水,溫度低了為冰,即固態,溫度高了會成為氣體,水蒸氣,平常為水,即液體。這是我們的常識,那麼物質的另外三種狀態是什麼?
想要搞清楚另外三種狀態,其實不難,因為無論再怎麼折騰,它也離不開物質的構成。我們講一個通俗一點的版本,只需要理解物質是由什麼構成的,我們就可以像搭積木似地,把它搭出來。
單個水分子的化學式是H20,由2個氫原子與一個氧原子組成,一個水分子就像一個米老鼠。
由此我們知道了水分子是由3個原子組成的,1個氧原子就像米老鼠的臉,兩個氫原子就像它的兩個耳朵,我們繼續深入。
原子是由什麼構成的?
原子是由電子和原子核構成的,氫原子就像一個桃子,原子核就像桃核,電子就像桃肉,但又不是桃肉,因為它也很小,之所以像桃肉是因為它同時可能存在於桃核外的很多地方,我們無法知道它確切的地方,只能計算出它出現的概率,概率分布的範圍,如同一朵雲,我們叫它電子云。
它就像一團迷雲一樣,我們能確定的事情就是氫原子只有一個電子,因為原子核中只有一個質子,質子帶正電,無論是質子,還是電子都是具有一定質量的,所以兩個氫原子組成的氫氣才有質量。
原子核裡有什麼?
氫原子核裡只有一個質子,但是有的原子中還有中子,中子是不帶電的中性粒子。如果縮小到微觀世界,站在原子核中,你會發現質子也不是最小的。它由三個更小的顆粒組成,除此之外它們之間好像在傳遞什麼東西。
這三個更小的粒子叫做夸克,它們之間傳遞的物質叫做膠子。你可能覺得這些名字太麻煩了,實際上它們可總結成兩種類型的「積木」,一種叫做「費米子」,你可以認為它是需要「花錢」的(需要浪費糧食米的),一種叫做「玻色子」,你可以認為它是不需要「花錢」的(不需要用米換的就是玻色子)。
為什麼費米子需要拿「米」換?因為它們具有質量,如果它們處於靜止狀態你可以稱出它們的重量,而玻色子就是沒有靜止質量的粒子。玻色子總是以光速運動,我們看見的光,就是由玻色子中的光子組成的。這兩種粒子構成了宇宙中一切我們所知的物質,它們就是物質的「積木塊」。
另外三種狀態
在更小的尺度,我們重新回答一下氫原子是由什麼構成的?電子(費米子)和原子核中的質子,質子又由費米子(夸克)和玻色子(膠子)構成,懂了這些,我們就可以將另外三種狀態了。
液化罐裡裝著可燃性氣,它是由氣體分子構成,把它打入罐內它會變成液體,這個過程相當於增加了壓強。因此,除了溫度,壓強也是決定物質狀態的因素之一。
當溫度達到374攝氏度,在低壓情況下,水還是氣體,如果在高壓下就會一種臨界狀態,同時具有氣體和液體特性,或者說是氣液不分的超臨界流體。
如果我們繼續升溫,分子就會開始電離,簡單來說就是原子中的外層電子跑了,也就是說此刻的氫原子分成了一個單獨帶負電的電子和一個帶正電的原子核。電子原本老老實實的帶在電子核身邊,由於外界給予了它能量,激發了它,因此它翅膀硬了,飛走了。此刻我們管這種狀態叫做等離子體。
質子由費米子和玻色子組成,那麼如果某種物質狀態只由玻色子構成,我們就叫它玻色-愛因斯坦凝聚物,如果它只由費米子構成,我們就叫它費米-離子凝聚物。
量子延伸
講這兩種狀態之前,我們需要簡單介紹一下這兩種積木的特性,粒子都會不停的旋轉,但是它倆有本質的區別:
費米子,其自旋(或固有角動量)是半整數值:±1/2,±3/2,±5/2,例如電子的自旋為±,肯定是費米子玻色子其自旋是整數值:0,±1,±2,因為這兩種本質的差異,費米子需要遵守泡利不相容原理,而玻色子不需要。
簡單來說,玻色子可以「群居」在同一能級,費米子只能「獨居」在不同能級。如果有一個費米子佔據了最低的能級,其他費米子再來就不能佔據這個能級,只能佔據更高的能級。但是還有一個情況兩個費米子可以「同居」,但它們必須互補,比如說一個電子是+,另個一個電子必須是-,但也僅此而已。
對於玻色子來說,它可以不受限制地將任意數量處於最低能態中。不過,這需要一定條件使它們乖乖聽話,例如在極低的溫度冷卻它們,如果達到這種物理條件我們就能得到都處於最低能態的玻色子,這就是物質的第五個狀態:玻色-愛因斯坦凝聚體。
氦是由兩個質子,兩個中子和四個電子組成的原子,因此它滿足「同居」的條件,具有玻色子的性質,在足夠低的溫度下,它會成為一種超流體:一種粘度為零且在其自身或與之相互作用的任何容器之間沒有摩擦的流體。這種性質就是玻色-愛因斯坦凝聚賦予它的。
在溫度極低的導體中,帶負電的電子會出現微小的引力。每個粒子都趨向於最低能態。如果一種導電金屬降低到一定的溫度,自旋相反的兩個電子將配對在一起。這種微小的吸引力將使電子成對地散發,而不是讓所有電子單獨運動,這就是費米-離子冷凝物。費米-離子冷凝物所需的溫度低於玻色-愛因斯坦冷凝物,但它也表現為超流體。
雖然固體,液體和氣體可能是最常見的物質狀態,但是在極低的溫度下溫度升高時,會出現凝結水,具有獨特的物理特性。
這就是物質的六種狀態!你學會了幾個?