说,“场”是实物之间进行相互作用的物质形态。

  什么是“物态”呢?日常所知的固态、液态和气态就是三种“物态”。为什么要有“物态”的概念?因为实物的具体形态太多了,将它们归纳一下能否分成较少的几类?这就产生了“物态”的概念。“物态”是按属性划分的实物存在的基本形态,它都表现为大量微小物质粒子作为一个大的整体而存在的集合状态。以往人们只知道有固态、液态和气态三种物态,随着科学的发展,在大自然中又发现了多种“物态”。人类迄今知道的“物态”已达10余种之多。

  日常生活中最常见的物质形态是固态、液态和气态,从构成来说这类状态都是由分子或原子的集合形式决定的。由于分子或原子在这三种物态中运动状况不同,而使我们看到了不同的特征。

物态的分类 1.固态

  严格地说,物理上的固态应当指“结晶态”,也就是各种各样晶体所具有的状态。最常见的晶体是食盐(化学成份是氯化钠,化学符号是NaCl)。你拿一粒食盐观察(最好是粗制盐),可以看到它由许多立方形晶体构成。如果你到地质博物馆还可以看到许多颜色、形状各异的规则晶体,十分漂亮。物质在固态时的突出特征是有一定的体积和几何形状,在不同方向上物理性质可以不同(称为“各向异性”);有一定的熔点,就是熔化时温度不变。

  在固体中,分子或原子有规则地周期性排列着,就像我们全体做操时,人与人之间都等距离地排列一样。每个人在一定位置上运动,就像每个分子或原子在各自固定的位置上作振动一样。我们将晶体的这种结构称为“空间点阵”结构。

2.液态

  液体有流动性,把它放在什么形状的容器中它就有什么形状。此外与固体不同,液体还有“各向同性”特点(不同方向上物理性质相同),这是因为,物体由固态变成液态的时候,由于温度的升高使得分子或原子运动剧烈,而不可能再 保持原来的固定位置,于是就产生了流动。但这时分子或原子间的吸引力还比较大,使它们不会分散远离,于是液体仍有一定的体积。实际上,在液体内部许多小的区域仍存在类似晶体的结构——“类晶区”。流动性是“类晶区”彼此间可以移动形成的。我们打个比喻,在柏油路上送行的“车流”,每辆汽车内的人是有固定位置的一个“类晶区”,而车与车之间可以相对运动,这就造成了车队整体的流动。

3.气态

  液体加热会变成气态。这时分子或原子运动更剧烈,“类晶区”也不存在了。由于分子或原子间的距离增大,它们之间的引力可以忽略,因此气态时主要表现为分子或原子各自的无规则运动,这导致了我们所知的气体特性:有流动性,没有固定的形状和体积,能自动地充满任何容器;容易压缩;物理性质“各向同性”。

  显然,液态是处于固态和气态之间的形态。

4.非晶态——特殊的固态

  普通玻璃是固体吗?你一定会说,当然是固体。其实,它不是处于固态(结晶态)。对这一点,你一定会奇怪。

  这是因为玻璃与晶体有不同的性质和内部结构。

  你可以做一个实验,将玻璃放在火中加热,随温度逐渐升高,它先变软,然后逐步地熔化。也就是说玻璃没有一个固定的熔点。此外,它的物理性质也“各向同性”。这些都与晶体不同。

  经过研究,玻璃内部结构没有“空间点阵”特点,而与液态的结构类似。只不过“类晶区”彼此不能移动,造成玻璃没有流动性。我们将这种状态称为“非晶态”。

  严格地说,“非晶态固体”不属于固体,因为固体专指晶体;它可以看作一种极粘稠的液体。因此,“非晶态”可以作为另一种物态提出来。

  除普通玻璃外,“非晶态”固体还很多,常见的有橡胶、石蜡、天然树脂、沥青和高分子塑料等。

5.液晶态——结晶态和液态之间的一种形态

  “液晶”现在对我们已不陌生,它在电子表、计算器、手机、传呼机、微型电脑和电视机等的文字和图形显示上得到了广泛的应用。

  “液晶”这种材料属于有机化合物,迄今人工合成的液晶已达5000多种。

  这种材料在一定温度范围内可以处于“液晶态”,就是既具有液体的流动性,又具有晶体在光学性质上的“各向异性”。它对外界因素(如热、电、光、压力等)的微小变化很敏感。我们正是利用这些特性,使它在许多方面得到应用。

