水能夠被壓縮嗎?

2020-12-04 鍾銘聊科學

水的微觀結構

水能不能壓縮,要看有沒有能被壓縮的空間。首先,我們都知道水是由水分子構成的。水一般來說有三種形態,當然除此之外還有一些奇奇怪怪的狀態。比如說,我們都知道水達到100度就會變成水蒸氣(一個標準大氣壓的環境下),但是在海底熱泉口附近,就有300,400多的水,這就是獨立於水的三態之外的一種相態。

所以,水並不只有三種相態。而改變相態之間的變化,本質上是因為水分子之間的距離變化。

比如:水蒸氣的分子間的平均距離就要大於液態水的分子間的平均距離。也就是說,分子之間還是存在著空間的。

宏觀上就要改變壓強和溫度,微觀上其實就是改變分子間的距離。

不僅水分子之間是有距離的,我們還要知道的是,構成水分子的原子,也就是兩個氫原子和一個氧原子,它們也是可以被壓縮的。

具體來說是這樣的,構成原子的其實是原子核和電子。電子以概率雲的形式在原子核外。

而原子幾乎是空心的,原子核連1%的空間佔比都沒有。那有沒有證據呢?

盧瑟福就曾經做過一個實驗,就是拿α粒子去轟擊金箔,就發現大多數的α粒子是直接穿過去的,只有少數有偏轉角度。

而原子核是質子和中子構成的,質子和中子還可以進一步再分,也就是夸克。它們都是由3個夸克構成的。夸克被膠子傳遞的強相互作用力束縛在質子和中子內部。

這個其實也有證據的,科學家也曾經轟擊過質子,就發現轟擊的過程中,會出現有三個散射角度。不過,由於強相互作用和引力正好相反,距離越遠強度越大,因此夸克被束縛在質子和中子中,就像關了禁閉,所以我們得不到自由的夸克。

所以,我們可以來總結一下,原子幾乎空心的,而構成原子核的質子和中子內部也是有蠻多空間的,這是因為夸克可以在強相互作用允許的範圍內自由移動。

水能被壓縮麼?

通過上面對於水微觀結構的分析,我們可以得出這樣的結論,水是由水分子構成的,水分子之間是有空間的,而水分子是有氫原子和氧原子構成的,從原子的層面,原子本身就是幾乎空心的,而質子和中子內部也蠻空曠的。

於是,我們可以得出這樣的結論,我們可以通過增大壓強,降低溫度的形式來壓縮水,可以從分子層面對水進行壓縮,那時候的水應該屬於固態。當然,理想狀態就是儘可能地增加壓強,把溫度儘可能地降低到接近絕對零度。

上面其實還是稍微具有可能操作性的,科學家是有能力在實驗室裡做到把溫度降低很低,把壓強提高到很大的水平。

接下來,我們可以繼續關注原子層面,那有沒有辦法壓縮原子呢?

實際上,目前人類不具備這樣的水平。但宇宙中有一些天體具備這樣的能力的。比如說:中子星。

一些恆星在生命的末期會發生超新星爆炸,這之後如果剩餘的質量還很大,那通過自身引力的作用,會向內壓縮。這時候,引力就會對原子的層面進行壓縮,而這個時候原子內部會出現一種電子簡併力的量子效應,它會抵抗引力,不讓電子進入原子核。如果電子簡併力也扛不住引力,這時候電子就會被壓到原子核內部。上文我們也提到了,原子幾乎是空心的,所以,當電子被壓入原子核內,就好比原子核排排隊,而大部分的電子會和質子反應生成中子,因此就變成了一堆中子排排隊壓在一起,這也就是中子星了。這也是為什麼中子星一般個頭不算很大,密度巨大的原因。

也就是說,理想狀態下,不考慮技術的話,電子是可以被壓到原子核內的,所以構成水的原子也是可以再被壓縮的,最後被壓縮成一堆中子,這時候也就不是水了。當然,理論上中子還能被繼續壓縮,最後被稱一堆夸克,所以科學家也曾預言可能「存在夸克」。所以,不考慮技術是不是能夠達到,水是有可能被壓縮成固的水,或者中子,或者夸克的。

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