我們熟知物質有四種自然狀態,但這種人造狀態卻鮮為人知

2020-12-06 萬象經驗

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。

所有佔據空間和質量的東西都是物質。所有物質都是由原子構成的,原子又是由質子、中子和電子構成的。原子聚集在一起形成分子,分子是所有物質的基石。原子和分子都被一種稱為化學能的勢能結合在一起。與動能不同,動能是運動物體的能量,勢能是儲存在物體中的能量。

物質的五種狀態

物質有四種自然狀態:固態、液態、氣態和等離子態。第五種狀態是人工合成的玻色-愛因斯坦凝聚態。

固體

在固體中,粒子被緊緊地擠在一起,所以它們不怎麼移動。每個原子的電子都在不斷地運動,所以原子有微小的振動,但它們是固定在它們的位置上的。正因為如此,固體中的粒子動能非常低。固體有一定的形狀、質量和體積,它們的形狀與放置它們的容器的形狀不一致。固體也有很高的密度,這意味著粒子被緊緊地擠在一起。

液體

在液體中,粒子比在固體中更鬆散,可以互相流動,使液體的形狀不確定。因此,液體將符合其容器的形狀。就像固體一樣,液體(大多數密度比固體低)很難壓縮。

氣體

在氣體中,粒子之間有很大的空間,並且有很高的動能。氣體沒有一定的形狀和體積。如果不受約束,氣體粒子就會無限擴散。如果受到限制,氣體就會膨脹充滿容器。當減少容器的體積來改變壓力時,粒子之間的空間就縮小了,氣體就被壓縮了。

等離子體

等離子體在地球上不是一種常見的物質狀態,但根據傑弗遜實驗室的研究,它可能是宇宙中最常見的物質狀態。恆星本質上是過熱的等離子體球。等離子體由具有極高動能的高電荷粒子組成。惰性氣體(氦、氖、氬、氪、氙和氡)經常被用來製造發光的跡象,用電將它們電離成等離子體狀態。

玻色-愛因斯坦凝聚體

玻色-愛因斯坦凝聚體

玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC)是科學家在1995年創造的。科羅拉多州博爾德市的實驗室天體物理聯合研究所(JILA)的科學家埃裡克·康奈爾(Eric Cornell)和卡爾·魏曼(Carl Weiman)利用雷射和磁鐵的組合,將銣樣品冷卻到逼近絕對零度。由於幾乎沒有動能從一個原子轉移到另一個原子,原子開始聚集在一起。不再有成千上萬個獨立的原子,只有一個「超級原子」。

BEC被用來在宏觀水平上研究量子力學。光在通過BEC時似乎減慢了速度,這使得科學家能夠研究粒子/波佯謬。BEC還具有超流體或無摩擦流動流體的許多性質。BEC也被用來模擬黑洞中可能存在的條件。

當物質從一種狀態變成另一種狀態時,從物質中添加或移除能量會導致物理變化。例如,向液態水中加入熱能會使其變成水蒸氣(氣體)。從液態水中去除能量會使它變成冰(固體)。運動和壓力也會引起物理的變化。

