物質有固體、液體和氣體三種形態,火是什麼態?光又是什麼態?

盡管火被人類利用準確時間已經難以考證,但火是人類最偉大的發現卻是毫無疑問的,因為現代社會幾乎都建立在火之上,無論是燒飯燒水,還是出行的交通工具,甚至天上的飛機和向外太空探測的火箭,都少不瞭火的存在,所以人類文明史就是一部變著法子用火的歷史!現代科學告訴我們物質有固液氣三態,但問題是火和它發出來的光到底是個什麼態?

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物質的組成和形態

自然界是由物質組成的,我們知道不同的物質有不同的原子組成,原子的不同關鍵在於原子核有差異,而原子核的差異則是由中子和質子組合的數量差引起,當然外部核外電子也很關鍵,因為原子的化學屬性主要有核外電子所決定。

  • 物質的三態

物質的形態跟元素的屬性有關,大部分物質在足夠低的溫度下,粒子之間的運動降低,原子組成的物質分子之間的距離縮小,會呈現固態,簡單的說就是結冰瞭,當然固體不存在這個情況,它的分子間作用力很強,本來就是固態!當溫度逐漸升高,粒子運動增加,距離也增加,那麼就會出現液態的情況,當然溫度繼續增加,分子運動非常劇烈,距離大幅增加,物質的狀態就成瞭氣態。

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當然各種物質並不能如此簡單的概括,比如水在沸騰時除瞭克服范德華力外,還需要破壞氫鍵,而溴在沸騰時,隻是破壞瞭范德華力,分子內的共價鍵不受影響,但用來做個比方理解下並沒有什麼問題。

  • 等離子態

當溫度繼續增加,電子獲得能量將會輻射電磁波,這就是高溫下物體發光的原因,再加熱電子將會遊離成為等離子體,有人稱之為超氣態,等離子體由克魯克斯在1879年發現,“Plasma”這個詞,則由朗廖爾在1928年最早采用。

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  • 物質的極端形態

當然除瞭物質的第四的等離子態外還有第五態玻色-愛因斯坦凝聚態和第六態費米子凝聚態,因為跟火焰實在相差太遠,下面簡單來介紹下兩種物質狀態。

玻色-愛因斯坦凝聚態:玻色子在極低溫下處於同一基態而形成的一種超流物質態,1995年沃夫岡·凱特利與埃裡克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態的銣原子在170 nK的低溫下首次獲得瞭玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀態下,幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態,形成一個宏觀的量子狀態。

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費米子凝聚態,與玻色子可以處在同一基態不一樣,費米子存在不相容原理,所以無法形成玻色-愛因斯坦凝聚態,但上述三位科學傢在2004年利用庫柏對的機制,將費米子結合在瞭一起,形成瞭與玻色子性質類似“費米子”。這些費米子可以在溫度達到極限的時,慢慢占據最低能態。

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當然也有說中子態,但其實中子態已經超脫瞭物質的狀態,因為中子這種沒有質子的元素無法定義成任何物質,而且它的密度高達原子核,所以這種形態地球上不存在而又處處存在(原子核就是,但原子核都有質子,或者核反應堆中自由中子,但它會衰變)

火到底是什麼形態?光又是什麼態?

普通火焰的形態比較難定義,有很多朋友認為火焰是一個低溫等離子態,但其實並不是,因為真正處於等離子態的隻有在火焰面那一個小小的薄層才是等離子體,而且這個薄層的帶電粒子密度極低,體積摩爾分數大概在e-8的量級上!

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而更多的其他區域則是可燃物與助燃劑形成的一個化學反應區域,但這個區域是動態的,因為能被稱之為火焰的化學反應都會釋放出大量的能量,因此在這個區域中氣體流場比較復雜,比如在地球上的火焰看起來是大致是向上的(局部流場會比較復雜,如果燃燒區域大的話會更復雜),因為熱空氣上升,周圍冷空氣會自然過來補充,形成一個連續化學反應的流場。

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但在失重狀態下,這個自然對流過程將會被破壞,因為再也不會存在熱空氣上升這個概念,所以火焰會呈球形,而且燃燒反應生成的廢氣會粘滯在周圍,使焰心得不到氧化劑而熄滅。

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NASA太空燃燒實驗FLEX1

當然添加瞭電離增強物質的火焰後,等離子態的比例會大大增加,因此可以讓它直接高速通過磁場,等離子體的離子和電子分別在磁場中發生偏轉向對應的正負極,直接從等離子體中獲得電流,這就是穿梭中的磁流體發電機,這種結構的發電機沒有運動部件,效率極高,但缺點是磁體和正負電極需要在極高溫下工作,這在技術上是一個難題。

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所以各位要將火焰定義為等離子態也問題不大,因為它確實有等離子態。將它確定為化學反應的動態流場也可以,因為絕大部分火焰都是這樣,怎麼定義都不是問題,理解瞭之後隻要你喜歡就好!

  • 光是什麼態?

大部分剛都是核外電子受激輻射所發出的,所以按電磁輻射傳播來看,光並不是一種物質形態,而是能量的一種傳播形式,地球獲取的輻射能都是由“光”代為傳達,因為廣義上的光包括瞭整個電磁波譜!但從另一個意義上來理解更有意思,光子屬於玻色子,而玻色子在極端低溫下比如接近絕對零度的狀態下理論上能形成玻色-愛因斯坦凝聚態,1995年三位科學傢用的是氣態的銣原子在極端條件下制造成功。

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當然這存在相當大的難度,而且玻色-愛因斯坦凝聚態非常不穩定,因為這種狀態會在外界世界存在的極其微小作用就足以使它們加熱到超出臨界溫度,所以更難得光子的玻色-愛因斯坦凝聚態隻能在理論上來推測,假如要真正定義的話,它就是一種超流體,也就是超流體的光!

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不過在2016年澳大利亞新南威爾士大學和國立大學的研究團隊使用瞭一個絕佳的辦法,利用人工智能來控制極端苛刻的溫度和控制原子逃逸的激光束。也許在不遠的未來,我們真的能實現超流體狀態的光,使得流光溢彩真正成為可能!

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