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生活中的物理学
1.6.10 物态的多样性
物态的多样性

物质具体的存在形态有多少,根据目前科学研究成果来看是难以说清的。但是,经过物理学的研究,千姿百态的物质都可以初步归纳为两种基本的存在形态:“实物”和“场”。

“实物”的共同特点是质量集中在某一空间,一般有比较确定的界面,具有不可入性。

“场”则是看不见摸不着的物质,可以充满全部空间,具有“可入性”。例如,大家熟知的电磁场,可以将电台天线发射的信号通过空间传送到千家万户的收音机或电视机或手机;地球周围的重力场对处在地球周围的物体都具有力的作用。概括地说,“场”是实物之间进行相互作用的物质形态。

我们通常说的物质有固态、液态和气态三种“物态”。“物态”是按属性划分的实物存在的基本形态,表现为大量微小物质粒子作为一个大的整体而存在的集合状态。以往人们只知道有固态、液态和气态三种物态,随着科学的发展,在大自然中又发现了多种“物态”。人类迄今知道的“物态”已达10余种,下面对几种特殊物态作以简要的介绍。

非晶态——特殊的固态。常见的普通玻璃一般人会认为它是固体,其实,它不是处于固态(结晶态)。这是因为玻璃与晶体有不同的性质和内部结构。

假设我们将玻璃放在火中加热,随温度逐渐升高,它先变软,然后逐步地熔化。也就是说玻璃没有一个固定的熔点。此外,它的物理性质也“各向同性”。这些都与晶体不同。经过科学研究,玻璃内部结构没有“空间点阵”特点,而与液态的结构类似。只不过“类晶区”彼此不能移动,造成玻璃没有流动性。我们将这种状态称为“非晶态”。严格地说,“非晶态”不属于固体,因为固体专指晶体,它可以看作一种极黏稠的液体。因此,“非晶态”可以作为另一种物态提出来。除普通玻璃外,“非晶态”固体还很多,常见的有橡胶、石蜡、天然树脂、沥青和高分子塑料等。

液晶态——固态和液态之间的一种形态。“液晶”在电子表、计算器、手机、传呼机、微型电脑和电视机等的文字和图形显示上得到了广泛的应用。“液晶”属于有机化合物,现在人工合成的液晶已达5000多种。这种材料在一定温度范围内可以处于“液晶态”,就是既具有液体的流动性,又具有晶体在光学性质上的“各向异性”。它对外界因素(如热、电、光、压力等)的微小变化很敏感。实际应用中正是利用这些特性。

超固态。在140万大气压下,物质的原子就可能被挤压破裂。电子全部被“挤出”原子,形成电子气体,裸露的原子核紧密地排列,物质密度极大,这就是超固态。一块乒乓球大小的超固态物质,其质量至少在1000吨以上。根据目前对宇宙天体的研究,质量较小的恒星发展到后期阶段的白矮星就处于这种超固态。它的平均密度能够达到水的几万倍以上。

中子态。在足够高的温度和压力下,原子核也能被挤压破裂。原子核由中子和质子组成,在足够高的温度和压力下质子吸收电子转化为中子,物质呈现出中子紧密排列的状态,称为“中子态”。已经确认,中等质量(1.44~2倍太阳质量)的恒星发展到后期阶段的“中子星”,是一种密度比白矮星还大的星球,它的物态就是“中子态”。

大质量恒星演化的后期,理论预言它们将演化为比中子星密度更大的“黑洞”,目前还没有直接的观测证实它的存在。至于“黑洞”中的超高压作用下物质又呈现什么物态,还有待于今后进一步的观测和研究。

超导态。超导态是一些物质在超低温下出现的特殊物态。最先发现超导现象的,是荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯(1853—1926年)。1911年夏天,他用水银做实验,发现温度降到4.2K的时候(约-268.8℃),水银开始失去电阻。接着他又发现许多材料都有这种特性:在一定的临界温度(低温)下失去电阻。卡麦林·昂纳斯把某些物质在低温条件下表现出电阻等于零的现象称为“超导”。超导体所处的物态就是“超导态”,超导态在高效率输电、磁悬浮高速列车、高精度探测仪器等方面有重要的实用价值。目前发现的超导材料主要是一些金属、合金和化合物,已不下几千种,它们各自对应有不同的“临界温度”,最高的“临界温度”已达到130K(约-143℃),各国科学家正在努力研究室温(300K或27℃)下的临界温度。超导态物质的结构目前还是一个待解的谜。

超流态。超流态是发生在超低温下的个别物质上的一种非常奇特的物理状态。1937年,前苏联物理学家彼得·列奥尼多维奇·卡皮察(1894—1984年)发现,当液态氦的温度降到2.17K的时候,就由原来液体的一般流动性突然变化为“超流动性”:它可以无任何阻碍地通过连气体都无法通过的极微小的孔或狭缝(线度约10万分之一厘米),还可以沿着杯壁“爬”出杯口外。我们将具有超流动性的物态称为“超流态”。但是目前只发现低于2.17K的液态氦有这种物态。

以上只是迄今发现的几种典型特殊的物态,实际上物态的种类远不止这些。