  上述几种“物态”,在日常条件下我们都可以观察到。但是随着物理学实验技术的进步,在超高温、超低温、超高压等条件下,又发现了一些新“物态”。

6.超高温下的等离子态

  这是气体在约几百万度的极高温或在其它粒子强烈碰撞下所呈现出的物态,这时,电子从原子中游离出来而成为自由电子。等离子体就是一种被高度电离的气体,但是它又处于与“气态”不同的“物态”——“等离子态”。

  太阳及其它许多恒星是极炽热的星球,它们就是等离子体。宇宙内大部分物质都是等离子体。地球上也有等离子体:高空的电离层、闪电、极光等等。日光灯、水银灯里的电离气体则是人造的等离子体。

7.超高压下的超固态

  在140万大气压下,物质的原子就可能被“压碎”。电子全部被“挤出”原子,形成电子气体,裸露的原子核紧密地排列,物质密度极大,这就是超固态。一块乒乓球大小的超固态物质,其质量至少在1000吨以上。

  已有充分的根据说明,质量较小的恒星发展到后期阶段的白矮星就处于这种超固态。它的平均密度是水的几万到一亿倍。

8.超高压下的中子态

  在更高的温度和压力下,原子核也能被“压碎”。我们知道,原子核由中子和质子组成,在更高的温度和压力下质子吸收电子转化为中子,物质呈现出中子紧密排列的状态,称为“中子态”。

  已经确认,中等质量(1.44~2倍太阳质量)的恒星发展到后期阶段的“中子星”,是一种密度比白矮星还大的星球,它的物态就是“中子态”。

  更大质量恒星的后期,理论预言它们将演化为比中子星密度更大的“黑洞”,目前还没有直接的观测证实它的存在。至于 “黑洞”中的超高压作用下物质又呈现什么物态,目前一无所知,有待于今后的观测和研究。

  物质在高温、高压下出现了反常的物态,那么在低温、超低温下物质会不会也出现一些特殊的形态呢?下面讲到的两种物态就是这类情况。

9.超导态

  超导态是一些物质在超低温下出现的特殊物态。最先发现超导现象的,是荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯(1853~1926年)。1911年夏天,他用水银做实验,发现温度降到4.173K的时候(约-269℃),水银开始失去电阻。接着他又发现许多材料都又有这种特性:在一定的临界温度(低温)下失去电阻(请阅读“低温和超导研究的进展”专题)。卡麦林·昂纳斯把某些物质在低温条件下表现出电阻等于零的现象称为“超导”。超导体所处的物态就是“超导态”,超导态在高效率输电、磁悬浮高速列车、高精度探测仪器等方面将会给人类带来极大的益处。

  超导态的发现,尤其是它奇特的性质,引起全世界的关注,人们纷纷投入了极大的力量研究超导,至今它仍是十分热门的科研课题。目前发现的超导材料主要是一些金属、合金和化合物,已不下几千种,它们各自对应有不同的“临界温度”,目前最高的“临界温度”已达到130K(约零下143摄氏度),各国科学家正在拼命努力向室温(300K或27℃)的临界温度冲刺。

  超导态物质的结构如何?目前理论研究还不成熟,有待继续探索。

10.超流态

  超流态是一种非常奇特的物理状态,目前所知,这种状态只发生在超低温下的个别物质上。

  1937年,前苏联物理学家彼得·列奥尼多维奇·卡皮察(1894~1984年)惊奇地发现,当液态氦的温度降到2.17K的时候,它就由原来液体的一般流动性突然变化为“超流动性”:它可以无任何阻碍地通过连气体都无法通过的极微小的孔或狭缝(线度约10万分之一厘米),还可以沿着杯壁“爬”出杯口外。我们将具有超流动性的物态称为“超流态”。但是目前只发现低于2.17K的液态氦有这种物态。超流态下的物质结构,理论也在探索之中。

