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物质的相
关于物质的形态我们应该如何去描述,现代物理学已经给出了基本的定义和测量方法。
如今我们已经知道,所有物质都是由原子构成,无论是金属还是木头,它们都有自己独特数量的质子、中子、和电子。
例如氧气有8个质子,8个中子,8个电子,而氢则只有1个质子和1个电子,单个原子可以和其他原子结合形成分子。
例如水分子,氢氧原子结合便产生2个氢原子核1个氧原子。
无论分子的类型如何,物质通常以固体、液体或是气体的形式存在,科学中我们称之为“相”。
在固相中,分子通过分子力彼此紧密结合,由此形成固体并保持形状,固体体积则是由固体的形状决定。
在液态中,分子力比在固体中弱。
因此液体会在重力场中呈现出具有自由表面的容器形状,在微重力下,液体在自由表面内形成一个球。
但无论重力如何,液体都有其固定的体积。
而在气相中,分子力非常弱,以至于它们很容易受到外界环境影响。
气体可以充满容器,并具有容器的形状和体积。对于相态来讲,常规的三种相并不是完全固定的,其中还有流体的存在。
相态在今天已经有十多种,受压力、温度的影响,同一种物质会表现出不同的相态。
超低温状态下,物质相被称为低温态,尤其是温度越接近绝对零度的时候,由于原子振动几乎停止,其性能便会发生极大的改变。
最经典的案例便是超导体,超导体则是低温下存在的独特物理状态,并且电阻几乎为零,因此具有完美的导电性。
随着现代物理的发展,人类的科学仪器以及实验手段越来越丰富,我们发现的相也越来越多。
例如超流体、玻色-爱因斯坦凝聚态、高能态等等。
尽管这些相态我们可以通过知识学习去了解,但是大部分应用场景都十分苛刻,并且在日常生活中也接触得很少。
那么在我们常见的现象中,例如光和火焰,它们的相又是如何的呢?
火焰是什么
火和光在现实生活中再常见不过了,它们伴随着人类生活的每一分钟,有了火焰就会有光。现在我们先来聊聊关于火的形态。
当我们思考火的形态时,固体、液体还是气体,这些概念或许会在我们脑中停留许久。
火看起来像气体又像液体,固体肯定谈不上,但它究竟是什么?
简单来讲,火是白炽气体混合物中的化学反应,通常会在高温下发光。
但是不同混合物燃烧的火焰并不同,火的状态取决于燃烧的材料,几乎每种火的化学成分都是不同的。
另外,火焰会在燃烧过程中不断地消耗能量,最终燃烧殆尽。
因此,它并不像固体、液体和气体那样可以无限期的以相同的状态存在。
火焰的能量释放,或者说它的温度能够直观地表现出自身的形态。
科学家如今将火归为物质的第四形态,等离子体。
但在这之前,人们只是将火焰单独放在一边,因为很难说它到底是什么形态。
火焰的表现被归为等离子体,主要还是因为它的温度,或者说能量释放。
等离子体很大一部分是带电粒子,离子或电子。
这些带电粒子的存在使得等离子体与其他物质的基本状态区分开来,电子在原子核周围会有更多的“活动空间”,而不是像其他3种相态那样有着固定的特定位置。
它更像是一种粒子云,而不是任何其他类型的物质。虽然等离子体确实与气体有着相似的地方,但它与气体完全不同。
这是因为自由电子之间彼此缺乏亲和力,因此它们之间没有持续的物理接触。
这也就意味着等离子可以像液体或流体一样流动并在特定区域组成。
不过要想构建等离子体,必须满足电离的要求,换句话说,等离子体使一种电离气体,它能够反射无线电波等低频电磁波。
火焰中的粒子活动会影响电磁场的变化,足够强的火焰能够屏蔽电磁场。
之所以这样,是因为足够多的负电电子和带正电的离子是局部自由的。
正如刚才所说,它们的物理行为导致了它们能够对入射电厂做出强烈反应,并会出现移动来抵消这些电场。
从这一方面来看,它是一中定义更加严格的气体。
在火焰中,空气中的原子发生电离,因为火焰的温度高到足以让原子出现相互碰撞,并且剥离电子。
所以,在火焰中,电离量取决于温度。此外,其他机制也可能导致电离。
例如闪电,高强度的电流会导致电离现象出现,而在电离层中,阳光会导致电离。
所以综合这几个方面来看,火焰必须在严格标准下,也就是在一个温度梯度或者说温度范围中,它才能被称之为等离子体。
日常生活中我们常见的普通打火机、蜡烛什么的,它们的温度最多摄氏度,但这样的温度太低并不能产生大量离子。
因此从这方面来讲,这两种火焰并不是等离子体。
值得一提的是,我们在火焰中看到的光亮和颜色,这是因为火焰中有燃烧不充分的燃料颗粒,它并不是等离子火焰产生的。
这些颗粒非常炙热,以至于它们能够发出光。所以在化学实验中,我们将火焰放入氧气充分的环境中,燃烧效果会更加耀眼。
有人可能会说极光、霓虹灯也是等离子体。不过它们内部气体很稀薄,单位体积的物质非常少,所以不能产生宏观高温。
光的表现
说完了火焰,现在我们再来简单地讨论一下光,它是什么形态。
对于光来讲,光的复杂程度不亚于火焰。而它也是火焰的一部分。
在物理定义中的光,可以泛指任何波长的电磁辐射,例如伽马射线、X射线、微波或者无线波。
不过光的主要特性在于强度和传播方向,以及频率或波长光谱和偏振。
可见光通过光子(无质量粒子)传播,光子代表电磁场的量子,可以作为波和粒子进行分析。
电磁波经过加速的带电粒子发射,这些波随后便能与其他带电粒子相互作用,并为此施加力。
但光太复杂了,直到今天,科学家仍在激烈的讨论。为了解释光的性质,由此出现了波粒二象性理论。
不过我们从光源这块来看,前面我们说到火焰中的自由带电粒子,它们的减速便可以产生可见辐射。
不同辐射带来的便是电磁光谱中展现的那样,任意电磁波可以通过傅里叶分析表示为正弦单色波。
而这些单色波又可以分别分类到电磁辐射频谱区域中。
光子的能量表现也从另一个方面影响着光,如果波长或能量超过普朗克能量的光子,则需要新的理论进行描述。
事实上,人类真正认识光也不过多年,经过物理体系的不断构建和完善,对光的研究也越来越丰富。
因此,要想描述光,我们必须将描述环境进行严格细分。
例如可见光和不可见光,对光的描述更多就侧重于电磁波和电磁辐射。而在量子物理中,光被看作为波和粒子的共同体。
如今物理学家已经认识到,光不属于任何形态,电磁辐射在较低频率下会表现得更像经典波,但在较高频率下更像是经典粒子。
围绕人类文明发展的火和光,从发现的第一天起,人类便注定要踏上漫无止境的求知之旅。