物體形態(tài).doc

物質(zhì)的10種物態(tài)在自然界中，我們看到物質(zhì)以各種各樣的形態(tài)存在著：花蟲鳥獸、山河湖海、不同膚色的人種、各種美麗的建筑大到星球宇宙，小到分子、原子、電子等極微小的粒子，真是千姿百態(tài)斗奇爭艷。大自然自身的發(fā)展，造就了物質(zhì)世界這種絢麗多彩的宏偉場面。物質(zhì)具體的存在形態(tài)有多少，這的確是難以說清的。但是，經(jīng)過物理學(xué)的研究，千姿百態(tài)的物質(zhì)都可以初步歸納為兩種基本的存在形態(tài)：“實(shí)物”和“場”。 “實(shí)物”具有的共同特點(diǎn)是：質(zhì)量集中在某一空間，一般有比較確定的界面（氣體的界面雖然模糊，但它又是由一個個實(shí)物粒子構(gòu)成）。本文開頭所舉的各例都屬于實(shí)物。 “場”則是看不見摸不著的物質(zhì)，它可以充滿全部空間，它具有“可入性”。例如大家熟知的電磁波，它可以將電臺天線發(fā)射的信號通過空間傳送到千家萬戶的收音機(jī)或電視機(jī)?？梢愿爬ǖ卣f，“場”是實(shí)物之間進(jìn)行相互作用的物質(zhì)形態(tài)。 什么是“物態(tài)”呢？日常所知的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)就是三種“物態(tài)”。為什么要有“物態(tài)”的概念？因?yàn)閷?shí)物的具體形態(tài)太多了，將它們歸納一下能否分成較少的幾類？這就產(chǎn)生了“物態(tài)”的概念。“物態(tài)”是按屬性劃分的實(shí)物存在的基本形態(tài)，它都表現(xiàn)為大量微小物質(zhì)粒子作為一個大的整體而存在的集合狀態(tài)。以往人們只知道有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種物態(tài)，隨著科學(xué)的發(fā)展，在大自然中又發(fā)現(xiàn)了多種“物態(tài)”。入類迄今知道的“物態(tài)”已達(dá)10余種之多。 日常生活中最常見的物質(zhì)形態(tài)是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，從構(gòu)成來說這類狀態(tài)都是由分子或原子的集合形式?jīng)Q定的。由于分子或原子在這三種物態(tài)中運(yùn)動狀況不同，而使我們看到了不同的特征。 1.固態(tài) 嚴(yán)格地說，物理上的固態(tài)應(yīng)當(dāng)指“結(jié)晶態(tài)”，也就是各種各樣晶體所具有的狀態(tài)。最常見的晶體是食鹽（化學(xué)成份是氯化鈉，化學(xué)符號是NaCl）。你拿一粒食鹽觀察（最好是粗制鹽），可以看到它由許多立方形晶體構(gòu)成。如果你到地質(zhì)博物館還可以看到許多顏色、形狀各異的規(guī)則晶體，十分漂亮。物質(zhì)在固態(tài)時的突出特征是有一定的體積和幾何形狀，在不同方向上物理性質(zhì)可以不同（稱為“各向異性”）；有一定的熔點(diǎn)，就是熔化時溫度不變。 在固體中，分子或原子有規(guī)則地周期性排列著，就像我們?nèi)w做操時，人與人之間都等距離地排列一樣。每個人在一定位置上運(yùn)動，就像每個分子或原子在各自固定的位置上作振動一樣。我們將晶體的這種結(jié)構(gòu)稱為“空間點(diǎn)陣”結(jié)構(gòu)。 2液態(tài) 液體有流動性，把它放在什么形狀的容器中它就有什么形狀。此外與固體不同，液體還有“各向同性”特點(diǎn)（不同方向上物理性質(zhì)相同），這是因?yàn)?，物體由固態(tài)變成液態(tài)的時候，由于溫度的升高使得分子或原子運(yùn)動劇烈，而不可能再 保持原來的固定位置，于是就產(chǎn)生了流動。但這時分子或原子間的吸引力還比較大，使它們不會分散遠(yuǎn)離，于是液體仍有一定的體積。實(shí)際上，在液體內(nèi)部許多小的區(qū)域仍存在類似晶體的結(jié)構(gòu)“類晶區(qū)”。流動性是“類晶區(qū)”彼此間可以移動形成的。我們打個比喻，在柏油路上送行的“車流”，每輛汽車內(nèi)的人是有固定位置的一個“類晶區(qū)”，而車與車之間可以相對運(yùn)動，這就造成了車隊整體的流動。 3氣態(tài) 液體加熱會變成氣態(tài)。這時分子或原子運(yùn)動更劇烈，“類晶區(qū)”也不存在了。