相關焦點

  • 神秘而強大的第四種物質狀態
    但其實,她沒有提及的是一種特殊的電化氣體——等離子體,這是第四種特別重要的物質狀態。之所以我們較少提及,是因為在生活中我們很少遇到天然的等離子體,除非你有幸看到過北極光,或者是通過特殊的濾鏡來觀察太陽,又或是像我小時候那樣——喜歡在雷雨天將頭伸出窗外。然而,在日常生活中是稀缺品的等離子體,卻佔據了宇宙中可觀測物質的99%以上(如果我們忽略暗物質的話)。
  • 有哪8種物質狀態?
    在學校裡我們可能學到最多的是固體,液體和氣體,因為學校只給我們生活中最好理解的三種物質狀態,如果只是知道這些,你會錯過其他五個有趣的物質形態!現在我們普遍認為有多達8個物質形態,隨著科學的進步,這個數字還會逐漸增加。
  • 物質一共有幾種狀態?
    物質一共有幾種狀態?科學家目前已經發現了超過6種物質狀態,並且還有越來越多的新狀態被發現。首先是4種物質的基本狀態:氣態、液態、固態和等離子態。前三種我們或許已經非常熟悉,第四種等離子態是熱的帶電氣體,由帶正電的離子和自由電子組成。
  • 物質有多少狀態?固體,液體和氣體嗎?
    在學校裡我們可能學到最多的是固體,液體和氣體,因為學校只給我們生活中最好理解的三種物質狀態,如果只是知道這些,你會錯過其他五個有趣的物質形態! 現在我們普遍認為有多達8個物質形態,隨著科學的進步,這個數字還會逐漸增加。下面怪羅簡單介紹下吧: 第四種是熱的帶電氣體(等離子態),它由帶正電荷的離子和自由電子組成,火焰是由激發態和等離子態共同組成的。
  • 我們知道物質有固氣液三種狀態,但實際遠超你的想像!
    比如,我們上面所說的氫,當它在低溫高壓狀態時,可以轉變為固體的氫(晶體),但是當它處於超高壓的極端狀態時,表現出了金屬的性狀,與晶態氫的性態完全不同,因此可以說它是一種新相,也即一種新的物質狀態。水在結晶的情況下有15種晶體結構,也可認為冰具有15種不同的相,但是我們還是會將它們歸類為固態。
  • 稀有而極端的第六種物質狀態
    ​物質一共有幾種狀態如果我們進入亞原子的世界,也就是在比原子更小的尺度上,更加精彩的故事剛剛展開。原子實際上是由原子核以及核外的電子組成。如果用足夠的能量轟擊原子,把它的電子踢開,就能創造出電離等離子體,這是物質的第四種狀態。(詳見《神秘而強大的第四種物質狀態》。)
  • 物質的形態,只存在液態、固態和氣態嗎?其實還有一種人造狀態
    或許你已經發現,隨意向一個人提問,物質有哪幾種表現形態,人們可能都會不假思索地回答,固態、液態和氣體,畢竟現今的物質形態常見的只有氣態、液態和固態,對這三態來說人們尤為熟悉,所謂固態是指具有固定形狀的物質,例如石頭木頭等,從這一點來看,液體和氣體都不具備這一特徵,人類想要改變固體的形狀,就必須對它施力,比如擠壓或拉長,都能改變固體的體積,通常來說這一變化不會多麼顯著
  • 物質的形態,只存在液態、固態和氣態嗎?其實還有一種人造狀態
    或許你已經發現,隨意向一個人提問,物質有哪幾種表現形態,人們可能都會不假思索地回答,固態、液態和氣體,畢竟現今的物質形態常見的只有氣態、液態和固態,對這三態來說人們尤為熟悉,所謂固態是指具有固定形狀的物質,例如石頭木頭等,從這一點來看,液體和氣體都不具備這一特徵,人類想要改變固體的形狀,就必須對它施力,比如擠壓或拉長,都能改變固體的體積
  • 宇宙萬物運行應該有四種狀態!但有三種,至今也很難被人接受……
    宇宙萬物運行應該有四種狀態。現在還有三種狀態,很難被人接受……牛頓的三大力學定律,克卜勒的行星運行三大定律,可謂是經典物理學的頂峰了。那時。人們彈冠相慶,整個宇宙的物質運動規律,似乎都被人們發現殆盡了。科學走到了盡頭。誰成想,「柳暗花明又一村」。愛因斯坦的「廣義想對論」,又把人們帶到了一個嶄新的天地。掉進了萬丈深淵。那「鍾慢尺縮」?那「彎曲的時空」?讓人丈二和尚摸不著頭腦?
  • 為什麼物理學家不斷發現物質的新狀態?
    這是一個理解我們存在的物理世界的簡單方法。 當然了,如果你還記得一點高中時的科學知識,你可能會想起物質的第四種狀態:「等離子體」。如果你關注科學新聞,你可能還聽說過另一種「玻色-愛因斯坦凝聚態」,物質的第五種狀態。 但是,簡併物質呢?拓撲超導體?時間晶體?
  • 固態、液態和氣態後:為何不斷發現新的物質狀態?
