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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)：“實物”和“場”。
“實物”具有的共同特點是：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物粒子構(gòu)成)。本文開頭所舉 的各例都屬于實物。
“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或電視機。可以概括地說，“場”是實物之間進行相互作用的物質(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?因為實物的具體形態(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，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(不同方向上物理性質(zhì)相同)，這是因為，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，使它們不會分散遠離，于是液體仍有一定的體積。實際上，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，它不是處于固態(tài)(結(jié)晶態(tài))。對這一點，你一定會奇怪。
這是因為玻璃與晶體有不同的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
你可以做一個實驗，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。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“空間點陣”特點，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，因為固體專指晶體;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、傳呼機、微型電腦和電視機等的文字和圖形顯示上得到了廣泛的應(yīng)用。
“液晶”這種材料屬于有機化合物，迄今人工合成的液晶已達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)實驗技術(shù)的進步，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(1.44～2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(1853～1926年)。1911年夏天，他用水銀做實驗，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)研究的進展”專題)�？溋�·昂納斯把某些物質(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(1894～1984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
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