说说自然界中的物质形态

1、说说自然界中的物质形态（鹤岗市教师进修学院 黑龙江 鹤岗154101）张庆良据 9/hg/zhongjiaobu/zhangql/chengguo/6.htm上学期末，到基层学校看课，这是一节初中物理热学部分的复习课，课 堂上教师曰：“通常情况下，自然界中的物质大都以固、液、气三种形态存在。 笔者认为这种说法欠妥，故形成此文以求拓宽教师的知识面。自然界是物质的。自然界的一切物质总是以一定形态存在，又在一定条 件下相互作用发生形态的转化。自然界的物质以哪几种形态存在呢？各种物 质形态有什么不同呢？在什么条件下发生形态的转化呢？转化为哪种形态 呢？日常生活中，人们

2、见到的物质主要是固态、液态和气态三种，它们的形 态特点以及相互转化的条件，早已为人们所熟知。但是，这三态的物质在整 个宇宙中极少，绝大部分的物质是以其它形态存在的。现代科学发现，自然 界的物质除了固、液、气三态以及一系列的过渡态之外，还有第四态、第五 态、第六态、第七态等。物质第四态等离子态1879年英国物理学家克鲁克斯在研究阴极射线时， 发现了具有独特性质 的等离子体，从而发现了物质的第四态。等离子态可由气态转化而来。其转化机理是：在高温、放电或辐射的条 件下，气体分子被离解成气体原子，大部分或全部原子及分子发生电离，外 层电子脱离原子或分子，成为自由电子在空间运动。这时，失去一部分电子 的

3、原子或分子就成为正离子，得到电子的则成为负离子。这种由分子、原子、 正负离子和电子组成的混合气体叫做等离子体。等离子体由于正、负离子所 带电荷符号相反，数量相等而呈中性状态，故称为等离子态。等离子体导电 与一般气体不同。日常生活中，人们也遇到过等离子体。五光十色的霓虹灯就是氖或氩的 等离子体在发光。把各种不同的惰性气体分别充入不同的灯管，通电时之所 以发出各种不同颜色的光，就是在通电的条件下产生了各种不同的等离子体 的缘故。例如，通电时，氩的等离子体发生蓝紫色光，氦的等离子体发出粉 红色光，氖的等离子体发出红光。所以，惰性气体的等离子态在电光源中具 有特殊的应用。闪电作为一种自然现象，则是由于

4、空气放电形成了等离子体的缘故。在地球上，等离子态的物质并不多见，但在整个宇宙中恰好相反。由于 高温或强烈的辐射，物质极易电离，宇宙空间中的许多弥漫星云以及某些恒 星大气，都处于等离子态。作为恒星的太阳，其实就是一个高温的等离子火 球。太阳的强烈辐射，使高空大气层呈等离子态。这一层大气由等离子体组 成，称为电离层。远距离无线电通讯就是依靠电离层反射电磁波，传递信息。等离子态的研究，对于人工控制热核反应，磁流体发电等尖端科学技术 具有十分重要的意义。物质第五态 超密态在通常状况下，铁的密度是每立方厘米 7.9克，为普通岩石密度的的两 倍多。铂的密度是每立方厘米 21.5克，约为铁的密度的2.8倍，

5、其密度在地 球上可谓大矣。然而，在宇宙中有些天体的密度却大得惊人。本世纪二十年代发现的一类新的恒星 白矮星，按地球引力计算，其中心密度为每立方厘米一百吨左右。为什么白矮星有如此惊人的密度呢？根 据现代物理学和现代化学的研究，原来组成白矮星的物质受到超高压（如几 百万个大气压）时，不仅分子之间的空隙以及原子之间的空隙早已被压得消 失了，而且原子核与电子之间的空隙（原子核的体积只占整个原子体积的几 千亿分之一，因此原子内是十分敞空的）也被压得几乎没有了。这时，电子 全部被压进原子内层，电子壳层不复存在，其密度几乎接近原子核的密度， 故白矮星的密度大得惊人。但是，密度最大的天体要算另一类恒星 中子星

6、。 1939 年美国物理学家奥本海默根据广义相对论研究了中子星的结构，指出中子星是几乎完全由 中子组成的天体。在该天体中，由于超高压的作用，原子核外的电子99%被压进原子核，与核内质子结合形成了中子。根据地球引力计算，中子星的密 度每立方厘米达十亿吨左右。如此之高的密度，实在使人难以相信，无法想 象。如果超高压的作用把地球和月球分别压成中子星，那么地球的直径只有 200 米左右，月球的直径则只有 2.5 米左右。也就是说， 一粒小桃核那么小的 中子星物质，需要十万艘万吨级巨轮才能拖动它。象白矮星和中子星这样超高密度的物质已与一般固体迥然不同，故被称 为超固体，其物质形态称为超密态。如果超固体几

