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物质有固体、液体和气体三种形态,火是什么态?光又是什么态?

火是人类最伟大的发现却是毫无疑问的,因为现代社会几乎都建立在火之上,无论是烧饭烧水,还是出行的交通工具,甚至天上的飞机和向外太空探测的火箭,都少不了火的存在

尽管火被人类利用准确时间已经难以考证,但火是人类最伟大的发现却是毫无疑问的,因为现代社会几乎都建立在火之上,无论是烧饭烧水,还是出行的交通工具,甚至天上的飞机和向外太空探测的火箭,都少不了火的存在,所以人类文明史就是一部变着法子用火的历史!现代科学告诉我们物质有固液气三态,但问题是火和它发出来的光到底是个什么态?

物质的组成和形态

自然界是由物质组成的,我们知道不同的物质有不同的原子组成,原子的不同关键在于原子核有差异,而原子核的差异则是由中子和质子组合的数量差引起,当然外部核外电子也很关键,因为原子的化学属性主要有核外电子所决定。

物质的三态

物质的形态跟元素的属性有关,大部分物质在足够低的温度下,粒子之间的运动降低,原子组成的物质分子之间的距离缩小,会呈现固态,简单的说就是结冰了,当然固体不存在这个情况,它的分子间作用力很强,本来就是固态!当温度逐渐升高,粒子运动增加,距离也增加,那么就会出现液态的情况,当然温度继续增加,分子运动非常剧烈,距离大幅增加,物质的状态就成了气态。

当然各种物质并不能如此简单的概括,比如水在沸腾时除了克服范德华力外,还需要破坏氢键,而溴在沸腾时,只是破坏了范德华力,分子内的共价键不受影响,但用来做个比方理解下并没有什么问题。

等离子态

当温度继续增加,电子获得能量将会辐射电磁波,这就是高温下物体发光的原因,再加热电子将会游离成为等离子体,有人称之为超气态,等离子体由克鲁克斯在1879年发现,“Plasma"这个词,则由朗廖尔在1928年最早采用。

物质的极端形态

当然除了物质的第四的等离子态外还有第五态玻色-爱因斯坦凝聚态和第六态费米子凝聚态,因为跟火焰实在相差太远,下面简单来介绍下两种物质状态。

玻色-爱因斯坦凝聚态:玻色子在极低温下处于同一基态而形成的一种超流物质态,1995年沃夫冈·凯特利与埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用气态的铷原子在170 nK的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。在这种状态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态。

费米子凝聚态,与玻色子可以处在同一基态不一样,费米子存在不相容原理,所以无法形成玻色-爱因斯坦凝聚态,但上述三位科学家在2004年利用库柏对的机制,将费米子结合在了一起,形成了与玻色子性质类似“费米子”。这些费米子可以在温度达到极限的时,慢慢占据最低能态。

当然也有说中子态,但其实中子态已经超脱了物质的状态,因为中子这种没有质子的元素无法定义成任何物质,而且它的密度高达原子核,所以这种形态地球上不存在而又处处存在(原子核就是,但原子核都有质子,或者核反应堆中自由中子,但它会衰变)

火到底是什么形态?光又是什么态?

普通火焰的形态比较难定义,有很多朋友认为火焰是一个低温等离子态,但其实并不是,因为真正处于等离子态的只有在火焰面那一个小小的薄层才是等离子体,而且这个薄层的带电粒子密度极低,体积摩尔分数大概在e-8的量级上!

而更多的其他区域则是可燃物与助燃剂形成的一个化学反应区域,但这个区域是动态的,因为能被称之为火焰的化学反应都会释放出大量的能量,因此在这个区域中气体流场比较复杂,比如在地球上的火焰看起来是大致是向上的(局部流场会比较复杂,如果燃烧区域大的话会更复杂),因为热空气上升,周围冷空气会自然过来补充,形成一个连续化学反应的流场。

但在失重状态下,这个自然对流过程将会被破坏,因为再也不会存在热空气上升这个概念,所以火焰会呈球形,而且燃烧反应生成的废气会粘滞在周围,使焰心得不到氧化剂而熄灭。

NASA太空燃烧实验FLEX1

当然添加了电离增强物质的火焰后,等离子态的比例会大大增加,因此可以让它直接高速通过磁场,等离子体的离子和电子分别在磁场中发生偏转向对应的正负极,直接从等离子体中获得电流,这就是穿梭中的磁流体发电机,这种结构的发电机没有运动部件,效率极高,但缺点是磁体和正负电极需要在极高温下工作,这在技术上是一个难题。

所以各位要将火焰定义为等离子态也问题不大,因为它确实有等离子态。将它确定为化学反应的动态流场也可以,因为绝大部分火焰都是这样,怎么定义都不是问题,理解了之后只要你喜欢就好!

光是什么态?

大部分刚都是核外电子受激辐射所发出的,所以按电磁辐射传播来看,光并不是一种物质形态,而是能量的一种传播形式,地球获取的辐射能都是由“光”代为传达,因为广义上的光包括了整个电磁波谱!但从另一个意义上来理解更有意思,光子属于玻色子,而玻色子在极端低温下比如接近绝对零度的状态下理论上能形成玻色-爱因斯坦凝聚态,1995年三位科学家用的是气态的铷原子在极端条件下制造成功。

当然这存在相当大的难度,而且玻色-爱因斯坦凝聚态非常不稳定,因为这种状态会在外界世界存在的极其微小作用就足以使它们加热到超出临界温度,所以更难得光子的玻色-爱因斯坦凝聚态只能在理论上来推测,假如要真正定义的话,它就是一种超流体,也就是超流体的光!

不过在2016年澳大利亚新南威尔士大学和国立大学的研究团队使用了一个绝佳的办法,利用人工智能来控制极端苛刻的温度和控制原子逃逸的激光束。也许在不远的未来,我们真的能实现超流体状态的光,使得流光溢彩真正成为可能!

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