11.玻色一爱因斯坦凝聚态

  “玻色一爱因斯坦凝聚态”,是科学巨匠爱因斯坦在70 年前预言的一种新物态。为了揭示这个有趣的物理现象,世界科学家为此付出了几十年的努力。 1995年,美国科学家维曼、康奈尔和德国科学家克特勒首先从实验上证实了这个新物态的存在。为此,2001年度诺贝尔物理学奖授予了这3位科学家,以表彰他们在实现“玻色一爱因斯坦凝聚态”研究中作出的突出责献。

  “玻色一爱因斯坦凝聚态” 是物质的一种奇特的状态,处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状态的原子突然“凝聚” 到同一状态,要达到该状态,一方面需要物质达到极低的温度,另一方面还要求原子体系处于气态。华裔物理学家朱棣文,曾因研究出激光冷却和磁阱技术这一有效的制冷方法,而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。“玻色一爱因斯坦凝聚态”所具有的奇特性质,不仅对基础研究有重要意义,在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域,也都有很好的应用前景。

12.费米子凝聚态

  根据“费米子凝聚态”研究小组负责人德博拉·金的介绍, “费米子凝聚态”与“玻色一爱因斯坦凝聚态”都是物质在量子状态下的形态,但处于“费米子凝聚态”的物质不是超导体。

  量子力学认为,粒子按其在高密度或低温度时集体行为可以分成两大类:一类是费米子,得名于意大利物理学家费米;另一类是玻色子,得名于印度物理学家玻色。这两类粒子特性的区别,在极低温时表现得最为明显:玻色子全部聚集在同一量子态上,费米子则与之相反,更像是“个人主义者”,各自占据着不同的量子态。“玻色一爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成,其行为像一个大超级原子,而“费米子凝聚态”物质采用的是费米子。当物质冷却时,费米子逐渐占据最低能态,但它们处在不同的能态上,就像人群涌向一段狭窄的楼梯,这种状态称作“费米子凝聚态”。

  上面介绍的只是迄今发现的12 种物态,有文献归纳说还存在着更多种类的物态,例如:水在高温及超高压状态下可能会形成超离子态辐射场态、量子场态,限于篇幅,这里就不一一列举了。我们相信,随着科学的发展,我们一定会认识更多的物态,解开更多的谜,并利用它们奇特的性质造福于人类。

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物质状态
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物质状态是指一种物质出现不同的。早期来说,物质状态是以它的体积性质来分辨。

不同物质状态的相互关系。

固态时,物质拥有固定的形状和容量;而在液态时,物质维持固定的容量但形状会随容器的形状而改变;气态时,物质不论有没有容量都会膨涨以进行扩散。 近期,科学家以分子之间的相互关系作分类。固态是指因分子之间因为相互的吸力因而只会在固定位置震动。 而在液体的时候,分子之间距离仍然比较近,分子之间仍有一定的吸引力,因此只能在有限的范围中活动。 至于在气态,分子之间的距离较远,因此分子之间的吸引力并不显著,所以分子可以随意活动。等离子态(Plasma),是在高温之下出现的高度离化气体。而由于相互之间的吸力是离子力,因而出现与气体不同的性质,所以等离子态被认为是第四种物质状态。[1][2] 假如有一种物质状态不是由分子组成而是由不同力所组成,我们会考虑成一种新的物质状态。例如:费米子凝聚态夸克-胶子浆

物质状态 亦可用相的转变来表达。相的转变可以是结构上的转变又或者是出现一些独特的性质。根据这个定义,每一种相都可以其他的相中透过相的转变分离出来。例如水数种固体的相。[3] 超导电性便是由相的转变引伸出来,因此便有超导电性的状态。同样,液晶体状态铁磁性状态都是用相的转变所划分出来并同时拥有不一样的性质。

