物质状态(State of matter)是指一种物质出现不同的相。物质是由
分子、
原子构成的。通常所见的
物质有三态:
气态、液态、固态。另外,物质还有“
等离子态”、“
超临界态”“
超固态”以及“
中子态”等。
1. 物的本体;器物的形体。
严格地说,物理上的固态应当指“结晶态”,也就是各种各样晶体所具有的状态。最常见的晶体是食盐(化学成份是氯化钠,
化学符号是NaCl)。你拿一粒食盐观察(最好是粗制盐),可以看到它由许多立方形晶体构成。如果你到地质博物馆还可以看到许多颜色、形状各异的规则晶体,十分漂亮。物质在固态时的突出特征是有一定的体积和
几何形状,在不同方向上物理性质可以不同(称为“
各向异性”);有一定的熔点,就是熔化时温度不变。
在固体中,分子或
原子有规则地周期性排列着,就像我们全体做操时,人与人之间都等距离地排列一样。每个人在一定位置上运动,就像每个分子或原子在各自固定的位置上做振动一样。我们将晶体的这种结构称为“
空间点阵”结构。
液体有流动性,把它放在什么形状的容器中它就有什么形状。此外与固体不同,液体还有“
各向同性”特点(不同方向上物理性质相同),这是因为,物体由固态变成液态的时候,由于温度的升高使得分子或
原子运动剧烈,而不可能再 保持原来的固定位置,于是就产生了流动。但这时分子或原子间的吸引力还比较大,使它们不会分散远离,于是液体仍有一定的体积。实际上,在液体内部许多小的区域仍存在类似晶体的结构——“类晶区”。流动性是“类晶区”彼此间可以移动形成的。我们打个比喻,在柏油路上送行的“车流”,每辆汽车内的人是有固定位置的一个“类晶区”,而车与车之间可以相对运动,这就造成了车队整体的流动。
液体加热会变成
气态。这时分子或原子运动更剧烈,“类晶区”也不存在了。由于分子或原子间的距离增大,它们之间的引力可以忽略,因此气态时主要表现为分子或原子各自的无规则运动,这导致了我们所知的气体特性:有流动性,没有固定的形状和体积,能自动地充满任何容器;容易压缩;
物理性质“
各向同性”。
原子是由
原子核和电子组成的,通常情况下电子都围绕着原子核旋转。然而在几千摄氏度以上的高温中,
气态的原子开始抛掉身上的电子,于是带
负电的电子开始自由自在地游逛,而原子也成为带正电的离子。温度愈高,气体原子脱落的电子就愈多,这种现象叫做气体的
电离化。科学家把电离化的气体,叫做“
等离子态”。除了高温以外,用强大的紫外线、
X射线和丙种射线来照射气体,也可以使气体转变成等离子态。也许你感到这种等离子态很稀罕吧!其实,在广漠无边的宇宙中,它是最普遍存在的一种形态。因为宇宙中大部分的发光的星球,它们内部的温度和压力都高极了,这些星球内部的物质几乎都处在等离子态。这是物质的第四种状态。处于等离子态的物质,电子与
原子核“身首异处”,彼此离开。
在
白矮星里面,压力和温度更高了。在几百吉帕气压的压力下,不但原子之间的空隙被压得消失了,就是原子外围的
电子层也都被压碎了,所有的
原子核和电子都紧紧地挤在一起,这时候物质里面就不再有什么空隙,这样的物质,科学家把它叫做“
超固态”。白矮星的内部就是充满这样的超固态物质。在我们居住着的地球的中心,那里的压力达到350吉帕左右,因此也存在着 一定的超固态物质。
假如在超固态物质上再加上巨大的压力,那么原来已经挤得很紧的
原子核和电子,就不可能再紧了,这时候原子核只好宣告解散,从里面放出
质子和中子。从原子核里放出的质子,在极大的压力下会和电子结合成为中子。这样一来,物质的构造发生了根本的 变化,原来是原子核和电子,现在却都变成了中子。这样的状态,叫做“
中子态”。中子态物质的密度更是吓人,它比超固态物质 还要大十多万倍呢!一个火柴盒那么大的中子态物质,重30亿吨,要有960000多台重型火车头才能拉动它!在宇宙中,估计只有少 数的恒星,才具有这种形态的物质。