物质到底有多少种形态

4. 物质到底有多少种形态？

自然界中常见的三副“面孔”

水是自然界中最常见的物质。自古以来，人们就熟知水有“三态”——通常是液体，冬天温度低时水会结冰变成固体，加热时水沸腾又会变成水汽。事实上，我们周围的物质，差不多都属于这三种形态。

化学知识告诉我们，各种物质都是由微观粒子（如分子、原子、离子等）聚集而成。由于微观粒子间作用力的差别，物质的聚集状态也有所不同。气态、液态和固态就是常见的三种聚集状态。

在物质的气、液、固三态中，液态和固态也叫做凝聚态或凝聚相。从客观的性质来看，固体（通常指晶体）具有一定的形状和体积，既不易变形，又不易压缩；液体的形状可随容器的形状而改变，但体积不能轻易作较大的改变，其压缩性很小；气体能自由地扩散，均匀地充满整个空间，又能压缩到较小的容器（如钢瓶）中运输和贮存。

固体又可分为晶体和非晶体两大类（不过，随着科学技术的发展进步，这一“传统”观念也受到了新的“挑战”——2011年10月，以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因发现准晶体而获奖。准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体，准晶体的发现不仅改变了人们对固体物质结构的原有认识，由此带来的相关研究成果也将广泛应用于材料学、生物学等多种有助于人类生产、生活的领域）。绝大多数的固体物质是晶体，例如矿石、金属、合金及许多无机化合物和有机化合物等。晶体一般都有一定的几何外形和固定的熔点。此外，晶体的某些物理性质在不同的方向上是不同的，晶体的这种特征叫做各向异性。例如测试石墨晶体的电导率时发现，在与石墨层平行方向上的电导率数值要比垂直方向的大10⁴倍，说明石墨晶体在不同方向的导电性不同。非晶体如玻璃、沥青、松香等，也叫做无定形物质。它们没有固定的熔点，只有软化的温度范围。无定形物质和液体都是各向同性的，气体也是如此。

在固态和液态之间，还有些物质可以处于一种或多种“中间态”——液晶态。这类材料为数众多，起码超过5000种。目前在实验室中合成的有机化合物，每200种中至少有一种是液晶材料，如联苯、脂、盐基等化学物质都是液晶。依照液晶分子规则排列的方式，又可将其分为向列相、胆甾相和近晶相等类型。液晶分子的形状，1977年以前，人们所知道的只有长形，一般为板条状，就像夏天吃的冰棍里面的那根木条子，两端有比较柔软的“尾链”。后来，人们又在实验室中用圆盘状的分子做出了新的柱形液晶。

液晶的分子虽呈规则排列，却仍如一般液体一样的流动，也就很容易受到电场、磁场、电流、温度、压力等外加力量的影响；一旦通电或加压，就会产生明显的光学效应，这就是液晶显示技术的基本原理（图2-3）。

图2-3　液晶显示器工作原理示意图

液晶自1888年发现至今，已逾一个世纪。近20多年来，液晶理论发展很快，其应用亦日益扩大。目前，液晶显示技术逐步成熟，并在许多领域崭露头角。例如，用液晶作显示屏幕能使图像更清晰。有一种扭转式场效应液晶显示器，已成为各种微型电视、笔记本电脑等不可缺少的显示设备。未来高清晰度电视将改用液晶显示器，日本、美国以及国内一些研究部门都已开始对这项技术进行开发。

运用弧列型液晶技术发展出来的固体薄膜液晶显示器，可以在交通信号、建筑材料等方面使人耳目一新。用它制成的液晶胶合玻璃，就是良好的可控制隐蔽性建材。当没有通电时，有如完全不透明的墙；一旦通电，室内的风光却可变化无穷。某些化合物有多种不同的液晶相，每种液晶可以呈现独特的颜色。当温度改变时，由于液晶不同相之间的转变，导致颜色的显著改变，可用来测定物质表面温度的微小变化，广泛地应用于金属表面探伤、全息照相及医学等方面。还有一种高分子液晶态纺丝，强度比合金钢还要高5倍，在国外已经投产多年。

大有作为的第四态

物质的聚集状态，除了上述常见的三张“面孔”之外，在特定的环境条件下，还可以其他形式存在，等离子体态就是其中最重要的一种。

所谓等离子体，是一种由几乎相等数目的带正电荷的粒子和带负电荷的粒子（即正离子和自由电子）所组成的混合气体。这种集合体可以含有中性粒子，其中的离子可以是部分电离的也可以是完全电离的粒子。由于等离子体是由带电粒子组成的，所以它具有许多为普通固体、液体和纯气体所没有的特殊性质，因此人们又称它为“物质的第四态”。近代天体物理学的研究结果表明，宇宙中可能有99.9％以上的物质是处于等离子体状态的。

