低温状态
超导体
因为超导体拥有零电阻的物质所以可以有完美的导电性当它处在外加磁场中会对磁场产生的微弱排斥力这种现象称为迈斯纳效应或者完美的抗磁性超导磁铁在核磁共振成像机中用作电磁铁超导现象是在1911年发现在往后的时间只知部分金属和合金在绝对温标30度之下拥有这种特性直到1986年在一些陶瓷的氧化物中发现一种名为高温超导电性的特质而这种物态出现的温度已提高到绝对温度164度
超导体的电阻完全消失的现象称为超导电性此状态被称为超导态超导体在某些科学技术领域中开始进入实用阶段对高温超导机理的理解可能会导致对很多被称为电子强关联的一大类材料物理本质的理解同时在科学和技术两个方面产生飞跃
目前发现的超导材料主要是一些金属合金和化合物已达几千种
超流体
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是零有无限的流动性超流动性是其最具特征的基本性质科学家在1937年发现将氦冷却到低于λ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氦-4为了找寻自己的定位会在容器上缓慢地流动在短时间之后两个容器的水平将会是一致而大容器的内壁将会被罗林膜所覆盖如果容器的不是密封的液体便会流出来超流体拥有无限大的热传导率所以在超流体中不能形成温度梯度这些特性可以用氦-4在超流体状态中转变成玻色-爱因斯坦凝聚态来解释最近费米凝聚态的超流体可以由氦的同位素氦-3或者锂的同位素锂-6在更低温的状态下转变而成
氦-4原子是玻色子玻色-爱因斯坦统计允许很多原子同时处于一个量子态上当温度降至λ点以下时有宏观数量的氦原子同时凝聚在动量为零的单一量子态上用一个宏观波函数来描述温度在λ点以下的超流动性及其他特异现象都可用这种宏观波函数的特性来解释
玻色-爱因斯坦凝聚态
由爱因斯坦和玻色在1924年预测出来也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由克特勒康奈尔及威曼所领导的团队在1995年首先透过实验制造出玻色-爱因斯坦凝聚玻色-爱因斯坦凝聚态比固态时更冷当原子有非常接近或者一致的量子等级和温度非常接近绝对零度－273℃时便会出现玻色-爱因斯坦凝聚态
对于遵从玻色–爱因斯坦统计且总粒子数守恒的理想气体存在一个极低但非零的转变温度Tc当温度低于Tc时占全部粒子数有限百分比的宏观数量的部分将聚集到单一的粒子最低能态上的现象这是1925年爱因斯坦将S.玻色提出的处理黑体辐射光子气体的方法推广到实物粒子理想气体得出的理论预言后来被称为玻色-爱因斯坦凝聚聚集到最低能态上的所有粒子的集合被称为玻色-爱因斯坦凝聚体
凝聚体是一种新的物态可用单一波函数描写可研究这种原子波的相干效应以及相应的原子激光和原子光学 玻色-爱因斯坦凝聚态所具有的奇特性质不仅对基础研究有重要意义在芯片技术精密测量和纳米技术等领域也都有很好的应用前景
里德伯分子
里德伯态属于强力的非理想等离子的其中一种介稳定状态当电子处于很高的激发态后冷凝而形成当到达某个温度时这些原子会变成离子和电子在2009年4月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的假设他认为这一种物质状态是真正存在的
里德伯原子是价电子被激发到高激发态能级结构的原子其他的原子甚至分子也可以产生里德伯态里德伯原子半径大结合能小寿命长因此已被当作探针用来进行基础研究和多方面的应用里德伯原子的特殊性能已被用作测量微波射电波及检验电磁场的探测器在高密度气体中的里德伯原子及分子还是新的激光工作物质
其他常温状态
液晶体
液晶是介于各向同性液体与晶体之间的一种物质状态某一物质处在液晶态时分子排列的有序度介于理想晶体的长程有序和液体的长程无序之间液晶的特点是同时具有流动性和光学各向异性液晶的化学和物理性质极其丰富随科学技术的发展对液晶的认识也在不断深化
液晶拥有液体的流动性和固体有序排列的特征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部分的液晶在科技上有很大的用途例如液晶显示器
液晶对外界因素如热电光压力等的微小变化很敏感正是这些特性使其在许多方面得到广泛应用液晶属于有机化合物迄今人工合成的液晶已达5000多种
无定形体
无定形体又名非晶状体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因此通常纳入固体的类别常见例子有玻璃聚苯乙烯合成橡胶或其他聚合物很多无定形体当加热至玻璃转化温度时便会软化成液体此时分子是自由流动的无定形体不存在长距离的整齐排列但是在有限范围内氧原子O以正四面体的排列包围硅Si原子部分液体属于非牛顿流体黏度的大小受作用力和剪应力所影响因此在某一个流动情况之下便变成无定形体
