2020-09-25 02:44:48

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物态(state of matter),学名聚集态,是一般物质在一定的温度和压强条件下所处的相对稳定的状态,通常是指固态液态气态。物质的上述三种状态是可以互相转化的。譬如水(液态),冷的时候会结成冰(固态),加热到较高温度时,会变成蒸汽(气态)。

除了上述三种物态以外,有人增加了等离子态超固态玻色-爱因斯坦凝聚态。当气体中分子运动更加剧烈,成为离子、电子的混合体时,称为等离子态;当压强超过百万大气压时,固体的原子结构被破坏,原子的电子壳层被挤压到原子核的范围,这种状态称为超固态;有些原子气体被冷却到纳开(10K)温度时,被称为气体原子(玻色子)都进入能量最低的基态,称为玻色–爱因斯坦凝聚态

其它还有超流态,超导态,超气态等非常规基态。

基本信息

  • 中文名称

    物态

  • 外文名称

    State of matter

  • 概述

    几乎所有物质都有基本3态

  • 分类

    固态、液态、气态和等离子态等

  • 全称

    物质状态

折叠 编辑本段 基本概念

物态(物质状态)是指一种物质出现不同的相。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。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振动。 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,是宇宙中普遍存在的一种物质的聚集状态。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,会形成一种新的物质状态。例如:夸克-胶子浆等。

物态(物质状态)也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。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,液晶体状态等都是用相的转变所划分出来并同时拥有不同的性质。

折叠 编辑本段 基本物态

折叠 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。例如铁在912℃下是面心立方,912℃至1394℃之间便是体心立方。又例如冰,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。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CO2,称之为升华,反之则是凝华

严格地说,物理上的固态应当指"结晶态",也即各种晶体所具有的状态。最常见的晶体是食盐,由许多立方形晶体构成。还有许多颜色、形状各异的规则晶体。物质在固态时的突出特征是有一定的体积和几何形状物理性质具有各向异性。有一定的熔点,熔化时温度不变。

在固体中,分子或原子有规则地排列。每个分子或原子在各自固定的位置上振动。晶体的这种结构称为空间点阵结构。

折叠 液态

在温度和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,由容器的形状来决定。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℃下密度上升并达到顶点。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

液体有流动性,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),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,不可能再保持原来的固定位置,于是产生流动。这时分子或原子间的吸引力还比较大,使它们不至分散远离,因此液体有一定的体积。在液体内部的小区域内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。

折叠 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(对于理想气体是0),分子之间的距离也较远。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,可以单独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,固体也是如此。当一种气体的温度和气压分别超越自身的临界压力及临界温度时便成为超临界流体,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。

液体加热会变成气态。这时分子或原子运动更剧烈,"类晶区"不复存在。由于分子或原子间的距离增大,它们之间的引力可以忽略,因此气态主要表现为分子或原子各自的无规则运动,导致气体特性有流动性,没有固定的形状和体积,容易压缩;物理性质具有各向同性

折叠 编辑本段 其他常温状态

折叠 液晶体

液晶是介于各向同性液体与晶体之间的一种物质状态。某一物质处在液晶态时,分子排列的有序度介于理想晶体的长程有序和液体的长程无序之间。液晶的特点是同时具有流动性和光学各向异性。液晶的化学和物理性质极其丰富,随科学技术的发展,对液晶的认识也在不断深化 。

液晶拥有液体的流动性和固体有序排列的特征。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

液晶对外界因素(如压力等)的微小变化很敏感。正是这些特性使其在许多方面得到广泛应用。液晶属于有机化合物,迄今人工合成的液晶已达5000多种。

折叠 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。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。

非晶态也叫无定形玻璃态,是一大类刚性固体。利用很高的冷却速率,将传统的玻璃工艺发展到金属和合金,制成对应的非晶态材料,称之为金属玻璃或玻璃态金属。非晶态材料的种类很多,硅土(SiO2),以及硅土和Al、Na、Mg、Ca等元素的氧化物的混合物构成最古老、最重要的无机玻璃,近20多年来,由于非晶态材料优异的物理、化学特性和广泛的技术应用,使其得到了迅速的发展 。