 三大基本物质状态  固态
分子在固体时的排列情况
主条目:固态

粒子(包括离子原子或者分子)都是紧密排列。粒子之间有很强的吸力,所以只能在原位震动。因而令固体拥有稳定、固定形状和固定容量的特性,只有因施力而切断或打碎时才可改变它的形状。在晶体固体中,粒子(包括原子、分子、和离子)都是以三维空间的结构排列,而同一种物质可以排列成不同形式晶体结构。例如在摄氏912度下是面心立方,摄氏912至1394度之间便是体心立方。又例如,世上已知有关冰的晶体结构有15种,这15种的固体物质状态分别存在于不同的温度和压力之下。 [4]在物质状态的转变过程中,固体会透过融化变成液体,相反液体会凝固成固体。如果由固体直接转变为气体,例如在大气压力下的二氧化碳,我们称之为升华,反之则是凝华

分子在液体时的排列情况
 液态
主条目:液态

温度气压是常数的情况下,液体的容量是固定的。当固体加热到熔点之上时,便会成为液体。内分子(内原子或者内离子)之间的力仍然不可忽略,但分子有足够的能量,因而可以有相对运动,结构亦是流动的。液体的形状是不定的,由容器的大小来决定。一般情况下液体的容量会比它在固体时要大,水(H2O)是一个反例,因为水从0-4摄氏下密度上升并达到顶点,参看水分子。而物质以液体存在的最高温度和最高压力分别名为临界温度临界压力[5]

 气态
分子在气体时的排列情况
主条目:气态

在气态中,分子拥有足够多的动能,因而内分子力的影响相对减少(对于理想气体会是0),分子之间的距离亦较远。气体并没有限定的形状和容量,但是它会占据整个密封的容器。液体可以透过在常压下加热到沸点或者在常温下加压而转变成气体。 当气体温度低过临界温度时,这种气体称为蒸气,可以单单透过加压而变成液体。如果气体的压力等同液体的蒸气压,两者便可达致平衡,兴固体亦然。 当一种气体的温度和气压分别超越自身的临界压力临界温度时便成为超临界流体(SCF)。它拥有气体的特性,同时是一种高密度的溶剂,因此而工业中有不少用途。例如超临界二氧化碳可用透过超流体抽取法去抽取咖啡因,从而制造出脱咖啡因的咖啡。 [6]

 其他常温状态
石英玻璃(SiO2)的无定形体结构。
微观下的磁性序列(每个粒子的磁矩)。
 液晶体
主条目:液晶

液晶拥有液体的流动性和固体有序排列的特征。例如,向列型液晶相是由长形的柱状分子(例如4,4'─二甲氧基氧化偶氮苯(Para-Azoxyanisole))组成,在摄氏118-136度是属于向列型形态。[7] 在这个状态下的分子拥有液体的流动性,但它们(在一定范围内)只可以指向同一个方向,而且不能够自由扭动。部分的液晶在科技上有很大的用途,例如液晶显示器。其他种类的液晶详见主条目。

 无定形体
主条目:无定形体

无定形体(又名非晶状体)拥有像液体一样的不规则结构,但由于分子间的运动相对不自由,因此通常纳入固体的类别。常见例子有玻璃聚苯乙烯合成橡胶或其他聚合物。很多无定形体当加热至玻璃转化温度时便会软化成液体。此时,分子是自由流动的。(见右图)无定形体不存在长距离的整齐排列,但是在有限范围内,氧原子(O)以正四面体的排列包围硅(Si)原子。

部分液体属于非牛顿流体,黏度的大小受作用力和剪应力所影响。因此在某一个流动情况之下便变成无定形体。一个简单的示范是用玉米粉(在室温)的水下进行混悬,在静止的时候为液体状态,而受力时便好像固态的情况。这种性质称为剪应膨胀。相反的情况名为剪应收缩,水彩便有这种特性。[8]

 磁序状态

过渡金属的原子,因为有电子单独存在于原子轨域而且没有组成,所以在净自旋不是0的情况下拥有净磁矩.有一部分固体,不同原子的磁矩都是有规则地排列,因此可以制造成亚铁磁体磁铁反铁磁体

