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物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

水,温度低了为冰,即固态,温度高了会成为气体,水蒸气,平常为水,即液体。这是我们的常识,那么物质的另外三种状态是什么?

水,温度低了为冰,即固态,温度高了会成为气体,水蒸气,平常为水,即液体。这是我们的常识,那么物质的另外三种状态是什么?

想要搞清楚另外三种状态,其实不难,因为无论再怎么折腾,它也离不开物质的构成。我们讲一个通俗一点的版本,只需要理解物质是由什么构成的,我们就可以像搭积木似地,把它搭出来。

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

单个水分子的化学式是H20,由2个氢原子与一个氧原子组成,一个水分子就像一个米老鼠。

由此我们知道了水分子是由3个原子组成的,1个氧原子就像米老鼠的脸,两个氢原子就像它的两个耳朵,我们继续深入。

原子是由什么构成的?

原子是由电子和原子核构成的,氢原子就像一个桃子,原子核就像桃核,电子就像桃肉,但又不是桃肉,因为它也很小,之所以像桃肉是因为它同时可能存在于桃核外的很多地方,我们无法知道它确切的地方,只能计算出它出现的概率,概率分布的范围,如同一朵云,我们叫它电子云。

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

它就像一团迷云一样,我们能确定的事情就是氢原子只有一个电子,因为原子核中只有一个质子,质子带正电,无论是质子,还是电子都是具有一定质量的,所以两个氢原子组成的氢气才有质量。

原子核里有什么?

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

氢原子核里只有一个质子,但是有的原子中还有中子,中子是不带电的中性粒子。如果缩小到微观世界,站在原子核中,你会发现质子也不是最小的。它由三个更小的颗粒组成,除此之外它们之间好像在传递什么东西。

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

这三个更小的粒子叫做夸克,它们之间传递的物质叫做胶子。你可能觉得这些名字太麻烦了,实际上它们可总结成两种类型的“积木”,一种叫做“费米子”,你可以认为它是需要“花钱”的(需要浪费粮食米的),一种叫做“玻色子”,你可以认为它是不需要“花钱”的(不需要用米换的就是玻色子)。

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

为什么费米子需要拿“米”换?因为它们具有质量,如果它们处于静止状态你可以称出它们的重量,而玻色子就是没有静止质量的粒子。玻色子总是以光速运动,我们看见的光,就是由玻色子中的光子组成的。这两种粒子构成了宇宙中一切我们所知的物质,它们就是物质的“积木块”。

另外三种状态

在更小的尺度,我们重新回答一下氢原子是由什么构成的?电子(费米子)和原子核中的质子,质子又由费米子(夸克)和玻色子(胶子)构成,懂了这些,我们就可以将另外三种状态了。

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

液化罐里装着可燃性气,它是由气体分子构成,把它打入罐内它会变成液体,这个过程相当于增加了压强。因此,除了温度,压强也是决定物质状态的因素之一。

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

当温度达到374摄氏度,在低压情况下,水还是气体,如果在高压下就会一种临界状态,同时具有气体和液体特性,或者说是气液不分的超临界流体。

如果我们继续升温,分子就会开始电离,简单来说就是原子中的外层电子跑了,也就是说此刻的氢原子分成了一个单独带负电的电子和一个带正电的原子核。电子原本老老实实的带在电子核身边,由于外界给予了它能量,激发了它,因此它翅膀硬了,飞走了。此刻我们管这种状态叫做等离子体。

质子由费米子和玻色子组成,那么如果某种物质状态只由玻色子构成,我们就叫它玻色-爱因斯坦凝聚物,如果它只由费米子构成,我们就叫它费米-离子凝聚物。

量子延伸

讲这两种状态之前,我们需要简单介绍一下这两种积木的特性,粒子都会不停的旋转,但是它俩有本质的区别:

费米子,其自旋(或固有角动量)是半整数值:±1/2,±3/2,±5/2,例如电子的自旋为±?,肯定是费米子

玻色子其自旋是整数值:0,±1,±2,

因为这两种本质的差异,费米子需要遵守泡利不相容原理,而玻色子不需要。

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

简单来说,玻色子可以“群居”在同一能级,费米子只能“独居”在不同能级。如果有一个费米子占据了最低的能级,其他费米子再来就不能占据这个能级,只能占据更高的能级。但是还有一个情况两个费米子可以“同居”,但它们必须互补,比如说一个电子是+?,另个一个电子必须是-?,但也仅此而已。

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

对于玻色子来说,它可以不受限制地将任意数量处于最低能态中。不过,这需要一定条件使它们乖乖听话,例如在极低的温度冷却它们,如果达到这种物理条件我们就能得到都处于最低能态的玻色子,这就是物质的第五个状态:玻色-爱因斯坦凝聚体。

氦是由两个质子,两个中子和四个电子组成的原子,因此它满足“同居”的条件,具有玻色子的性质,在足够低的温度下,它会成为一种超流体:一种粘度为零且在其自身或与之相互作用的任何容器之间没有摩擦的流体。这种性质就是玻色-爱因斯坦凝聚赋予它的。

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

在温度极低的导体中,带负电的电子会出现微小的引力。每个粒子都趋向于最低能态。如果一种导电金属降低到一定的温度,自旋相反的两个电子将配对在一起。这种微小的吸引力将使电子成对地散发,而不是让所有电子单独运动,这就是费米-离子冷凝物。费米-离子冷凝物所需的温度低于玻色-爱因斯坦冷凝物,但它也表现为超流体。

物质有六种状态,除了固态、液态、气态,你还知道哪几种?

虽然固体,液体和气体可能是最常见的物质状态,但是在极低的温度下温度升高时,会出现凝结水,具有独特的物理特性。

这就是物质的六种状态!你学会了几个?

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