例如普通玻璃不是处于固态(结晶态),而是非晶态。玻璃没有固定的熔点,物理性质也是各向同性的。玻璃内部结构没有空间点阵,与液态的结构类似。"类晶区"彼此不能移动,因此玻璃没有流动性。严格地说,非晶态不属于固体,因为固体专指晶体。非晶态是另一种物态。除普通玻璃外,常见的非晶态还有橡胶、石蜡天然树脂、沥青和高分子塑料等。

折叠 编辑本段 低温状态

折叠 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在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。

超导体的电阻完全消失的现象称为超导电性,此状态被称为超导态。超导体在某些科学技术领域中开始进入实用阶段。对高温超导机理的理解可能会导致对很多被称为电子强关联的一大类材料物理本质的理解,同时在科学和技术两个方面产生飞跃 。

已发现的超导材料主要是一些金属、合金和化合物,已达几千种。

折叠 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),超流动性是其最具特征的基本性质。科学家在1937年发现,将氦冷却到低于λ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"罗林膜"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-爱因斯坦凝聚态来解释。费米凝聚态的超流体也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。

氦-4原子是玻色子,玻色-爱因斯坦统计允许很多原子同时处于一个量子态上。当温度降至λ点以下时,有宏观数量的氦原子同时凝聚在动量为零的单一量子态上,用一个宏观波函数来描述。温度在λ点以下的超流动性及其他特异现象都可用这种宏观波函数的特性来解释 。

折叠 玻色-爱因斯坦凝聚态

由爱因斯坦和玻色在1924年预测出来,也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,由克特勒、康奈尔及威曼所领导的团队,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冷。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℃)时便会出现玻色-爱因斯坦凝聚态。

对于遵从玻色–爱因斯坦统计且总粒子数守恒的理想气体,存在一个极低但非零的转变温度Tc,当温度低于Tc时,占全部粒子数有限百分比的(宏观数量的)部分将聚集到单一的粒子最低能态上的现象。这是1925年爱因斯坦将S.玻色提出的处理黑体辐射(光子气体)的方法推广到实物粒子理想气体得出的理论预言。后来被称为玻色-爱因斯坦凝聚。聚集到最低能态上的所有粒子的集合被称为玻色-爱因斯坦凝聚体。

凝聚体是一种新的物态,可用单一波函数描写,可研究这种原子波的相干效应以及相应的原子激光和原子光学 。玻色-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。

折叠 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,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(实验中利用极冷的原子),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的假设,他认为这一种物质状态是真正存在的。

里德伯原子是价电子被激发到高激发态能级结构的原子。其他的原子,甚至分子也可以产生里德伯态。里德伯原子半径大,结合能小,寿命长,因此已被当作探针用来进行基础研究和多方面的应用。里德伯原子的特殊性能已被用作测量微波、射电波及检验电磁场的探测器。在高密度气体中的里德伯原子及分子还是新的激光工作物质

折叠 编辑本段 高能状态

折叠 等离子态

当温度达到摄氏数千度时便会形成等离子(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,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,但因为粒子之间有极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。

等离子体是由大量带电粒子中性粒子组成的,在电磁力作用下,粒子的运动和行为以集体效应为主的体系。而等离子体的集体效应,是指由于电磁等长程力的作用,粒子的运动状态不仅取决于该粒子附近的局部条件,还取决于远离该粒子的其他区域的状态。等离子体状态是区别于固态、液态和气态的另一种物质存在状态,常称为物质第四态。等离子体广泛出现在茫茫的宇宙之中。在地球表面,闪电、极光等是地球上的天然等离子体的辐射现象。此外等离子体只能人为产生,如充气电子管、日光灯、霓虹灯、电弧气体放电等设备中产生的由电子、离子和中性粒子所组成的电离气体就是等离子体,整体呈电中性。等离子体具有广泛的技术应用,如空间技术受控热核聚变同位素分离无线电通信等 。