  • 是其中一种可作为铁磁性物质。每一粒原子会因为排列的形式而令到(在同一个磁畴之内)磁矩的方向一致。如果连畴的排到都是整齐有序,它便是一个永久磁铁,纵使在无外来磁场之下仍拥有铁磁性。但当这些加热至居里点以上时,磁化向量便会消失,失去了铁磁性,而铁的居里点是摄氏768度。
反铁磁性物质的有序排列
  • 反铁磁性物质的结构中,相邻列中的磁距是方向相反而且数值相同,因此净磁化向量等于零。例如一氧化镍(NiO),其中一半的镍原子的磁距排列因与另一半相反而抵消。
亚铁磁性物质的有序排列
  • 亚铁磁性物质的结构中,相邻列中的磁距是方向相反但数值不同,因此不能完全抵消并拥有净磁化向量。例子如磁铁矿(Fe3O4)中含有Fe2+和Fe3+的离子,而它们的磁矩并不一样,是亚磁铁的一种。
 低温状态  超导体
主条目:超导现象

因为超导体拥有零电阻的物质,所以可以有完美的导电性。当它处在外加磁场中,会对磁场产生的微弱排斥力,这种现象称为迈斯纳效应或者完美的抗磁性超导磁铁核磁共振成像机中用作电磁铁。超导现象是在1911年发现,在往后的时间只知部分金属和合金在绝对温标30度之下拥有这种特性。直到1986年,在一些陶瓷的氧化物中发现一种名为高温超导电性的特质,而这种物态出现的温度已提高到绝对温度164度。[9]

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 超流体
主条目:超流体

当接近绝对零度时,部分液体会转变成另一种的液体状态名为超流体,它的特点是黏度值是零(有无限的流动性)。科学家在1937年发现,将冷却到低于lambda温度(2.17K)便形成超流体。此时,氦气可以在容器中不断流动,并可对抗地心吸力。[10] (见右图):氦-4为了找寻自己的定位会在容器上缓慢地流动,在短时间之后,两个容器的水平将会是一致。而大容器的内壁将会被Rollin膜所覆盖,如果容器的不是密封的,液体便会流出来。超流体拥有无限大的热传导率,所以在超流体中不能形成温度梯度。这些特性可以用氦-4在超流体状态中转变成玻色-爱因斯坦凝聚态(见下段)来解释。最近,费米子凝聚态的超流体可以由氦的同位素氦-3或者锂的同位素锂-6在更低温的状态下转变而成。 [11]

 玻色-爱因斯坦凝聚态

它是由阿尔伯特·爱因斯坦萨特延德拉·纳特·玻色在1924年预测出来,亦被称为第五种物质状态。多年来,玻色-爱因斯坦凝聚态在气体状态下都是一个理论上的预测而已。最后,由沃尔夫冈·克特勒埃里克·阿林·康奈尔卡尔·威曼所领导的团队,在1995年首先透过实验制造出玻色-爱因斯坦凝聚。玻色-爱因斯坦凝聚态比固态时更。当原子有非常接近或者一致的量子等级和温度非常接近绝对零度(-273开)时便会出现玻色-爱因斯坦凝聚态。

 里德伯分子
主条目:里德伯分子

里德伯态属于强力的非理想等离子的其中一种介稳定状态。当电子处于很高的激发态后冷凝而形成。当到达某个温度时,这些原子会变成离子和电子。在2009年4月的科学杂志《自然》中报道,斯图加特大学的研究员成功由一粒里德伯原子和一粒基态原子中创造出里德伯分子(实验中利用极冷的铷原子。),[12],并由此证实了科罗拉多大学- 博尔德校区的物理学家克里斯格林(Chris Greene)的假设,他认为这一种物质状态是真正存在的。[13].

 高能状态  等离子(离化气体)(Plasma)
主条目:等离子

当温度达到数千度摄氏时便会形成等离子(离化气体)。有些等离子是透过带电荷的空气粒子所做成,可以在一些恒星例如太阳中找到或雷电时产生。当加热气体时,电子会因为拥有足够的动能而成功摆脱原子核的吸力,成为自由电子,不受原子或分子的包围。离子是化学物种的一种,成因是质子的数目与电子不同而带有电荷。自由电荷令到等离子有导电性,而令到它对磁场有强烈反应。在极高温的情况之下,例如在恒星中,我们基本上假设电子是自由运动的,而极高能量的等离子像是一个空的原子核在电子海之中。等离子相信是宇宙中最常见的物质状态。等离子可以考虑为被高度离化的粒子,但因为粒子之间有好强的离子吸力而拥有截然不同的特性。因此被认为是一不同的相或者物质形态。

