超固态

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物质的10种物态

在自然界中，我们看到物质以各种各样的形态存在着：花

虫鸟兽、山河湖海、不同肤色的人种、各种美丽的建筑大到

星球宇宙，小到分子、原子、电子等极微小的粒子，真是千姿

百态斗奇争艳。大自然自身的发展，造就了物质世界这种绚丽

多彩的宏伟场面。物质具体的存在形态有多少，这的确是难以

说清的。但是，经过物理学的研究，千姿百态的物质都可以初

步归纳为两种基本的存在形态：实物和场。实物具有的

共同特点是：质量集中在某一空间，一般有比较确定的界面

（气体的界面虽然模糊，但它又是由一个个实物粒子构成）。

本文开头所举的各例都属于实物。场则是看不见摸不着的物

质，它可以充满全部空间，它具有可入性。例如大家熟知的

电磁波，它可以将电台天线发射的信号通过空间传送到千家万

户的收音机或电视机。可以概括地说，场是实物之间进行相

互作用的物质形态。什么是物态呢？日常所知的固态、液态

和气态就是三种物态。为什么要有物态的概念？因为实物

的具体形态太多了，将它们归纳一下能否分成较少的几类？这

就产生了物态的概念。物态是按属性划分的实物存在的基

本形态，它都表现为大量微小物质粒子作为一个大的整体而存

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在的集合状态。以往人们只知道有固态、液态和气态三种物

态，随着科学的发展，在大自然中又发现了多种物态。入类

迄今知道的物态已达10余种之多。日常生活中最常见的物

质形态是固态、液态和气态，从构成来说这类状态都是由分子

或原子的集合形式决定的。由于分子或原子在这三种物态中运

动状况不同，而使我们看到了不同的特征。1.固态严格地说，

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作振动

一样。我们将晶体的这种结构称为空间点阵结构。2．液态

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

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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。3．气态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。显然，液态是处于固态

和气态之间的形态。4．非晶态特殊的固态普通玻璃是固体

吗？你一定会说，当然是固体。其实，它不是处于固态（结晶

态）。对这一点，你一定会奇怪。这是因为玻璃与晶体有不同

的性质和内部结构。你可以做一个实验，将玻璃放在火中加

热，随温度逐渐升高，它先变软，然后逐步地熔化。也就是说

玻璃没有一个固定的熔点。此外，它的物理性质也各向同

性。这些都与晶体不同。经过研究，玻璃内部结构没有空间

点阵特点，而与液态的结构类似。只不过类晶区彼此不能

移动，造成玻璃没有流动性。我们将这种状态称为非晶态。

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严格地说，非晶态固体不属于固体，因为固体专指晶体；它

可以看作一种极粘稠的液体。因此，非晶态可以作为另一种

物态提出来。除普通玻璃外，非晶态固体还很多，常见的有

橡胶、石蜡、天然树脂、沥青和高分子塑料等。5．液晶态结

晶态和液态之间的一种形态液晶现在对我们已不陌生，它在

电子表、计算器、手机、传呼机、微型电脑和电视机等的文字

和图形显示上得到了广泛的应用。液晶这种材料属于有机化

合物，迄今人工合成的液晶已达5000多种。这种材料在一定

温度范围内可以处于液晶态，就是既具有液体的流动性，又

具有晶体在光学性质上的各向异性。它对外界因素（如热、

电、光、压力等）的微小变化很敏感。我们正是利用这些特

性，使它在许多方面得到应用。上述几种物态，在日常条件

下我们都可以观察到。但是随着物理学实验技术的进步，在超

高温、超低温、超高压等条件下，又发现了一些新物态。

6．超高温下的等离子态这是气体在约几百万度的极高温或在

其它粒子强烈碰撞下所呈现出的物态，这时，电子从原子中游

离出来而成为自由电子。等离子体就是一种被高度电离的气

体，但是它又处于与气态不同的物态等离子态。太阳及

其它许多恒星是极炽热的星球，它们就是等离子体。宇宙内大

部分物质都是等离子体。地球上也有等离子体：高空的电离

层、闪电、极光等等。日光灯、水银灯里的电离气体则是人造

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的等离子体。7．超高压下的超固态在140万大气压下，物质

的原子就可能被压碎。电子全部被挤出原子，形成电子气

体，裸露的原子核紧密地排列，物质密度极大，这就是超固

态。一块乒乓球大小的超固态物质，其质量至少在1000吨以

上。已有充分的根据说明，质量较小的恒星发展到后期阶段的

白矮星就处于这种超固态。它的平均密度是水的几万到一亿

倍。8．超高压下的中子态在更高的温度和压力下，原子核也

能被压碎。我们知道，原子核由中子和质子组成，在更高的

温度和压力下质子吸收电子转化为中子，物质呈现出中子紧密

排列的状态，称为中子态。已经确认，中等质量（1.44～2

倍太阳质量）的恒星发展到后期阶段的中子星，是一种密度

比白矮星还大的星球，它的物态就是中子态。更大质量恒星

的后期，理论预言它们将演化为比中子星密度更大的黑洞，

目前还没有直接的观测证实它的存在。至于黑洞中的超高压

作用下物质又呈现什么物态，目前一无所知，有待于今后的观

测和研究。物质在高温、高压下出现了反常的物态，那么在低

温、超低温下物质会不会也出现一些特殊的形态呢？下面讲到

的两种物态就是这类情况。9．超导态超导态是一些物质在超

低温下出现的特殊物态。最先发现超导现象的，是荷兰物理学

家卡麦林昂纳斯（1853～1926年）。1911年夏天，他用水银

做实验，发现温度降到4.173K的时候（约-269℃），水银开

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始失去电阻。接着他又发现许多材料都又有这种特性：在一定

的临界温度（低温）下失去电阻（请阅读低温和超导研究的

进展专题）。卡麦林昂纳斯把某些物质在低温条件下表现出

电阻等于零的现象称为超导。超导体所处的物态就是超导

态，超导态在高效率输电、磁悬浮高速列车、高精度探测仪

器等方面将会给人类带来极大的益处。超导态的发现，尤其是

它奇特的性质，引起全世界的关注，人们纷纷投入了极大的力

量研究超导，至今它仍是十分热门的科研课题。目前发现的超

导材料主要是一些金属、合金和化合物，已不下几千种，它们

各自对应有不同的临界温度，目前最高的临界温度已达到

130K（约零下143摄氏度），各国科学家正在拼命努力向室温

（300K或27℃）的临界温度冲刺。超导态物质的结构如何？

目前理论研究还不成熟，有待继续探索。10．超流态超流态是

一种非常奇特的物理状态，目前所知，这种状态只发生在超低

温下的个别物质上。1937年，前苏联物理学家彼得列奥尼多

维奇卡皮察（1894～1984年）惊奇地发现，当液态氦的温度

降到2.17K的时候，它就由原来液体的一般流动性突然变化为

超流动性：它可以无任何阻碍地通过连气体都无法通过的极

微小的孔或狭缝（线度约10万分之一厘米），还可以沿着杯

壁爬出杯口外。我们将具有超流动性的物态称为超流态。

但是目前只发现低于2.17K的液态氦有这种物态。超流态下的

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物质结构，理论也在探索之中。上面介绍的只是迄今发现的

10种物态，有文献归纳说还存在着更多种类的物态，例如：

超离子态、辐射场态、量子场态，限于篇幅，这里就不一一列

举了。我们相信，随着科学的发展，我们一定会认识更多的物

态，解开更多的谜，并利用它们奇特的性质造福于人。