折叠 夸克-胶子浆

欧洲核子研究组织(简称CERN)在2000年发现。因为质子和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。

夸克胶子等离子体是由许多夸克、反夸克胶子组成的多体系统。简称夸克物质。所有的强相互作用粒子即强子,都是由夸克、反夸克和胶子构成的。迄今为止,不论在自然界,或通过实验手段都没有找到自由存在的夸克和胶子。然而,描述强相互作用的规范场理论预言,在超过一定的临界能量密度(大约10电子伏/米)时,夸克、反夸克和胶子可能冲破单个强子口袋的禁闭,而在一个大得多的空间范围内自由运动,形成夸克胶子等离子体

折叠 编辑本段 其他状态

折叠 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,例如白矮星和中子星。

中子星主要由简并中子组成的性质奇特的致密天体。1932年发现中子后不久,L.朗道就提出可能存在由中子组成的致密星。1939年J.奥本海默和G.沃尔科夫通过计算建立了第一个中子星的模型。大质量恒星耗尽内部核燃料后,星核坍缩,在某一点几乎所有的自由电子将被迫与原子核中的质子结合形成中子。中子星的引力把大部分自由电子压进原子核里,强迫它们与质子结合形成中子。中子星的密度极高,一匙勺中子星物质重10亿吨,它与质量为1.7×10克、"半径"为10厘米的单个中子的密度相似。中子星有极高的核密度以及极强的引力场 。

折叠 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。

超固体也称超结构(超点阵),是有序固溶体结构的通称。当固溶体有序化后,晶胞中的各个座位变得不等同了,不同组元的原子分别优先占有特定的座位。当完全有序实现以后,晶体的结构类型就发生变化,有时甚至点阵类型也发生变化。完全有序化后,点阵类型也转变为简单立方型,但习惯上仍称之为具有超结构的固溶体 。

折叠 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。

弦状网液态又称液态亚点阵。可以认为快离子导体点阵是由两个亚点阵构成的,一个是不运动离子构成的刚性亚点阵,另一个是可运动离子构成的亚点阵。刚性亚点阵为可运动离子提供很多能量上近似相等的位置,可运动离子就无序地分布在这些位置上,因而称为液态亚点阵。实验上已证实液态亚点阵的存在。快离子导体兼有固体和液体的特性 。

折叠 玻璃态

玻璃态也称硫璃态。原子或分子不像在晶体中那样按某一规则排列的固态,原子排列仅有局域的、部分的规则性(短程有序),而无大范围的、周期性的规则性(长程有序)的固体状态。晶体和液体之间的转变是一种相变,而且是一级相变。在非晶体与液体之间无一个确定的转变温度,当温度下降时液体先变成黏滞性越来越大的过冷液体,然后在玻璃态转变温度处转变成非晶体(玻璃态固体)。玻璃态转变温度并无定值,随着液体的冷却速率而改变,冷却速率越快,玻璃态转变温度越低。过冷液体与非晶体之间的转变,情况十分复杂,不能简单地看成相变 。处于这种状态的固体只能在非常长的时间后才结晶。当从熔体冷却或其他方法形成玻璃时,体系所含的内能并不处于最低值。物质在冷却过程中内能随温度而变化。因此从热力学观点,玻璃态是处于热力学不稳定状态,与相应的结晶态比较,具有较高的内能,有向晶体转变的趋势。但从动力学观点看,它又是稳定的,因为在常温下由于玻璃的高粘度而不能自发地转变为结晶态,必须克服结晶所需的活化能才行。所以玻璃态属于亚稳态

折叠 编辑本段 制作一些物态

注:某些实验十分危险,这里未写。

折叠 固态

可以通过将液态物体加压或冷冻至凝点,也可以将超固态的物质减压生成。

折叠 液态

可以通过固态物质加热或减压生成,也可以通过气态物质冷凝或加压生成。

折叠 气态

可以将液态物质蒸发。

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