 夸克-胶子浆
主条目:夸克-胶子浆

欧洲核子研究组织(简称CERN)在2000年发现。[14]因为质子中子都是由夸克构成,而夸克能透过这种物质状态中释放出来,并能独立观察。科学家可以透过这种物质状态下观察夸克的特性,是从理论到实践的一大飞跃。参见奇异夸克团

 其他物质状态
主条目:相态列表
 简并态物质
主条目:简并态物质

在极高压的环境下,常温物质会转变成一连串奇怪的物质状态,统称简并态物质。这引起了天体物理学家的兴趣。因为他们相信在恒星中,当核聚变的"燃料"用尽时会出现这种情况,例如白矮星中子星

 超固体
主条目:超固体

超固体可以在指定的空间下有秩序排列(即是固体或者晶体),但却拥有例如超流体等多种非固体特性,因而被纳入新的物质状态。[15]

 弦状网液态
主条目:弦状网液态

在正常的固体状态下,物质中的原子应以网状排列,因此对于任可一粒电子,它相邻的电子的自旋方向应与它自身相反。但在弦状网液态下,原子会以某种形式排列从而令到部分相邻电子的自旋方向与它的方向相同,因而出现一些独特的性质。有趣的是,这些特质对解释在基础情况下的宇宙中一些奇异现象有帮助。

超玻璃
主条目:超玻璃

超玻璃同时拥有超流体和冷冻晶体结构的特性,是一种新研发的物质状态。[16]

 参考及备忘
  1. ^ Goodstein, D.L., States of matter. Dover, NY, 1985.
  2. ^ Sutton, A.P., Electronic structure of materials. Oxford, GB, 1993, pg, 10-12
  3. ^ "水的结构与科学",Martin Chaplin
  4. ^ Wahab, Mohammad Abdul, Solid state physics: structure and properties of materials. Alpha Science Int'l Ltd., 2005, ISBN 1-84265-218-4, 9781842652183, pg, 1-3
  5. ^ White, Frank. Fluid mechanics. New York: McGraw-Hill. 2003:  p. 4. ISBN 0-07-240217-2. 
  6. ^ Turrell, George. Gas dynamics: theory and applications. West Sussex, England: John Wiley and Sons,. 1997:  p. 3-5. ISBN 0471975737, 9780471975731. 
  7. ^ Shao, Y.; Zerda, T. W.. Phase Transitions of Liquid Crystal PAA in Confined Geometries. Journal of Physical Chemistry B. 1998, 102 (18): 3387–3394. doi:10.1021/jp9734437. 
  8. ^ Zallen R., The Physics of Amorphous Solids, Wiley, New York, NY, 1983, p. 3-5.
  9. ^ Tinkham, Michael. Introduction to superconductivity. Mineola, NY: Courier Dover Publications. 2004:  p. 17-23. ISBN 0486435032, 9780486435039. 
  10. ^ http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=superfluid-can-climb-walls
  11. ^ http://web.mit.edu/newsoffice/2005/matter.html
  12. ^ http://www.nature.com/nature/journal/v458/n7241/full/nature07945.html
  13. ^ http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8013343.stm
  14. ^ 一种新的物质状态-实验
  15. ^ http://prola.aps.org/abstract/PRB/v55/i5/p3104_1
  16. ^ Giulio Biroli; Claudio Chamon; Francesco Zamponi. 超玻璃的理论. Physics Review B. December 8, 2008, 78 (22): 19. doi:10.1103/PhysRevB.78.224306.

