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我还以为物质只有固气液三种状态呢!打脸了!

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熊孩子爱科技 2021-05-12 09:37

看到一个报导:

中国科学院合肥物质科学研究院在在极端高温高压条件下成功获得了氢和氘的金属态。金属氢被称为“高压物理的圣杯”,近一个世纪以来,高压学者经过不懈努力,一直未实现静态高压下金属氢的相变,如今被中科院合肥团队在高达约400 GPa极限静态压力取得重要突破。

金属氢是一种内含巨大能量的物质,如果能制备出来,可以用于制造不受核约束的但破坏力与核弹相差无几的武器,用于火箭燃料可以大大减轻火箭重量,是当今超级大国之间暗中角力的焦点之一。

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205Gpa液态氢,415Gpa不透明固态氢,495Gpa变成金属

不过,本文不深入介绍金属氢,而是突然想到物质到底有多少种状态?

百度了一下,发现百度百科中介绍的知识具有很大的误导性。

中学物理就已经教过,物质一般分为三种状态:固状、液态、气态。还有人可能了解的液晶态和等离子状态等,但是到底有多少种物质状态呢?

百度百科中介绍了7种状态:气态、液态、固态、等离子态、超临界态、超固态、中子态。但是百度百科中分类介绍得不清楚,容易让人产生误会。

物质状态早期在科学界中是以它的体积性质来分类的。比如在固态时,物质拥有固定的形状和体积;而在液态时,物质维持固定的体积但形状会随容器的形状而改变;气态时,物质不但形态会随容器改变,体积也会随容器而改变。

科学家总结为“相”(英语:Phase)的变化产生了不同的状态,物质的状态用相的转变来表达,这种相的转变可以是结构上的转变,也可以是出现一些独特的性质变化。这样,每一种相都可以从一种相转变分离出来。比如,我们上面所说的氢,当它在低温高压状态时,可以转变为固体的氢(晶体),但是当它处于超高压的极端状态时,表现出了金属的性状,与晶态氢的性态完全不同,因此可以说它是一种新相,也即一种新的物质状态。水在结晶的情况下有15种晶体结构,也可认为冰具有15种不同的相,但是我们通常只将它们归类为固态。

冰的15种晶体结构(秦大河,2014)

近期以来,科学家还有另一种分类的方法:以粒子(分子)之间的相互关系来划分物质的状态。

固态是指分子之间因为相互的引力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。

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:费米凝聚和夸克-胶子浆。

目前物质状态可以分成以下16种:

固态是组成物质的粒子(包括离子、原子、分子)紧密排列,之间有很强的引力,粒子只能在原位震动,因而固体具有固定的形状和体积。通俗说固体指的是晶体,是以三维空间结构排列的,而且同一种物质在不同条件是可以排列成不同晶体结构的。比如铁在912°C时是面心立方体,而在912~1394°C之间则是体心立方体。

当固体加热到其熔点之上时,物质会变成液体。液体内部粒子之间的力虽然不可忽视,但是粒子可以相对运动,因而物质的结构是不确定的,而由容器来决定。一般来说液体的密度要小于固体,但是水在0~4°C时是个特例,也因这一个案,人类才能够得以生存在地球上。

理想气体分子之间的作用力为0,不过实际上还是存在的,但气体分子拥有足够的能力,它的目标是占满整个容器。当一种气体的温度和压力分别超越自身的临界压力及临界温度时会成为超临界液体,这种状态下,它有气体的特性,又是一种高密度的溶剂,在工业中应用很多。比如我们用超临界二氧化碳的超流体性质去提取咖啡中的咖啡因。

液晶拥有液体的流动性和固体有序排列的特征,在这种状态下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。液晶电视我们大家都很熟悉,不用过多介绍。

无定形体大家可能比较陌生,但是,我们日常所用玻璃就是这种形态,包括塑料、合成橡胶等高分子化合物,它们都是无定形体,因而也会被叫做玻璃态。这种状态也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,往往也会被纳入固体的类别。还有一种无定形态有很多人可能听过,它呈现出部分液体的形态,一般叫体非牛顿流体,它的黏度大小受作用力和剪应力所影响。据说将嚼软的口香糖做成锥形,可以砸开椰子,不过这种实验我没有做过,网上有这样的视频。

磁序状态:在过渡金属(下面元素周期表中间红色部分的那些元素)的原子,因为有电子单独存在于原子轨道而且没有组成键,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、磁铁和反铁磁体。

超导现象是在1911年发现的,超导体是拥有零电阻的物质,有完美的导电性。当它处在外加磁场中,会对磁场产生微弱排斥力,这种现象称为迈斯纳效应或者完美的抗磁性。

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,它的特点是黏度值为0(有无限的流动性)。科学家在1937年发现,将氦冷却到低于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。下图右半部分(它有内外大小两个容器),超流体为了找寻自己的定位会在小容器壁上缓慢地流动,在短时间之后,两个容器的水平将会是一致的。而大容器的内壁将会被Rollin膜所覆盖(看图中大容器内表面的蓝色部分),如果容器不是密封的,液体便会从上面流出来。

玻色-爱因斯坦凝聚态由爱因斯坦和纳特·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1995年,由沃尔夫冈·克特勒、埃里克·康奈尔及卡尔·威曼所领导的团队,在实验室中制造了出玻色-爱因斯坦凝聚态。这种状态是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态。这种状态的物质有很多有趣的性质,比如可以有异常高的光学密度差,使用激光可以改变玻色-爱因斯坦凝聚的原子状态,使它对一定的频率的光的折射系数骤增,这样光速在凝聚体内的速度就会骤降,甚至降到数米每秒。自转的玻色-爱因斯坦凝聚体可以作为黑洞的模型,入射的光不会逃离。凝聚体也可以用来“冻结”光,这样被“冻结”的光在凝聚分解时又会被释放出来。

里德伯态属于强力的非理想等离子的一种介稳定状态,当电子处于很高的激发态后冷凝而形成,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),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。

当温度达到数千度摄氏时便会形成等离子(离化气体),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引力,成为自由电子,不受原子或分子的束缚。等离子体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,但因为粒子之间有很强的离子间引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:由欧洲核子研究组织(简称CERN)在2000年发现。因为质子和中子都是由夸克构成,而夸克能通过这种物质状态而释放出来,并能独立观察。科学家可以在这种物质状态下观察夸克的特性,这是从理论到实践的一大飞跃。

我们在网上看到中子态,是属于简并态物质的一类,这是在极高压的环境下,常温物质会转变成一连串奇怪的物质状态。天体物理学家相信在恒星中,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。

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。它的性质和超流体有点像,但它同时具有固体和流体的特性。上面所说的金属氢,也会表现出超固态的性质。网上有人将超固态和玻色-爱因斯坦凝聚态混为一谈,这是有误解的。

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使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。

因为没有太多时间去研究这些内容,后面物质状态简单的将介绍抄了过来,让大家可以了解到,物质状态很可能不会局限在这16种,随着科学的深入发展,必定会出现更多的新物质状态,而新物质状态也必定会带来新材料的发展。 希望朋友们不要被网文所误导,基础研究还要进一步跟紧国外。

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