物质的六种状态.ppt

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1、物质六态物质六态常见而又稀少的液固气三态常见而又稀少的液固气三态陌生而又广泛存在的等离子态陌生而又广泛存在的等离子态物质第五态：超级大原子物质第五态：超级大原子神奇第六态神奇第六态：费米子凝聚态：费米子凝聚态常见而又稀少的液固气三态常见而又稀少的液固气三态石头、铁块等物体既坚硬又不易挥发，这就是作为固体物石头、铁块等物体既坚硬又不易挥发，这就是作为固体物质的基本特性之一。我们人类居住在一个绝大部分由这些质的基本特性之一。我们人类居住在一个绝大部分由这些固态物质组成的天地里。当然，我们一样离不开水和空气，固态物质组成的天地里。当然，我们一样离不开水和空气，它们分别属于液态和气态物质中的一类，相比

2、较而言，这它们分别属于液态和气态物质中的一类，相比较而言，这些柔软而易挥发的物质在我们生存的环境中占据的比例更些柔软而易挥发的物质在我们生存的环境中占据的比例更大，对我们生活的影响其实也更大：在科幻故事中，人类大，对我们生活的影响其实也更大：在科幻故事中，人类依然可以生活在未来水世界上，却无法生活在全部由岩石依然可以生活在未来水世界上，却无法生活在全部由岩石构成的世界之中。构成的世界之中。物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不同温度下的状态，由所谓的冰点和沸点决定各自产生转换同温度下的状态，由所谓的冰点和沸点决定各自产生转换的温度。

3、的温度。地球上司空见惯的物质三态地球上司空见惯的物质三态固态固态、液态、气态，在、液态、气态，在宇宙中却极为罕见，物质第四态宇宙中却极为罕见，物质第四态等离子态，才是宇宙等离子态，才是宇宙中极多的状态。中极多的状态。陌生而又广泛存在的等离子态陌生而又广泛存在的等离子态早在早在2000多年前亚里士多德就发现世界的组成除了液固多年前亚里士多德就发现世界的组成除了液固气三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物气三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物质？其实这就是物质的第四种状态质？其实这就是物质的第四种状态等离子体的一种表等离子体的一种表现形式。现形式。等离子体又叫做电浆，是由部分

4、电子被剥夺后的原子及原等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中。等离子体是一种很好的导电体，利用广泛存在于宇宙中。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物离子物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。常见等离子体：火焰、闪电、焊接电

5、弧、绚烂壮丽极光等常见等离子体：火焰、闪电、焊接电弧、绚烂壮丽极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎999以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。星际空间等都是由等离子体组成的。等离子体可分为两种：高温和低温等离子等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。现在低温等离子体广泛运用于多种体。现在低温等离子体广泛运用于多种 生生产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。更重要面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性

6、。更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。代成为现实。还可以被用于氧化、变性等还可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。淀涂层处理。高温等离子体研究应用对核高温等离子体研究应用对核聚变的控制和和平应用具有重大意义。空聚变的控制和和平应用具有重大意义。空间等离子体研究也是高温等离子体研究的间等离子体研究也是高温等离子体研究的一个重要部分。宇宙中一个重要部分。宇宙中99%以上的物质均以上的物质均是等离子体，而我们的太阳也就是一团巨是等离子体，而我们的太阳也就是一团巨大的等离子体，因此

7、空间等离子体研究在大的等离子体，因此空间等离子体研究在宇航时代具有极其重要的作用。宇航时代具有极其重要的作用。超级大原子超级大原子物质第五态物质第五态 Bose-Einstein condensation(BEC)玻玻色色-爱因斯坦凝聚爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。这里的年前预言的一种新物态。这里的“凝聚凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然态的原子突然“凝聚凝聚”到同一状态到同一状态(一般是基一般是基态态)。即处于不同状态的原子。即处于不同状态的原子“凝聚凝聚”到了同到了同一

8、种状态。形象地说，这就像让无数原子一种状态。形象地说，这就像让无数原子“齐齐声歌唱声歌唱”，其行为就好像一个玻色子的放大，其行为就好像一个玻色子的放大，可以想象着给我们理解微观世界带来了什么。可以想象着给我们理解微观世界带来了什么。这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。现在全世界已经有数十个室验室实现了景。现在全世界已经有数十个室验室实现了8种元素的种元素的BEC。主要是碱金属，还有氦原子和。主要是碱金属，还有氦原子和钙等。钙等。我们知道原子气体在低温时容易形成液体，利