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%89%A9%E8%B3%AA%E7%8B%80%E6%85%8B

 
相 (物质)
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典型的相态包括固态、液态与气态,根据其与压力及温度的关系,可绘成相态图

物理学是指一个宏观物理系统所具有的一组状态,也通称为物态。处于一个相中的物质拥有单纯的化学组成和物理特性(如密度晶体结构折射率等)。最常见的物质状态有固态液态气态,俗称“物质三态”。少见一些的物质状态包括等离子态夸克-胶子等离子态玻色-爱因斯坦凝聚态费米子凝聚态酯膜结构奇异物质液晶超液体超固体、和磁性物质中的顺磁性逆磁性等等。

目录
[编辑] 定义
基础三态
[编辑] 对自由能的分析

虽然相态的概念从表面上来看非常简单,但要对它作一个精确的定义却很困难。一个比较好的定义是一个相态是一个在其范围内其热力学参数的自由能在参数空间中的函数是解析的。这个定义实际上就是说,假如两个系统是同一个相态的话,那么在从一个系统转换到另一个系统的时候它们的热力学参数不会突然改变。

热力学中的参数如热容量压缩度等都可以被表示为自由能和它的导数。比如熵是自由能对温度的导数。只要自由能是解析的,那么热力学的其它参数也是连续的。

假如一个系统从一个相态演变为另一个相态,那么在这个过程中总会有一个阶段里自由能是不解析的。这个过程被称为相变。最常见的相变有溶化(从固态到液态)、冻结(从液态到固态)、沸腾(从液态到气态)和凝结(从气态到液态)。由于自由能在这个过程中是不解析的,因此在这个过程的两边它是两个完全不同的函数。两个相态中热力学的参数也完全不同。最显著的是热容量,在相变过程中热容量可以达到无穷大,从一个值跳到另一个值。

[编辑] 相关的热力学参数

实际上每个相态与另一个相态之间总有一些相关的热力学参数非常不同。比如固体比液体要坚固得多,固体不像液体或气体那样,它可以保持它的形状。而液体则比气体的压缩性小得多。在一个大的容器中,气体可以充满整个容器,而液体则只占据一小部分。固体、液体和气体之间也有许多相同的热力学特性,比如它们的磁特性。但一个物质的铁磁态和顺磁态之间最大的区别就是它们的磁特性了。

另一个例子是同素异形体,许多物质在固态中可以有不同的晶体结构而具有非常不同的特性。钻石石墨就是的同素异形体。从热力学的角度出发它们属于不同的相态。

[编辑] 亚稳定的相态

亚稳定的状态有时也被看作是相态,但精确地说它们并非相态,因为它们不稳定。比如一些同素异形体只有在一定的条件下才稳定。取以上提及的碳为例,钻石只有在高压下才真正稳定。在一般的大气压和温度下钻石会缓慢地转变为石墨。但这个过程非常缓慢,因此在常温和常压下钻石是一种亚稳定的状态。假如温度加高的话,这个转化的过程就会加快。

[编辑] 相图

一般人们用相图来表示一个系统的不同相态。相图的轴是相关的热力学参数。简单的相图的轴是压强和温度。

相图上的线被称为“相界”,这是自由能不解析的地方,或者说相变发生的地方。而没有线的地方则是自由能解析的地方。这些地区属于同一个相态。有些相态的相界不是在一切情况下都存在的。比如在647K和22.064兆帕斯卡以上水的液态和气态无法区分,液态和气态的相界在这个点就中断了。

[编辑] 形成和万能性

相态是一种宏观现象。组成一个系统的粒子假如比较少的话(一般少于1000)相态的差别就消失了。其原因是只有在大的系统中系统的自由能才开始不解析。

相态的另一个特性是它的万能性。不论一个宏观系统下的微观系统是怎样组成的,它们的相态有非常类似的特性。比如都是固态的,虽然从微观结构来说冰和铁的结构非常不同,但它们的固态都具有类似的特性,比如保持它们的形状。

[编辑] 相态的分离

在同一个系统中不同的相态可以同时存在。一般来说它们之间有分明的边界。

威拉德·吉布斯提出的相态定理说明在一个系统中可以同时又几个相态存在。在一个由一个物质组成的系统中最多可以有三个相态同时存在,但只有在一个特定的温度和压强下才有可能三个相态同时存在,这个点被称为三相点。两个相态开始无法区分的点被称为临界点。在一定的温度或压强下也可能有两个相态同时存在。假如一个系统由多种物质组成,那么也可能有更多的相态同时存在。

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B8_(%E7%89%A9%E8%B4%A8)

相态列表

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相态列表是关于各种常见和不常见的相态物态)的列表,列表是根据能量密度由低到高排列。