由于分子或原子間的距離增大，它們之間的引力可以忽略，因此氣態(tài)時主要表現(xiàn)為分子或原子各自的無規(guī)則運(yùn)動，這導(dǎo)致了我們所知的氣體特性：有流動性，沒有固定的形狀和體積，能自動地充滿任何容器；容易壓縮；物理性質(zhì)“各向同性”。 顯然，液態(tài)是處于固態(tài)和氣態(tài)之間的形態(tài)。 4非晶態(tài)特殊的固態(tài) 普通玻璃是固體嗎？你一定會說，當(dāng)然是固體。其實(shí)，它不是處于固態(tài)（結(jié)晶態(tài)）。對這一點(diǎn)，你一定會奇怪。 這是因?yàn)椴Ａc晶體有不同的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 你可以做一個實(shí)驗(yàn)，將玻璃放在火中加熱，隨溫度逐漸升高，它先變軟，然后逐步地熔化。也就是說玻璃沒有一個固定的熔點(diǎn)。此外，它的物理性質(zhì)也“各向同性”。這些都與晶體不同。 經(jīng)過研究，玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有“空間點(diǎn)陣”特點(diǎn)，而與液態(tài)的結(jié)構(gòu)類似。只不過“類晶區(qū)”彼此不能移動，造成玻璃沒有流動性。我們將這種狀態(tài)稱為“非晶態(tài)”。 嚴(yán)格地說，“非晶態(tài)固體”不屬于固體，因?yàn)楣腆w專指晶體；它可以看作一種極粘稠的液體。因此，“非晶態(tài)”可以作為另一種物態(tài)提出來。 除普通玻璃外，“非晶態(tài)”固體還很多，常見的有橡膠、石蠟、天然樹脂、瀝青和高分子塑料等。 5液晶態(tài)結(jié)晶態(tài)和液態(tài)之間的一種形態(tài) “液晶”現(xiàn)在對我們已不陌生，它在電子表、計算器、手機(jī)、傳呼機(jī)、微型電腦和電視機(jī)等的文字和圖形顯示上得到了廣泛的應(yīng)用。 “液晶”這種材料屬于有機(jī)化合物，迄今人工合成的液晶已達(dá)5000多種。 這種材料在一定溫度范圍內(nèi)可以處于“液晶態(tài)”，就是既具有液體的流動性，又具有晶體在光學(xué)性質(zhì)上的“各向異性”。它對外界因素（如熱、電、光、壓力等）的微小變化很敏感。我們正是利用這些特性，使它在許多方面得到應(yīng)用。 上述幾種“物態(tài)”，在日常條件下我們都可以觀察到。但是隨著物理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，在超高溫、超低溫、超高壓等條件下，又發(fā)現(xiàn)了一些新“物態(tài)”。 6超高溫下的等離子態(tài) 這是氣體在約幾百萬度的極高溫或在其它粒子強(qiáng)烈碰撞下所呈現(xiàn)出的物態(tài)，這時，電子從原子中游離出來而成為自由電子。等離子體就是一種被高度電離的氣體，但是它又處于與“氣態(tài)”不同的“物態(tài)”“等離子態(tài)”。 太陽及其它許多恒星是極熾熱的星球，它們就是等離子體。宇宙內(nèi)大部分物質(zhì)都是等離子體。地球上也有等離子體：高空的電離層、閃電、極光等等。日光燈、水銀燈里的電離氣體則是人造的等離子體。 7超高壓下的超固態(tài) 在140萬大氣壓下，物質(zhì)的原子就可能被“壓碎”。電子全部被“擠出”原子，形成電子氣體，裸露的原子核緊密地排列，物質(zhì)密度極大，這就是超固態(tài)。一塊乒乓球大小的超固態(tài)物質(zhì)，其質(zhì)量至少在1000噸以上。 已有充分的根據(jù)說明，質(zhì)量較小的恒星發(fā)展到后期階段的白矮星就處于這種超固態(tài)。它的平均密度是水的幾萬到一億倍。 8超高壓下的中子態(tài) 在更高的溫度和壓力下，原子核也能被“壓碎”。我們知道，原子核由中子和質(zhì)子組成，在更高的溫度和壓力下質(zhì)子吸收電子轉(zhuǎn)化為中子，物質(zhì)呈現(xiàn)出中子緊密排列的狀態(tài)，稱為“中子態(tài)”。 已經(jīng)確認(rèn)，中等質(zhì)量（1.442倍太陽質(zhì)量）的恒星發(fā)展到后期階段的“中子星”，是一種密度比白矮星還大的星球，它的物態(tài)就是“中子態(tài)”。 更大質(zhì)量恒星的后期，理論預(yù)言它們將演化為比中子星密度更大的“黑洞”，目前還沒有直接的觀測證實(shí)它的存在。至于 “黑洞”中的超高壓作用下物質(zhì)又呈現(xiàn)什么物態(tài)，目前一無所知，有待于今后的觀測和研究。 物質(zhì)在高溫、高壓下出現(xiàn)了反常的物態(tài)，那么在低溫、超低溫下物質(zhì)會不會也出現(xiàn)一些特殊的形態(tài)呢？下面講到的兩種物態(tài)就是這類情況。 