9、用我们知道原子气体在低温时容易形成液体，利用碱性原子铷碱性原子铷87Rb 和钠和钠23Na可以避免液体的形可以避免液体的形成。两种原子都具有整数的自旋量子数和弱的排成。两种原子都具有整数的自旋量子数和弱的排斥力，实验中原子的速度只有几个毫米斥力，实验中原子的速度只有几个毫米/秒，这对秒，这对应的温度为应的温度为100 nK（1 nK=10的的-9次方次方K）。）。这极低的温度是用激光冷却的办法（这极低的温度是用激光冷却的办法（1997年的诺年的诺贝尔物理学奖成果）来达到的。其基本原理是通贝尔物理学奖成果）来达到的。其基本原理是通过原子与光子的动量交换来达到冷却原子的目的，过原子与光子的动量交换

10、来达到冷却原子的目的，冷却后的原子由磁场与激光组成的磁冷却后的原子由磁场与激光组成的磁-光囚禁阱囚光囚禁阱囚禁，然后在囚禁阱中继续用蒸发冷却的办法达到禁，然后在囚禁阱中继续用蒸发冷却的办法达到所需要的温度，即把热的原子蒸发掉。在囚禁阱所需要的温度，即把热的原子蒸发掉。在囚禁阱的边缘部分，磁场很强，控制原子磁极的射频场的边缘部分，磁场很强，控制原子磁极的射频场的频率很高，通过逐渐的降低频率可以把温度高的频率很高，通过逐渐的降低频率可以把温度高的原子排出阱外，从而达到冷却的目的。道理就的原子排出阱外，从而达到冷却的目的。道理就象茶在茶杯中变凉一样。象茶在茶杯中变凉一样。这些原子组成的集体步调非常一

11、致，因此内部没有任何阻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力。激光就是光子的玻爱凝 聚，在一束细小的激光里拥聚，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是玻 爱凝聚的结果。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，观电子对波，这种波带电，传播中形成一束宏观电流而传播中形成一束宏观电流而无需电压。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原子凝聚体中的原子几乎不动

12、，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航的原子钟，以应用于太空航 行和精确定位等。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，前年哈佛大学的这种特性，前年哈佛大学的 两个研究小组用玻色两个研究小组用玻色-爱因斯爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。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场调控原子之间的相互作用，可以在物质第五态中产生，可以在物质第五态中产生类似于超新星爆

13、发的现象，甚至还可以用玻色类似于超新星爆发的现象，甚至还可以用玻色-爱因斯坦爱因斯坦凝聚体凝聚体 来模拟黑洞。来模拟黑洞。神奇第六态神奇第六态：费米子凝聚态：费米子凝聚态量子力学认为，粒子按其在高密度或低温度时集量子力学认为，粒子按其在高密度或低温度时集体行为可以分成两大类：一类是费米子，得名于体行为可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米；另一类是玻色子，得名于意大利物理学家费米；另一类是玻色子，得名于印度物理学家玻色。这两类粒子特性的区别，在印度物理学家玻色。这两类粒子特性的区别，在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上

14、，费米子则与之相反，更像是一量子态上，费米子则与之相反，更像是“个人个人主义者主义者”，各自占据着不同的量子态。，各自占据着不同的量子态。“玻色一玻色一爱因斯坦凝聚态爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成，其行为像物质由玻色子构成，其行为像一个大超级原子，而一个大超级原子，而“费米子凝聚态费米子凝聚态”物质采用物质采用的是费米子。当物质冷却时，费米子逐渐占据最的是费米子。当物质冷却时，费米子逐渐占据最低能态，但它们处在不同的能态上，就像人群涌低能态，但它们处在不同的能态上，就像人群涌向一段狭窄的楼梯，这种状态称作向一段狭窄的楼梯，这种状态称作“费米子凝聚费米子凝聚态态”。费米冷凝体与超导体的区别费米

15、冷凝体与超导体的区别费米冷凝体难以得到的矛盾的解决首先来自超导费米冷凝体难以得到的矛盾的解决首先来自超导现象的启发，但是，它跟超导体是有区别的。首现象的启发，但是，它跟超导体是有区别的。首先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多，其先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多，其次是原子对之间吸引力比超导体中库伯电子对的次是原子对之间吸引力比超导体中库伯电子对的吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体电吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造出常温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形出常温下的超导体立即可以实现。超冷

16、气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具。当然，现在的技术并不能使所有费米子质工具。当然，现在的技术并不能使所有费米子都可以发生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相都可以发生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相当脆弱当脆弱比玻璃还要脆！比玻璃还要脆！第六态催生下一代超导体第六态催生下一代超导体 这项成果在超导技术上的应用前景非常这项成果在超导技术上的应用前景非常广阔，有助于下一代超导体的诞生，而广阔，有助于下一代超导体的诞生，而新一代超导体技术可在电力工程、电能新一代超导体技术可在电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁流体输送、电动机与发电机的制造、磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高能加速器与高能物理研究生物磁学、高能加速器与高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。等众多领域和学科中大显身手。