物質(zhì)有幾態(tài)

劉樹田

大千世界,物質(zhì)紛呈。各種物質(zhì)均處于一定的狀態(tài)之中,物質(zhì)所處的狀態(tài)簡(jiǎn)稱為物態(tài)。所謂物態(tài),就是指物質(zhì)在一定條件下所處的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。研究物態(tài)及其變化規(guī)律是物理學(xué)的基本任務(wù)之一，隨著物理學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)物態(tài)的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越全面，越來(lái)越深刻。下面我們就來(lái)簡(jiǎn)要地了解一下，迄今為止人們對(duì)物態(tài)的一些研究成果。

傳統(tǒng)說(shuō)法：物質(zhì)有三態(tài)

按傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，物質(zhì)有三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。當(dāng)組成物質(zhì)的原子或分子距離很近時(shí)，分子間的引力和斥力都很大，由于強(qiáng)大的分子力的約束，原子或分子只能在各自的平衡位置做振幅微小的無(wú)規(guī)則振動(dòng)，此時(shí)物質(zhì)能夠保持一定的體積和形狀，這就是固態(tài)；當(dāng)原子或分子的分子間距離相當(dāng)大時(shí)（如大于分子直徑的10倍以上），原子或分子間的作用力可以忽略不計(jì)，這時(shí)原子或分子可以自由地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，既沒(méi)有固定的形狀也沒(méi)有固定的體積，這就是氣態(tài)；如果原子或分子間的距離既不像固態(tài)時(shí)那樣小，也不像氣態(tài)時(shí)那樣大，物質(zhì)就表現(xiàn)為有一定的體積但沒(méi)有固定的形狀，這就是液態(tài)。以上物態(tài)分類簡(jiǎn)單明了，似乎也很全面。其實(shí)不然，隨著對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)這樣的分類過(guò)于籠統(tǒng)且不夠全面。

對(duì)傳統(tǒng)三態(tài)說(shuō)的質(zhì)疑

首先，固態(tài)和液態(tài)之間往往沒(méi)有嚴(yán)格的界線。固體分為晶體和非晶體。晶體有確定的熔點(diǎn)（如在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1013.25百帕下，冰的熔點(diǎn)是0℃），從微觀上看，組成晶體的粒子排列是非常規(guī)則的；而非晶體既沒(méi)有規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有確定的熔點(diǎn)，其熔解過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)從固態(tài)軟化為液態(tài)的過(guò)程（軟化過(guò)程的溫度范圍稱為軟化溫度)。當(dāng)非晶體處在它的軟化溫度范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)法確定物質(zhì)是處于固態(tài)還是液態(tài)。那么，這是什么態(tài)呢？

其次，按傳統(tǒng)的三態(tài)說(shuō)，膠體的歸宿也成了問(wèn)題。人們把分散相微粒的直徑在1～100納米之間的分散體系叫做膠體。膠體的性質(zhì)既不同于固體也不同于液體，屬于介于固態(tài)和液態(tài)之間的一種中間狀態(tài)。

再次，有一種懸浮液，它在電場(chǎng)的作用下可發(fā)生液體—固體的轉(zhuǎn)變。當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度大大低于某個(gè)臨界值時(shí)，它呈液態(tài)；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大大高于這個(gè)臨界值時(shí)，它就變成固態(tài)；在電場(chǎng)強(qiáng)度的臨界值附近， 這種懸浮液的黏滯性隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而變大，這時(shí)很難說(shuō)它是呈液態(tài)還是呈固態(tài)。

最后，人們?cè)趯?duì)宇宙和微觀領(lǐng)域研究過(guò)程中，一些新的物質(zhì)形態(tài)不斷被發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的三態(tài)說(shuō)無(wú)法對(duì)新的物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行描述，因此，對(duì)物態(tài)分類進(jìn)行修正和完善就成為歷史發(fā)展的必然。

新的分類：物質(zhì)有六態(tài)

