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物质状态

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不同物质状态的相互关系。
不同物质状态的相互关系。

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。在固态时,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胀以进行扩散。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,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:费米凝聚夸克-胶子浆

用相图表达的物质状态。
相图表达的物质状态。

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
分子在固体时的排列情况

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,固体会透过熔化变成液体,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
分子在液体时的排列情况

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
分子在气体时的排列情况

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减压而转变成气体。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。
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)。
微观下的磁性序列(每个粒子的磁矩)。

液晶体

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)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

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。如果连畴的排列都是整齐有序,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

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,会对磁场产生微弱的排斥力,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]

超流体

当接近绝对零度时,部分液体会转变成另一种名为超流体的液体状态,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·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温度更低。当原子有非常接近或者一致的量子等级英语Quantum level和温度非常接近绝对零度 0 K(−273.15 °C;−459.67 °F)时便会出现玻色-爱因斯坦凝聚态。

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》中报导,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

等离子体

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

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

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

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

在正常的固体状态下,物质中的原子应以网状排列,因此对于任何一粒电子,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

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]

另见

参考文献

  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 978-1-84265-218-3, 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 请检查|isbn=值 (帮助). 
  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 请检查|isbn=值 (帮助). 
  10. ^ Minkel, JR. Strange but True: Superfluid Helium Can Climb Walls. 
  11. ^ MIT physicists create new form of matter. 
  12. ^ Bendkowsky, Vera; Butscher, Björn; Nipper, Johannes; Shaffer, James P.; Löw, Robert; Pfau, Tilman. Observation of ultralong-range Rydberg molecules. Nature. 2009-04-23, 458 (7241): 1005–1008. doi:10.1038/nature07945 –通过www.nature.com. 
  13. ^ World first for strange molecule. 2009-04-23 –通过news.bbc.co.uk. 
  14. ^ 一种新的物质状态-实验
  15. ^ Murthy, Ganpathy; Arovas, Daniel; Auerbach, Assa. Superfluids and supersolids on frustrated two-dimensional lattices. Physical Review B. 1997-02-01, 55 (5): 3104–3121. doi:10.1103/PhysRevB.55.3104 –通过APS. 
  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. 

外部链接

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物质状态
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