何谓物质六态？

馆友“智者1111”：
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   何谓物质六态？

 

宇宙最初的物质是什么？水蒸汽为何能幻化成天上的云，地上的水，河 面上的冰？北极光为什么出现在南北极？……自然界充满谜团。而这些谜团 无不涉及到同一个名词——物质的形态！ 从固态、液态、气态到目前最近发现的第六态——费米子凝聚态，人类 对物质的认识越来越深，而有关物质形态的疑问也越来越多。不同物质形态 有怎样的特性？物质的不同形态是如何转化的？物态的变化对人类社会有怎 样的影响？物态研究对未来有怎样的推动？ 带着思考和疑问，进入《物质的形态》，在这里，你将认识到形形色色 的物质形态种类和特性，了解自然界和生活中常见的一些现象的本质，并共同分享梦幻般的科技前沿！

 物质六态指：气态、液态、固态、等离子态、超固态、中子态（费米子凝聚态）.通常所见的物质有三态：气态、液态、固态.物质是由分子、子构成的.处于气态的物质,其分子与分子之间距离很远,几乎像宇宙空间中的星球那样分散.然而,对于液态物质来说,构成它们的分子彼此已靠得很近,分子一个挨着一个,它的密度要比气态的大得多.拿水中的H2O（水分子）来说,它们就像链条一样,一个接一个构成一条水分子的长链.虽然水分子已经彼此紧靠在一起,但构成水分子的二个氢原子和一个氧原子,它们之间还离得很开.对于固态物质来说,构成元素是以原子状态存在的,而且固体中的原子一个挨着一个,组成一个,'点阵”,就像造房子的脚手架那样,相互攀拉牢牢地结合在一起,这就是固体比液体硬的原因.原子是由原子核和电子组成的,通常情况下电子都围绕着原旋转.然而在几千摄氏度以上的高温中,气态的原子开始抛掉身上的电子,于是带负电的电子开始自由自在地游逛,而原子也成为带正电的离子.温度愈高,气体原子脱落的电子就愈多,这种现象叫做气体的电离化.科学家把电离化的气体,叫做“等离子态”.除了高温以外,用强大的紫外线、X射线和丙种射线来照射气体,也可以便气体转变成等离子态.也许你感到这种等离子态很稀罕吧!其实,在广漠无边的宇宙中,它是最普遍存在的一种形态.因为宇宙中大部分的发光的星球,它们内部的温度和压力都高极了,这些星球内部的物质几乎都处在等离子态.这是物质的第四种状态.处于等离子态的物质,电子与原子核“身首异处”,彼此离开.在白矮星里面,压力和温度更高了.在几百吉帕气压的压力下,不但原子之间的空隙被压得消失了,就是原子外围的电子层也都被压碎了,所有的原子核和电子都紧紧地挤在一起,这时候物质里面就不再有什么空隙,这样的物质,科学家把它叫做“超固态”.白矮星的内部就是充满这样的超固态物质.在我们居住着的地球的中心,那里的压力达到350吉帕左右,因此也存在着一定的超固态物质.假如在超固态物质上再加上巨大的压力,那么原来已经挤得的原子核和电子,就不可能再紧了,这时候原于核只好宣告解散,从里面放出质子和中子.从原于核里放出的质子,在极大的压力下会和电子结合成为中子.这样一来,物质的构造发生了根本的变化,原来是原子核和电子,现在却都变成了中于.这样的状态,叫做“中子态”.中子态物质的密度更是吓人,它比超固态物质还要大十多万倍呢!一个火柴盒那么大的中子态物质,重30亿吨,要有960000多台重型火车头才能拉动它!在宇宙中,估计只有少数的恒星,才具有这种形态的物质.

们人类居住在一个绝大部分由这些固态物质组成的天地里。当然，我们一样离不开水和空气，它们分别属于液态和气态物质中的一类，相比较而言，这些柔软而易挥发的物质在我们生存的环境中占据的比例更大，对我们生活的影响其实也更大：在科幻故事中，人类依然可以生活在未来水世界上，却无法生活在全部由岩石构成的世界之中。

 物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不同温度下的状态，由所谓的冰点和熔点决定各自产生转换的温度。100多年前，人类对物质状态的认识基本上仅只于此。虽然亚里士多德在2000多年前就发现世界的组成除了这三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物质？其实这就是物质的第四种状态——等离子体的一种表现形式。

如果把气体持续加热几千甚至上万度时，物质会呈现出一种什么样的状态呢？这时，气体原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去外层电子的原子变成带电的离子，这个过程称为电离。所谓“电离”，其实就是电子离开原子核的意思。除了加热能使原子电离(热电离)外，还可通过电子吸收光子能量发生电离(光电离)，或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离(碰撞电离)。发生电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体称之为等离子体(或等离子态)。等离子体的独特行为与固态、液态、气态截然不同，因此称之为物质第四态。

等离子体的存在机理是怎样的呢？物质是由分子或者原子组成的，而分子也是由原子组成。原子都由原子核和绕核高速运动的电子构成。原子核带正电，电子带负电，正、负电数量相等，整个原子对外不显电性。电子之所以绕核运动，因为它的能量不足以挣脱核的束缚力。如果不停地给物质加热，当温度升高到数十万度甚至更高，或者用较高电压的电激，电子就能获得足够逃逸的能量，从原子核上剥落下来，成为自由运动的电子。这就像一群下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。这时物质就成为由带正电的原子核和带负电的电子组成的一团匀浆，人们戏称它“离子浆”。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。

等离子体在我们的宇宙中大量存在，从一根蜡烛燃起的火苗到滋生万物的太阳，从闪烁的星星到灿烂的星系。就在我们周围，在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹；另外，在地球大气层的电离层里，在美丽的极光和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态；放眼宇宙，更是等离子体的天下，宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态，像太阳这样灼热的恒星就是一团巨大的等离子体。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。据印度天体物理学家沙哈的计算，宇宙中99%的物质都处于等离子体状态，而地球上常见的物质状态在宇宙中却成为稀罕宝贝。

 这是为什么呢？原来是地球演化到今日，已成为一颗冷行星。实际上，室温下物质的电离成分完全可以忽略不计，即使温度上升到一万度，电离成分也不过千万分之一！

 超级大原子——物质第五态

 如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度(-273.16℃)吧，在这样的极低温下，物质又会出现什么奇异的状态呢？这时，奇迹出现了——所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这就是物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态(以下简称“玻爱凝聚态”)。

这个新的第五态的发现还得从1924年说起，那一年，年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文，提出了一种关于原子的新的理论，在传统理论中，人们假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的，我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四……，并且不会将张三认成李四，也不会将李四认成张三。然而玻色却挑战了上面的假定，认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子(如两个氧原子)有什么不同。

玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视，他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级(能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列)，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方，练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合起来，像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。然而，实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢？这实在令无数科学家头疼不已。后来物理学家使用稀薄的金属原子气体，金属原子气体有一个很好的特性：不会因制冷出现液态，更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象找到了，下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。由于激光冷却技术的发展，人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。这样的实验系统经过不断改进，终于在玻色—爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。