自然界中有各种不同温度和密度的等离子体，它们大致可分为高温低密，高温高密和低温高密三类。如果只根据温度不同来划分，则可将其分为两类：太阳表面的氢等离子体、地球大气上层的电离层等属于高温等离子体，它们的温度可以从几千度到几十万度以上；在生产和日常生活中看到的焊接电弧、日光灯、闪电等属于低温等离子体，它们的温度可以从常温到几千度。

等离子体态在19世纪末已经发现。当初，人们并未予以重视。直到20世纪50年代初，研究工作还只限于少数的研究人员和实验室。后来在受控热核聚变研究的刺激之下，等离子体的研究才有了大规模的发展，它的应用领域从原来的气体放电逐步扩大到化学、分子和原子物理、固体物理、天体物理等许多科学和技术以及工业生产之中。

等离子体工业是等离子体技术经过100多年的发展后，于20世纪70年代以来迅速崛起的高新技术产业，包括高温等离子体工程、热等离子体工程、冷等离子体工程及等离子体粒子源四大分支。

高温等离子体工程的工业化应用是使用高温等离子体实现受控核聚变。按约束等离子体方式的不同，受控聚变主要分为两类：磁约束聚变和惯性约束聚变。科学家们认为，2000年左右可望建成第一座热核电站，21世纪可望实现等离子体核聚变能的大规模生产应用。在达到利用丰富、清洁的等离子体核聚变能之前，等离子体工业还为人类提供提高现有能源利用率、降低甚至消除环境污染和开发新型能源的切实有效的途径。热等离子体工程中的磁流体发电是将热能转变成电能的一种发电方式。这种发电方式具有效率高、污染小、启动迅速等优点，可用作特殊应急能源，如风洞电源、激光电源等。鉴于以上优点，继美国阿夫柯公司1959年首次进行磁流体发电实验成功后，日、俄、英等工业化国家都先后开展这项研究。我国的中科院电工研究所一直跟踪国际水平，积极开展以燃煤为目标的磁流体发电研究，是国家“863计划”高科技项目之一。冷等离子体工程中的一个重要领域是着重于环境保护的研究。静电除尘、脱硫脱硝、消毒杀菌、核废料处理是环保的四大难题，而应用冷等离子体技术可以解决这些问题。等离子体离子源工业化工程对不依赖于化石燃料或核燃料的再生能源工业具有决定性作用，其中首推利用太阳能的光伏工程。目前，应用等离子体粒子源已批量、低成本地研制出高效率的光伏电池，成为人类科技发展的又一突破。

此外，在军事领域，等离子体技术也颇具发展潜力。经过多年努力，俄罗斯已经研制出能在导弹飞行途中将其击落的等离子体武器。这是一种集雷达搜索、发现目标和打击目标于一身的反导弹武器，能在瞬间极其准确地击中大量目标，可防御来自太空、高层大气或低层大气的任何袭击（包括各种类型的弹道导弹、飞机、巡航导弹等等）。这项技术还能军民两用，可用于制造臭氧，“修补”臭氧空洞；可用于清除太空垃圾；还可用于对天气起控制作用等等。

有待研究的物质新形态

物质的变化无穷无尽，宇宙的空间亦广漠无垠。随着科学的发展，人们还在不断地探索并发现新的物态。例如，超固态就是人们在宇宙深处发现的又一种新的物态。

当压强达到百万级大气压时，原子结构被破坏，原子外围的电子壳层被挤压到原子核范围，这种状态称为超固态。现代天文学中所谓“超密态物质”的聚集状态即呈超固态。

超密态物质是指处于极高压力下具有极高密度的物质。致密星中的物质便处于高密高压状态。致密星是目前研究十分活跃且引人入胜的领域。自然界中全部四种相互作用（引力、弱力、电磁力和强力）在致密星中都起重要作用，许多新物理观念正荡激着其他物理学分支。

致密星是恒星演化的终结阶段。在核能耗尽后，经引力坍缩，恒星就形成致密星。它主要有三种类型：第一类是白矮星，其物质密度为10⁵~10⁷克/立方厘米。这类星的典型代表是天狼星的著名伴星，即天狼B。第二类是中子星，其物质密度约为10¹³~10¹⁶克/立方厘米。脉冲星就是一种中子星（脉冲星的发现曾震动天文界和物理界，被誉为20世纪60年代四大发现之一，并荣获1974年诺贝尔物理学奖）。第三类是黑洞。在宇宙中寻找黑洞，已成为今日科学的一个前沿阵地。

物质世界，还有没有其他形态呢？有科学家提出，根据现今的粒子相互作用理论，在上述各类物质的质量间隔中，还有可能存在反常中子星和层子星（夸克星）等。通过用非常高的能量的重原子核碰撞实现夸克、胶子等离子体，将有可能为探讨寻找夸克星、发现微观物质存在的新形态提供新线索。