非晶态也叫无定形或玻璃态是一大类刚性固体利用很高的冷却速率将传统的玻璃工艺发展到金属和合金制成对应的非晶态材料称之为金属玻璃或玻璃态金属非晶态材料的种类很多硅土SiO2以及硅土和AlNaMgCa等元素的氧化物的混合物构成最古老最重要的无机玻璃近20多年来由于非晶态材料优异的物理化学特性和广泛的技术应用使其得到了迅速的发展
例如普通玻璃不是处于固态结晶态而是非晶态玻璃没有固定的熔点物理性质也是各向同性的玻璃内部结构没有空间点阵与液态的结构类似类晶区彼此不能移动因此玻璃没有流动性严格地说非晶态不属于固体因为固体专指晶体非晶态是另一种物态除普通玻璃外常见的非晶态还有橡胶石蜡天然树脂沥青和高分子塑料等
高能状态
等离子态
当温度达到摄氏数千度时便会形成等离子离化气体有些等离子是透过带电荷的空气粒子所做成可以在一些恒星例如太阳中找到或雷电时产生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的吸力成为自由电子不受原子或分子的包围离子是化学物种的一种成因是质子的数目与电子不同而带有电荷自由电荷令到等离子有导电性而令到它对磁场有强烈反应在极高温的情况之下例如在恒星中基本上假设电子是自由运动的而极高能量的等离子像是一个空的原子核在电子海之中等离子相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极强的离子吸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
等离子体是由大量带电粒子和中性粒子组成的在电磁力作用下粒子的运动和行为以集体效应为主的体系而等离子体的集体效应是指由于电磁等长程力的作用粒子的运动状态不仅取决于该粒子附近的局部条件还取决于远离该粒子的其他区域的状态等离子体状态是区别于固态液态和气态的另一种物质存在状态常称为物质第四态等离子体广泛出现在茫茫的宇宙之中在地球表面闪电极光等是地球上的天然等离子体的辐射现象此外等离子体只能人为产生如充气电子管日光灯霓虹灯电弧气体放电等设备中产生的由电子离子和中性粒子所组成的电离气体就是等离子体整体呈电中性等离子体具有广泛的技术应用如空间技术受控热核聚变同位素分离无线电通信等
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透过这种物质状态中释放出来并能独立观察科学家可以透过这种物质状态下观察夸克的特性是从理论到实践的一大飞跃
夸克胶子等离子体是由许多夸克反夸克和胶子组成的多体系统简称夸克物质所有的强相互作用粒子即强子都是由夸克反夸克和胶子构成的迄今为止不论在自然界或通过实验手段都没有找到自由存在的夸克和胶子然而描述强相互作用的规范场理论预言在超过一定的临界能量密度大约1024电子伏/米3时夸克反夸克和胶子可能冲破单个强子口袋的禁闭而在一个大得多的空间范围内自由运动形成夸克胶子等离子体
基本物态
固态
粒子包括离子原子或者分子都是紧密排列粒子之间有很强的吸力所以只能在原位震动因而令固体拥有稳定固定形状和固定容量的特性只有因施力而切断或打碎时才可改变它的形状在晶体固体中粒子包括原子分子和离子都是以三维空间的结构排列而同一种物质可以排列成不同形式晶体结构例如铁在912℃下是面心立方912℃至1394℃之间便是体心立方又例如冰世上已知有关冰的晶体结构有15种这15种的固体物质状态分别存在于不同的温度和压力之下在物质状态的转变过程中固体会透过融化变成液体相反液体会凝固成固体如果由固体直接转变为气体例如在大气压力下的CO2称之为升华反之则是凝华
严格地说物理上的固态应当指结晶态也即各种晶体所具有的状态最常见的晶体是食盐由许多立方形晶体构成还有许多颜色形状各异的规则晶体物质在固态时的突出特征是有一定的体积和几何形状物理性质具有各向异性有一定的熔点熔化时温度不变
在固体中分子或原子有规则地排列每个分子或原子在各自固定的位置上振动晶体的这种结构称为空间点阵结构
液态
在温度和气压是常数的情况下液体的容量是固定的当固体加热到熔点之上时便会成为液体内分子内原子或者内离子之间的力仍然不可忽略但分子有足够的能量因而可以有相对运动结构亦是流动的液体的形状是不定的由容器的形状来决定一般情况下液体的容量会比它在固体时要大水H2O是一个反例因为水从0℃4℃下密度上升并达到顶点而物质以液体存在的最高温度和最高压力分别名为临界温度和临界压力
液体有流动性与固体不同液体还有各向同性特点不同方向上物理性质相同因为物体由固态变成液态的时候由于温度的升高使得分子或原子运动剧烈不可能再保持原来的固定位置于是产生流动这时分子或原子间的吸引力还比较大使它们不至分散远离因此液体有一定的体积在液体内部的小区域内仍存在类似晶体的结构类晶区流动性是类晶区彼此间可以移动形成的
气态