9超導(dǎo)態(tài) 超導(dǎo)態(tài)是一些物質(zhì)在超低溫下出現(xiàn)的特殊物態(tài)。最先發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的，是荷蘭物理學(xué)家卡麥林昂納斯（18531926年）。1911年夏天，他用水銀做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度降到4.173K的時候（約-269），水銀開始失去電阻。接著他又發(fā)現(xiàn)許多材料都又有這種特性：在一定的臨界溫度（低溫）下失去電阻（請閱讀“低溫和超導(dǎo)研究的進(jìn)展”專題）?？溋职杭{斯把某些物質(zhì)在低溫條件下表現(xiàn)出電阻等于零的現(xiàn)象稱為“超導(dǎo)”。超導(dǎo)體所處的物態(tài)就是“超導(dǎo)態(tài)”，超導(dǎo)態(tài)在高效率輸電、磁懸浮高速列車、高精度探測儀器等方面將會給人類帶來極大的益處。 超導(dǎo)態(tài)的發(fā)現(xiàn)，尤其是它奇特的性質(zhì)，引起全世界的關(guān)注，人們紛紛投入了極大的力量研究超導(dǎo)，至今它仍是十分熱門的科研課題。目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料主要是一些金屬、合金和化合物，已不下幾千種，它們各自對應(yīng)有不同的“臨界溫度”，目前最高的“臨界溫度”已達(dá)到130K（約零下143攝氏度），各國科學(xué)家正在拼命努力向室溫（300K或27）的臨界溫度沖刺。 超導(dǎo)態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)如何？目前理論研究還不成熟，有待繼續(xù)探索。 10超流態(tài) 超流態(tài)是一種非常奇特的物理狀態(tài)，目前所知，這種狀態(tài)只發(fā)生在超低溫下的個別物質(zhì)上。 1937年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家彼得列奧尼多維奇卡皮察（18941984年）驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液態(tài)氦的溫度降到2.17K的時候，它就由原來液體的一般流動性突然變化為“超流動性”：它可以無任何阻礙地通過連氣體都無法通過的極微小的孔或狹縫（線度約10萬分之一厘米），還可以沿著杯壁“爬”出杯口外。我們將具有超流動性的物態(tài)稱為“超流態(tài)”。但是目前只發(fā)現(xiàn)低于2.17K的液態(tài)氦有這種物態(tài)。超流態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，理論也在探索之中。 上面介紹的只是迄今發(fā)現(xiàn)的10 種物態(tài)，有文獻(xiàn)歸納說還存在著更多種類的物態(tài)，例如：超離子態(tài)、輻射場態(tài)、量子場態(tài)，限于篇幅，這里就不一一列舉了。我們相信，隨著科學(xué)的發(fā)展，我們一定會認(rèn)識更多的物態(tài)，解開更多的謎，并利用它們奇特的性質(zhì)造福于人類。物體形態(tài)2010-01-17 13:00為能夠更好的了解和認(rèn)識物質(zhì)，并有利于用于人們的生產(chǎn)和生活，分析區(qū)別物體形態(tài)來擴(kuò)展人們對物質(zhì)的視野是十分必要的。宇宙中豐富多彩的物質(zhì)究竟有多少種形態(tài)呢？顯然對物質(zhì)形態(tài)的概念的理解不同，得出的結(jié)論也不同，目前給出最多是七種物質(zhì)形態(tài)。我卻認(rèn)為，至少要超過十種以上的物質(zhì)形態(tài)。通常人們所見的物質(zhì)是由分子、原子構(gòu)成的。根據(jù)物質(zhì)高低溫度變化，人們知道有固體、液體、氣體三種物質(zhì)形態(tài)。這就是“固態(tài)”、“液態(tài)”和“氣態(tài)”。用水做例子：將冰加熱到一定的程度，它就由固體變成為液體的水，溫度再升高，又蒸發(fā)成水蒸氣。如果將氣體的溫度繼續(xù)升高，會得到什么樣的結(jié)果呢？當(dāng)氣體的溫度升高到幾千度以上的時候，氣體的原子就開始拋掉身上的電子，于是帶負(fù)電的電子開始與原子分離開，而原子也成為帶正電的離子。溫度愈高，氣體原子分離的電子就愈多，這種現(xiàn)象叫做氣體的電離化。除了高溫以外，用強(qiáng)大的紫外線、X射線和丙種射線來照射氣體，也可以使氣體轉(zhuǎn)變成等離子態(tài)?？