7、乎全部由中子组成，则被 称为中子态，例如，中子星。中子星以脉冲形式辐射出强烈的电磁波，自本 世纪六十年代以来，宇宙中已发现的中子星有 300 多颗。物质第六态 辐射场态1851年英国物理学家法拉弟提出了场的概念。 1887 年和 1888 年，德国物理学家赫兹两次通过实验证实了电磁场（电 磁波）的存在，确证了电磁波的速度等于光速。1905 年著名物理学家爱因斯坦在创立狭义相对论时， 提出了有名的质能 公式E=mc2根据质能公式，狭义相对论阐明了物质与能量的关系，深刻地揭示了电磁场 的本性。狭义相对论指出，电磁场是物质的一种形式，具有能量和质量，具 有波动性和粒子性 （波粒二象性）。狭义相对论还

8、指出， 电磁场与普通物质的 区别在于，它不具有静止质量，但具有动质量。1915 年爱因斯坦在创立广义相对论时， 提出了引力场和引力波的重要概 念，并创立了有名的引力场方程。广义相对论指出，在宇宙空间中引力场和 引力波是广泛存在的，阐明了引力场与物质的不可分割性。后来，天文观测 证实了爱因斯坦的这一崭新的科学观点。根据科学发现，人们把自然界的物质划分为实物和场两大形态，场包括 电磁场和引力场等。电磁场和引力场辐射整个宇宙空间，没有不可介入性。 在一定条件下，电磁场和实物粒子可以相互转化。由此可知，自然界不存在没有物质的空间，即使是真空，也并非空无一 物。真空中，即使没有实物粒子，也存在引力场和充

9、满了热辐射。热辐射， 即各种波长的电磁波组成的粒子，统称光子。本世纪六十年代的天文观测发 现，在整个宇宙空间（包括真空）始终存在着 3K 微波背景辐射。象这种具 有辐射作用的引力场和电磁场（包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫 外线和丫射线等），人们称之为辐射场态物质，又叫真空场态物质，即物质的第六态。物质第七态 反物质1932 年美国物理学家安德森通过宇宙射线的实验， 发现了电子的反粒子 正电子 e+。1955 年和 1956 年，美国物理学家西格里和张伯伦等人相继发现了质子 和中子的反粒子 反质子和反中子。后来，现代物理学又发现了反氘核和反氚核。现代科学进一步发现，在微观物质世界里，所有

10、的粒子都有与之对应的 反粒子存在，并在某种条件下发生粒子的转化。这表明物质世界中存在着一 种很基本的对称性，这是自然界的一个普遍规律。1978 年欧洲物理学家利用现代科学设备分离出了反质子， 并将它储存了 一段较长的时间。 1979 年美国科学家利用巨型气球在 35 公里的高空测获了 28 个反质子。这表明反粒子在宏观物质世界和宇观物质世界是独立存在的。 人们据此推测，在宇宙的某些空间可能存在一种完全由反粒子组成的物质， 这种物质称为反物质，即物质的第七态。暗物质与物质第八态之谜 物质形态的奥秘与对立统一近年来，天文学家通过不同测定方法，发现在宇宙星系外围有层质量很 大的暗物质，即我们用光学、

11、红外、放射等手段不能推出其能量的物质。暗 物质占了我们宇宙中的绝大多数质量，而且有很高的能量产生，具有相当的 普遍性。可是，我们不知其为何物？来源如何？这是当代科学的重大前沿问 题之一。暗物质以及其它许许多多在自然界客观存在而人们至今尚未了解的物 质，其物质形态如何？其物质形态如何转化？在什么条件下转化？其中奥秘 无穷无尽。唯物辩证法告诉我们， 自然界无穷无尽各种各样运动着的物质和千变万 化的物质运动（如机械运动、分子热运动、电磁运动、基本粒子运动、化学 运动、生命运动、 天体运动等），即万物之变决定了自然界物质形态的多种多 样各具特点。可以肯定，自然界必然存在更多的物质形态，自然界物质形态 的奥秘也是不可穷尽的。总之，作为物质世界的自然界虽然复杂奥秘瞬息万变，但总