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物质结构理论

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。

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”。人类迄今知道的“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。

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。

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”。

显然,液态是处于固态和气态之间的形态。

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”。

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。

“液晶”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”。

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的等离子体。

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。

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”,但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,我们一无所知,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。

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。全世界已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℃),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?研究还不成熟,有待继续探索。

超流态是一种非常奇特的物理状态,科学家认为,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”。但全世界只发现低于2.17K的液态氦有这种物态。超流态下的物质结构,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类。

玻色-爱因斯坦凝聚是原子在冷却到绝对零度附近时所呈现出的一种气态的、超流性的物态。1995年科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克康奈尔和卡尔威曼使用气态的铷原子在170纳开尔文的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。在这种状态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态

所有原子的量子态都束聚于一个单一的量子态的状态被称为玻色凝聚或玻色-爱因斯坦凝聚。

1920年代玻色和阿尔伯特爱因斯坦在玻色的关于光子的统计力学的研究的基础上对这个状态做了预言。2005年7月22日乌得勒支大学的学生罗迪玻因克在保罗埃仑费斯特的个人挡案中发现了1924年12月爱因斯坦手写的原文的草稿。玻色和爱因斯坦的研究的结果是遵守玻色-爱因斯坦统计的玻色气体。玻色-爱因斯坦统计是描写玻色子的统计分布的理论。玻色子,其中包括光子和氦-4之类的原子,可以分享同一量子态。爱因斯坦推测将玻色子冷却到非常低的温度后它们会“落入”(“凝聚”)到能量最低的可能量子态中,导致一种全新的相态。

一个单纯的三维的气体的临界温度为(气体处在的外部势能是恒定的):

玻色-爱因斯坦凝聚态

其中:

Tc临界温度

n粒子密度

m每个玻色子的质量

h普朗克常数

kB玻尔兹曼常数

ζ黎曼ζ函数:ζ(3/2)≈2.6124.

玻色-爱因斯坦凝聚态

1938年彼得卡比萨、约翰艾伦和冬麦色纳(DonMisener)发现氦-4在降温到2.2开尔文时会成为一种叫做超液体的新的液体状态。超液的氦有许多非常不寻常的特征,比如它的黏度为零,其漩涡是量子化的。很快人们就认识到超液体的原因是玻色-爱因斯坦凝聚。事实上,康奈尔和威曼发现的气态的玻色-爱因斯坦凝聚呈现出许多超液体的特性。但一般氦-4不被看作是玻色-爱因斯坦凝聚,因为它是液态的,液态的原子之间的相互作用比较强,初始的玻色-爱因斯坦理论必须被强烈改变后才能用来描写超液体。

最早的“真正”的玻色-爱因斯坦凝聚是康奈尔和威曼及其助手在天体物理实验室联合研究所于1995年6月5日制造成功的。他们使用激光冷却和磁阱中的蒸发冷却将约2000个稀薄的气态的铷-87原子的温度降低到170nK后获得了玻色-爱因斯坦凝聚。四个月后,麻省理工学院的沃尔夫冈凯特勒使用钠-23独立地获得了玻色-爱因斯坦凝聚。凯特勒的凝聚较康奈尔和威曼的含有约100倍的原子,这样他可以用他的凝聚获得一些非常重要的结果,比如他可以观测两个不同凝聚之间的量子衍射。2001年康奈尔、威曼和凯特勒为他们的研究结果共享诺贝尔物理奖。

康奈尔、威曼和凯特勒的结果引起了许多试验项目。比如2003年11月因施布鲁克大学的鲁道尔夫格里姆、科罗拉多大学鲍尔德分校的德波拉金和凯特勒制造了第一个分子构成的玻色-爱因斯坦凝聚。

与一般人们遇到的其它相态相比玻色-爱因斯坦凝聚非常不稳定。与外界世界的极其微小的相互作用足以使它们加热到超出临界温度,分解为单一原子的状态。因此在近时内不太可能为它们找到什么实际应用。

虽然玻色-爱因斯坦凝聚很难理解也很难制作,但它们也有许多非常有趣的特性。比如它们可以有异常高的光学密度差。一般来说凝聚的折射系数是非常小的因为它的密度比平常的固体要小得多。但使用激光可以改变玻色-爱因斯坦凝聚的原子状态,使它对一定的频率的系数骤增。这样光速在凝聚内的速度就会骤降,甚至降到数米每秒。

自转的玻色-爱因斯坦凝聚可以作为黑洞的模型,入射的光不会逃离。凝聚也可以用来“冻结”光,这样被“冻结”的光在凝聚分解时又会被释放出来。

玻色-爱因斯坦凝聚态

这个新的第五态的发现还得从1924年说起,那一年,年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文,提出了一种关于原子的新的理论,在传统理论中,人们假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的,我们可以给一个原子取名张三,另一个取名李四……,并且不会将张三认成李四,也不会将李四认成张三。然而玻色却挑战了上面的假定,认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子(如两个氧原子)有什么不同。

玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视,他将玻色的理论用于原子气体中,进而推测,在正常温度下,原子可以处于任何一个能级(能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列),但在非常低的温度下,大部分原子会突然跌落到最低的能级上,就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方,练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”,于是他们迅速集合起来,像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。

然而,实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾:一方面需要达到极低的温度,另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢?这实在令无数科学家头疼不已。

后来物理学家使用稀薄的金属原子气体,金属原子气体有一个很好的特性:不会因制冷出现液态,更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象找到了,下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。由于激光冷却技术的发展,人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。这样的实验系统经过不断改进,终于在玻色爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月,两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后,这个领域经历着爆发性的发展,世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。

玻色-爱因斯坦凝聚态

玻爱凝聚态有很多奇特的性质,请看以下几个方面:

这些原子组成的集体步调非常一致,因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚,在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。

玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波,这种波带电,传播中形成一束宏观电流而无需电压。

原子凝聚体中的原子几乎不动,可以用来设计精确度更高的原子钟,以应用于太空航行和精确定位等。

玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性,前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零,将光储存了起来。

玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域,例如,利用磁场调控原子之间的相互作用,可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象,甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞。


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