物质不止三态,竟然有六态?

物质六态指:气态、液态、固态、等离子态、玻色—爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态。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同种物质大得多。

物质六态指:气态、液态、固态、等离子态、玻色—爱因斯坦凝聚态、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、原子或离子构成的。处于气态的物质,其构成粒子与粒子之间距离很远,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同种物质大得多。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。

物质不止三态,竟然有六态?


等离子态,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子核旋转。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。与地球上不同,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。


物质不止三态,竟然有六态?


常温下的气体原子行为就象台球一样,原子之间以及与器壁之间互相碰撞,其相互作用遵从经典力学定律;低温的原子运动,其相互作用则遵从量子力学定律,由德布洛意波来描述其运动,此时的德布洛意波波长λdb小于原子之间的距离d,其运动由量子属性自旋量子数来决定。我们知道,自旋量子数为整数的粒子为玻色子,而自旋量子数为半整数的粒子为费米子。

玻色子具有整体特性,在低温时集聚到能量最低的同一量子态(基态);而费米子具有互相排斥的特性,它们不能占据同一量子态,因此其它的费米子就得占据能量较高的量子态,原子中的电子就是典型的费米子。早在1924年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存在另外的一种物质状态——玻色爱因斯坦冷凝态,即当温度足够低、原子的运动速度足够慢时,它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时,所有的原子就象一个原子一样,具有完全相同的物理性质。

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根据量子力学中的德布洛意关系,λdb=h/p。粒子的运动速度越慢,其物质波的波长就越长。当温度足够低时,原子的德布洛意波长与原子之间的距离在同一量级上,此时,物质波之间通过相互作用而达到完全相同的状态,其性质由一个原子的波函数即可描述;当温度为绝对零度时,热运动现象就消失了,原子处于理想的玻色爱因斯坦冷凝态。

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