  • 低能量态:
    • 量子霍尔态 (Quantum Hall state): 这个状态发生于量子霍尔电压测量的方向垂直于电流的流动方向。
    • 量子自旋霍尔态 (Quantum spin Hall state): 可能会为发展浪费更少的能源,产生较少热量的电子设备的理论阶段铺平道路。这是一个推导量子霍尔状态的问题。
    • 玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein condensate): 有大量玻色子占据同一量子态形成。
    • 费米子凝聚态(Fermionic condensate): 和玻色-爱因斯坦凝聚态相似,但由费米子组成。根据泡利不相容原理,不同费米子不能占据同一量子态,但费米子可以配对成为具有玻色子性质的合成“粒子”,从而占据同一量子态。
    • 超流体(Superfluid):极少数流体,比如液氦,在极低温下会形成一种完全无摩擦的流体。
    • 超固体(Supersolid):同超流态相似,超固态可以(在保持形状的情况下)完全无摩擦运动。
  • 固态(Solid):具有一定形状和体积。
    • 非晶形固体(Amorphous solid): 固体中不存在远程有序的原子。
    • 结晶固体(Crystalline solid): 组成的固体原子,分子或离子,有一个有序,重复的模式。
      • 塑性晶体(Plastic crystal): 固体分子有固定位置,但保留了组成分子自由的旋转。
  • 弦状网液态(String-net liquid): 原子的这种状况显然是不稳定的排列,像液体一样,但仍有固定的总体格局,像一个固体。
  • 液态(Liquid):可变形但不可压缩的流体。形状由容器限定,在压力影响下,体积(几乎)不变。
    • 液晶(Liquid crystal): 性质在液体和晶体之间。一般来说,能像液体一样流动,但表现出长程有序。
  • 气态(Gas):可压缩流体。形状和体积都由容器限定。
  • 超临界流体(Supercritical fluid):在超过临界点的温度及压力时,出现液体,气体无法区分的物质状态。
  • 等离子态电浆)(Plasma):在高温下,电子完全从原子电离出来,所组成的自由电子气体。
  • 简并态(Degenerate matter): 物质有非常高的压力,由泡利不相容原理支持。
  • 甚高能量态:
    • 夸克-胶子等离子态(Quark-gluon plasma):一种理论上预言的,自由夸克存在于胶子海洋中的物质状态。
    • 弱对称物质(Weakly symmetric matter): 大爆炸后10-12秒后,弱相互作用和电磁相互作用统一时产生。
    • 强对称物质(Strongly symmetric matter): 大爆炸后10-36秒后, 随着宇宙的扩大,温度和密度下降,强作用力的分离,这个过程被称为对称破缺。
  • 酯膜结构(?未定): 引力异常所预测的广义相对论存在的黑洞中心,它不是一个物质的相态(虽然大规模的能源有助于其创造物质) 。

物质状态 固体 液体 气体 / 蒸气 等离子体

低能量 玻色-爱因斯坦凝聚 ·费米子凝聚态 ·量子霍尔效应 ·里德伯物质 ·奇异物质 ·超流体 ·超固体

高能量 简并态物质 ·夸克物质 ·夸克-胶子浆 ·超临界流体

其他 胶体 ·晶体 ·液晶 ·无定形体玻璃 · 弹性体 · 准晶体 · 柔粘性结晶 · 磁状态(反铁磁性亚铁磁性铁磁性 · 弦状网液态 · 超玻璃

相变 沸腾 ·沸点 ·临界线 ·临界点 ·结晶 ·凝华 ·蒸发 ·闪蒸 ·凝固 ·λ ·熔化 ·熔点 ·复冰现象 ·饱和流体 ·升华 ·过冷 ·三相点

数量 熔化热 ·升华热 ·汽化热 ·潜热 ·潜内能 ·特如吞常数 ·特鲁顿比值 ·挥发性

概念 双结点 ·压缩流体 ·冷却曲线 ·状态方程 ·莱顿弗罗斯特现象 ·姆潘巴现象 ·有序与无序 ·调幅分解 ·超导现象 ·过热蒸气 ·过热 ·-电介质效应

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B8%E6%80%81%E5%88%97%E8%A1%A8


路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

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