茖W(xué)家把電離化的氣體，叫做“等離子態(tài)”。在宇宙中，離子態(tài)是最普遍存在的一種形態(tài)。宇宙中相當(dāng)部分的發(fā)光星球，許多星球內(nèi)部的溫度和壓力都極高，其內(nèi)部的物質(zhì)幾乎都處在等離子態(tài)。在地球周圍的電離層里，在美麗的極光、大氣中的閃光放電和流星的尾巴里面，也能找到這種奇妙的等離子態(tài)。只有在那些昏暗的行星和分散的星際物質(zhì)里，才能找到固體、液體和氣體。如果在數(shù)百萬大氣壓的壓力下，原子之間的空隙被極大壓縮了，甚至原子外圍的電子層也都被壓碎了，原子核和電子被緊緊地擠在一起，這種情況下物質(zhì)里面空隙減少許多，科學(xué)家把這樣的物質(zhì)叫做“超固態(tài)”。宇宙中的白矮星內(nèi)部就是充滿這樣的超固態(tài)物質(zhì)，它們的密度大約是水的3600萬到幾億倍。在我們居住著的地球的中心，那里的壓力達(dá)到35.5億百帕左右（1個大氣壓=1013百帕），因此也存在著一定的超固態(tài)物質(zhì)。在超固態(tài)物質(zhì)上再繼續(xù)加上巨大的壓力，那么原來已經(jīng)擠得緊緊的原子核和電子，只好被迫解散，從里面放出質(zhì)子和中子。從原子核里放出的質(zhì)子，在極大的壓力下會和電子結(jié)合。這樣使物質(zhì)的構(gòu)造發(fā)生了根本的變化，原來是原子核和電子，現(xiàn)在卻都變成了中子，這樣的狀態(tài)，叫做“中子態(tài)”。中子態(tài)物質(zhì)的密度比超固態(tài)物質(zhì)還要大10多萬倍，一個火柴盒那么大的中子態(tài)物質(zhì)，可以有30億噸重。在宇宙中，估計只有少數(shù)的恒星，才具有這種形態(tài)的物質(zhì)。在中子態(tài)物質(zhì)上再繼續(xù)加上巨大的壓力，中子中的粒子將徹底分裂為極小粒子組成的物質(zhì)，這種物質(zhì)所構(gòu)成星體就是宇宙黑洞。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，黑洞不僅質(zhì)量極大、體積極小，且密度也十分驚人。通過觀測，確認(rèn)銀河系中心存在黑洞令人信服的證據(jù)。宇宙黑洞中由超小粒子組成的星體形態(tài)，這樣的物質(zhì)狀態(tài)，叫做“黑洞態(tài)”。1995年，美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和美國科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組，首次創(chuàng)造出物質(zhì)的“玻色 愛因斯坦凝聚態(tài)”。2004年1月29日，這個聯(lián)合研究小組宣布，他們創(chuàng)造出物質(zhì)的“費(fèi)米子凝聚態(tài)”（fermionic condensate）。所謂玻色愛因斯坦凝聚，是科學(xué)巨匠愛因斯坦在70年前預(yù)言的一種新物態(tài)。它表示原來不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)。玻色愛因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)由成千上萬個具有單一量子態(tài)的超冷粒子的集合，其行為像一個超級大原子，由玻色子構(gòu)成。費(fèi)米子對起到了玻色子的作用，所以可讓氣體突然冷凝至玻色愛因斯坦凝聚態(tài)。目前現(xiàn)代物理的觀點(diǎn)，真空不空，其中包含著極為豐富的物理內(nèi)容。真空存在極性，真空是不對稱的。這種不對稱是相對局部的，在相對整體上又是對稱的，如此的循環(huán)嵌套構(gòu)成了真空的這個性質(zhì)。真空的每個局部具備了真空的全體性質(zhì)。真空物質(zhì)構(gòu)成的物質(zhì)形態(tài)，就是“真空態(tài)”。場物質(zhì)現(xiàn)象是粒子在宇宙空間運(yùn)動過程中表現(xiàn)的物理性質(zhì)，其微觀結(jié)構(gòu)雖然還沒有被人類認(rèn)識，由它所構(gòu)成的場物質(zhì)形態(tài)，這就是“場態(tài)”。 粒子實(shí)驗(yàn)已證實(shí)，正反粒子的強(qiáng)作用和電磁作用性質(zhì)完全一樣，因此反質(zhì)子和反中子也能結(jié)合成帶負(fù)電的反原子核，反核和反電子結(jié)合在一起，就能組成反原子。反質(zhì)子、反中子和反電子如果像質(zhì)子、中子、電