    我們常見的物質有三種基本狀態,即固態、液態和氣態。這是一個理解我們所處物理世界的簡單方法。當然,如果你還記得一點高中時的科學知識,你可能會想起物質的第四種狀態:等離子態。如果關注科學新聞,你可能還聽說過「玻色-愛因斯坦凝聚態」。這就有五種物質狀態了。那麼,簡併態物質呢?
  • 自然狀態與人類學
    在列舉了一些靈長類的性行為後,他繼續寫道:「我們知道所有雌性四足獸都是嫉妒的,它們許多都有特殊的武器同其競爭對手進行戰鬥,我們的確可以據此斷言,在自然狀況下,亂交是極端不可能的。」[28](P131)  在這四點差異背後,是兩人基本思路的不同:摩爾根從血緣關係和親屬制度入手,設定雜交狀態的人類似動物,他試圖把一切道德因而是社會的因素從人身上剝離出去,以此找到人最初「自然」因而是純粹天生的規定性;巴霍芬的自然則與直觀、質料一起,與文明、間接與精神對立,越是自然的,越是黑暗的、物質的、非理性的,自然鏈條的終點不是動物
  • 量子力學科普:量子相變,從一個狀態到另一個狀態的華麗變身
    相變相變,通過來說就是由一種「相」轉化到另外一種「相」,「相」,我們可以通俗的理解成物質的外部參數(溫度、磁性等),最簡單的「相」就是物質的狀態,物質可以有有多種的存在狀態,例如:我們喝的水,水是液態,我們呼吸的空氣,空氣是氣態,自然界中大多數的金屬是以固態的當時存在,氣態、液態、固態就是物質的三種「相」,其本質上就是物質分子或者原子之間距離的不通過
  • 為什麼說宇宙中的物質的任何存在狀態都是一種能量的存在狀態?
    我在前面分析原子結構的文章中說過,事物的產生和發展的一些現象都是由組成事物穩定狀態下的最小單元的本能所決定的。原子是目前人們所能理解的組成物質層面的最小單元。那麼,物質世界呈現出的任何現象都應是原子的本能或不同的行為所造成的。原子的本能才是造成各種不同物質現象的本質原因。
  • 10種物質狀態,你就只知道固態,液態和氣體?
    大多數人可以輕易地說出三種經典的物質狀態——液體,固體和氣體。上過一些科學課程的人們會知道應該將等離子體添加該行列。但是,多年來,科學家們已經將基本物態擴大到遠遠超出我們熟知的四大物態之外。雖然沒人聽說過這種物質狀態,但是你可能每天都在使用超臨界流體的副產品。
  • 物理學家觀察到一種全新的物質狀態
    物理學家已經發現了一種新的物質狀態,該狀態隱藏在玻璃的液態和固態之間發生的神秘轉變中。玻璃化轉變對科學家非常著迷,新的物質狀態——稱為「液體玻璃」——在微觀水平上表現出前所未有的行為,將其與先前觀察到的現象區分開來。
  • 對,第五種物質狀態來了
    物質有幾種形態?以冰塊為例的固體、以水為例的液體、以水蒸氣為例的氣體……這三種狀態在地球上隨處可見,在溫度和壓力的作用下可以互相轉換。如果你有幸看到過極光,那麼就會遇見第四種物質形態——等離子體。早在20世紀20年代初,阿爾伯特·愛因斯坦(AlbertEinstein)和印度數學家薩特延德拉·納特·玻色(Satyendra Nath Bose)就預言了物質的第5種狀態——玻色-愛因斯坦凝聚
  • 從微積分到自然狀態,對「人造物」的信仰如何建構現代文明?
    事實上,通過沙甘的梳理,我們會發現這種對「人造物」的信仰是現代人信仰的主要形態。從數學領域的「虛數」、「微積分」,到政治哲學領域的「自然狀態」、「無知之幕」,對人造物的信仰甚至構建了人類文明的諸多基本觀念。我們越來越意識到,將人類創新的產物重新想像成不僅是天意或自然的二次收穫,而且是有價值和獨立的判斷對象。
  • 水的第四種狀態—超臨界水
    科學家曾經對常溫下的水做過實驗,在1萬倍的氣壓之下,常溫下的水有了結冰的跡象。那麼在超過1000個大氣壓的海底,溫度只有4°C左右的海底,我們有理由相信下面已經結冰。事實上那裡的水仍然是液體。原來,水在高氣壓下會結冰,是用純水測試的。一旦在水裡融入一些雜質,結冰溫度也會受到改變。
  • 「氣」是什麼,有質量嗎?如果有,存在狀態是哪個量級?
    物質演化進程,在中華文化裡有個基本概念「氣」,中國人用「氣」這個字描述各種自然現象發生變化,既可宏觀也可微觀。氣的象形字象「三」字,表示的物質演化進程階段是《道德經》說的「二生三」太素階段, 氣形質具,隨機性再次減弱,依存關係約束結構有序加強,質量能量出現,萬有引力先產生,物質元素凝聚形成,隨後另三種基本力相繼出現,各種基本粒子大量形成出現,四種基本力都形成,這就是太素階段,之後就是三(氣)生萬物,在中華文明的語境裡,萬物就是概括「天地人三才」的代名詞。