1. 凝聚態(tài)。為了消除一些物質(zhì)狀態(tài)無(wú)定論的尷尬，人們把固態(tài)、液態(tài)和介于兩者之間的各種狀態(tài)，以及稠密氣體的物態(tài)統(tǒng)稱為物質(zhì)的凝聚態(tài)。之所以把這些狀態(tài)統(tǒng)稱為凝聚態(tài)，是因?yàn)檫@些狀態(tài)物質(zhì)中的粒子（原子、離子、分子）間均存在相互作用，粒子間的相互作用力對(duì)物態(tài)的存在起了主導(dǎo)作用，因此可以用統(tǒng)一的規(guī)律加以描述。

2. 氣態(tài)。物質(zhì)的氣態(tài)在這里專指稀薄氣體的物態(tài)。氣態(tài)物質(zhì)中粒子間的相互作用非常小，近似地可以忽略不計(jì)。

3. 等離態(tài)。當(dāng)氣體分子的能量進(jìn)一步增大，分子運(yùn)動(dòng)更加劇烈時(shí)，氣體分子高度電離成正離子和電子的混合集團(tuán)，這種狀態(tài)稱為等離態(tài)。等離體由帶正電的離子和帶負(fù)電的電子，也可能還有一些中性的原子和分子所組成，粒子的運(yùn)動(dòng)是完全無(wú)規(guī)則的。

4. 超固態(tài)。當(dāng)壓強(qiáng)超過(guò)10²⁴大氣壓，密度超過(guò)10¹⁴～10¹⁵ 千克／米3時(shí)，原子坍塌了，原子外圍的電子被擠壓到原子核的范圍，這種狀態(tài)稱為超固態(tài)。在宇宙中，這種狀態(tài)的物質(zhì)廣泛存在。超固態(tài)又可分為性質(zhì)完全不同的中子態(tài)和黑洞，在宇宙空間中已經(jīng)觀察到了這兩種物態(tài)的存在：當(dāng)核外電子被擠壓進(jìn)原子核內(nèi)，與核內(nèi)質(zhì)子結(jié)合成中子時(shí)，物質(zhì)轉(zhuǎn)變成中子氣狀態(tài)，稱為中子態(tài)，中子星就處于這種狀態(tài)中；若恒星的質(zhì)量很大，最終它就會(huì)坍塌為黑洞。黑洞的密度比中子星的密度大得多，在黑洞內(nèi)引力非常強(qiáng)，任何物質(zhì)（包括光）都不能從中逸出，而外界的物質(zhì)卻能被吸入其中。人們可以借助黑洞對(duì)外界的引力作用，探測(cè)黑洞的存在。

5. 粒子態(tài)。當(dāng)?shù)入x體被徹底電離時(shí)，核外電子完全被剝離，形成原子核和電子的混合集團(tuán)。這時(shí)如果等離體的能量繼續(xù)增加，就可能導(dǎo)致原子核也分裂為自由的質(zhì)子和中子，形成由基本粒子組成的粒子氣狀態(tài)，稱為粒子態(tài)。如真空中的電磁波，亦即光子氣，是自然界中常見(jiàn)的粒子態(tài)物質(zhì)?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室里有可能在小范圍短暫的時(shí)間內(nèi)制造出粒子態(tài)物質(zhì)，如將一團(tuán)氫氣中的氫分子完全離解和電離，就形成了由質(zhì)子和電子組成的粒子態(tài)的氫。

6. 夸克態(tài)。粒子態(tài)往下一個(gè)層次的物態(tài)應(yīng)該是粒子分解成夸克而形成夸克氣的態(tài)，稱為夸克態(tài)。由于在實(shí)驗(yàn)中尚未發(fā)現(xiàn)自由夸克，因此夸克態(tài)是否存在尚有待實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。

人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)是不可窮盡的，揭示自然界規(guī)律的理論總是被不斷修正和逐步完善的?？梢钥隙ǎ藗冄芯课镔|(zhì)形態(tài)的步伐不會(huì)止于此，而會(huì)一直向前走。