在气态中分子拥有足够多的动能因而内分子力的影响相对减少对于理想气体是0分子之间的距离也较远气体并没有限定的形状和容量但是它会占据整个密封的容器液体可以透过在常压下加热到沸点或者在常温下加压而转变成气体当气体温度低过临界温度时这种气体称为蒸气可以单独透过加压而变成液体如果气体的压力等同液体的蒸气压两者便可达致平衡固体也是如此当一种气体的温度和气压分别超越自身的临界压力及临界温度时便成为超临界流体它拥有气体的特性同时是一种高密度的溶剂因此而工业中有不少用途例如超临界二氧化碳可用透过超流体抽取法去抽取咖啡因从而制造出脱咖啡因的咖啡
液体加热会变成气态这时分子或原子运动更剧烈类晶区不复存在由于分子或原子间的距离增大它们之间的引力可以忽略因此气态主要表现为分子或原子各自的无规则运动导致气体特性有流动性没有固定的形状和体积容易压缩物理性质具有各向同性
基本概念
物态物质状态是指一种物质出现不同的相早期来说物质状态是以它的体积性质来分辨在固态时物质拥有固定的形状和容量而在液态时物质维持固定的容量但形状会随容器的形状而改变气态时物质不论有没有容量都会膨涨以进行扩散科学家以分子之间的相互关系作分类固态是指因分子之间因为相互的吸力因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Plasma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是宇宙中普遍存在的一种物质的聚集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会形成一种新的物质状态例如夸克-胶子浆等
物态物质状态也可用相的转变来表达相的转变可以是结构上的转变又或者是出现一些独特的性质根据这个定义每一种相都可以其他的相中透过相的转变分离出来例如水数种固体的相超导电性便是由相的转变引伸出来因此便有超导电性的状态同样液晶体状态等都是用相的转变所划分出来并同时拥有不同的性质
其他状态
简并态物质
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统称简并态物质这引起了天体物理学家的兴趣因为他们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
中子星主要由简并中子组成的性质奇特的致密天体1932年发现中子后不久L.朗道就提出可能存在由中子组成的致密星1939年J.奥本海默和G.沃尔科夫通过计算建立了第一个中子星的模型大质量恒星耗尽内部核燃料后星核坍缩在某一点几乎所有的自由电子将被迫与原子核中的质子结合形成中子中子星的引力把大部分自由电子压进原子核里强迫它们与质子结合形成中子中子星的密度极高一匙勺中子星物质重10亿吨它与质量为1.7×10－24克半径为10－13厘米的单个中子的密度相似中子星有极高的核密度以及极强的引力场
超固体
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
超固体也称超结构超点阵是有序固溶体结构的通称当固溶体有序化后晶胞中的各个座位变得不等同了不同组元的原子分别优先占有特定的座位当完全有序实现以后晶体的结构类型就发生变化有时甚至点阵类型也发生变化完全有序化后点阵类型也转变为简单立方型但习惯上仍称之为具有超结构的固溶体
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令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
弦状网液态又称液态亚点阵可以认为快离子导体的点阵是由两个亚点阵构成的一个是不运动离子构成的刚性亚点阵另一个是可运动离子构成的亚点阵刚性亚点阵为可运动离子提供很多能量上近似相等的位置可运动离子就无序地分布在这些位置上因而称为液态亚点阵实验上已证实液态亚点阵的存在快离子导体兼有固体和液体的特性
玻璃态
玻璃态也称硫璃态原子或分子不像在晶体中那样按某一规则排列的固态原子排列仅有局域的部分的规则性短程有序而无大范围的周期性的规则性长程有序的固体状态晶体和液体之间的转变是一种相变而且是一级相变在非晶体与液体之间无一个确定的转变温度当温度下降时液体先变成黏滞性越来越大的过冷液体然后在玻璃态转变温度处转变成非晶体玻璃态固体玻璃态转变温度并无定值随着液体的冷却速率而改变冷却速率越快玻璃态转变温度越低过冷液体与非晶体之间的转变情况十分复杂不能简单地看成相变 处于这种状态的固体只能在非常长的时间后才结晶当从熔体冷却或其他方法形成玻璃时体系所含的内能并不处于最低值物质在冷却过程中内能随温度而变化因此从热力学观点玻璃态是处于热力学不稳定状态与相应的结晶态比较具有较高的内能有向晶体转变的趋势但从动力学观点看它又是稳定的因为在常温下由于玻璃的高粘度而不能自发地转变为结晶态必须克服结晶所需的活化能才行所以玻璃态属于亚稳态