基本介紹
- 中文名：物質的聚集態
- 外文名：State of matter
- 別名：物態
- 分類：固態、液態、氣態和等離子態等
- 概述：幾乎所有物質都有基本3態
- 前沿科技發現：夸克-膠子漿
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定義
物態（物質狀態）是指一種物質出現不同的相。早期來說，物質狀態是以它的體積性質來分辨。在固態時，物質擁有固定的形狀和容量；而在液態時，物質維持固定的容量但形狀會隨容器的形狀而改變；氣態時，物質不論有沒有容量都會膨漲以進行擴散。科學家以分子之間的相互關係作分類。固態是指因分子之間因為相互的吸力因而只會在固定位置震動。 而在液體的時候，分子之間距離仍然比較近，分子之間仍有一定的吸引力，因此只能在有限的範圍中活動。至於在氣態，分子之間的距離較遠，因此分子之間的吸引力並不顯著，所以分子可以隨意活動。等離子態（Plasma），是在高溫之下出現的高度離化氣體。而由於相互之間的吸力是離子力，因而出現與氣體不同的性質，所以等離子態被認為是第四種物質狀態，是宇宙中普遍存在的一種物質的聚集狀態。假如有一種物質狀態不是由分子組成而是由不同力所組成，會形成一種新的物質狀態。例如：夸克-膠子漿等。
物態（物質狀態）也可用相的轉變來表達。相的轉變可以是結構上的轉變又或者是出現一些獨特的性質。根據這個定義，每一種相都可以其他的相中透過相的轉變分離出來。例如水數種固體的相。超導電性便是由相的轉變引伸出來，因此便有超導電性的狀態。同樣，液晶體狀態等都是用相的轉變所劃分出來並同時擁有不同的性質。
基本物態
固態
粒子（包括離子、原子或者分子）都是緊密排列。粒子之間有很強的吸力，所以只能在原位震動。因而令固體擁有穩定、固定形狀和固定容量的特性，只有因施力而切斷或打碎時才可改變它的形狀。在晶體固體中，粒子（包括原子、分子、和離子）都是以三維空間的結構排列，而同一種物質可以排列成不同形式晶體結構。例如鐵在912℃下是面心立方，912℃至1394℃之間便是體心立方。又例如冰，世上已知有關凍的晶體結構有15種，這15種的固體物質狀態分別存在於不同的溫度和壓力之下。在物質狀態的轉變過程中，固體會透過融化變成液體，相反液體會凝固成固體。如果由固體直接轉變為氣體，例如在大氣壓力下的二氧化碳，稱之為升華，反之則是凝華。
嚴格地說，物理上的固態應當指“結晶態”，也即各種晶體所具有的狀態。最常見的晶體是食鹽，由許多立方形晶體構成。還有許多顏色、形狀各異的規則晶體。物質在固態時的突出特徵是有一定的體積和幾何形狀，物理性質具有各向異性。有一定的熔點，熔化時溫度不變。
在固體中，分子或原子有規則地排列。每個分子或原子在各自固定的位置上振動。晶體的這種結構稱為空間點陣結構。
液態
在溫度和氣壓是常數的情況下，液體的容量是固定的。當固體加熱到熔點之上時，便會成為液體。內分子（內原子或者內離子）之間的力仍然不可忽略，但分子有足夠的能量，因而可以有相對運動，結構亦是流動的。液體的形狀是不定的，由容器的形狀來決定。一般情況下液體的容量會比它在固體時要大，水（H2O）是一個反例，因為水從0℃—4℃下密度上升並達到頂點。而物質以液體存在的最高溫度和最高壓力分別名為臨界溫度和臨界壓力。
液體有流動性，與固體不同，液體還有各向同性特點（不同方向上物理性質相同），因為物體由固態變成液態的時候，由於溫度的升高使得分子或原子運動劇烈，不可能再保持原來的固定位置，於是產生流動。這時分子或原子間的吸引力還比較大，使它們不至分散遠離，因此液體有一定的體積。在液體內部的小區域內仍存在類似晶體的結構——“類晶區”。流動性是“類晶區”彼此間可以移動形成的。
氣態
在氣態中，分子擁有足夠多的動能，因而內分子力的影響相對減少（對於理想氣體是0），分子之間的距離也較遠。氣體並沒有限定的形狀和容量，但是它會占據整個密封的容器。液體可以透過在常壓下加熱到沸點或者在常溫下加壓而轉變成氣體。當氣體溫度低過臨界溫度時，這種氣體稱為蒸氣，可以單獨透過加壓而變成液體。如果氣體的壓力等同液體的蒸氣壓，兩者便可達致平衡，固體也是如此。當一種氣體的溫度和氣壓分別超越自身的臨界壓力及臨界溫度時便成為超臨界流體，它擁有氣體的特性，同時是一種高密度的溶劑。
液體加熱會變成氣態。這時分子或原子運動更劇烈，“類晶區”不復存在。由於分子或原子間的距離增大，它們之間的引力可以忽略，因此氣態主要表現為分子或原子各自的無規則運動，導致氣體特性有流動性，沒有固定的形狀和體積，容易壓縮；物理性質具有各向同性。
理想氣體狀態方程 PV = nRT；
其他聚集狀態-前沿科技
無定形體
無定形體（又名非晶狀體）擁有像液體一樣的不規則結構，但由於分子間的運動相對不自由，因此通常納入固體的類別。常見例子有玻璃、聚苯乙烯、合成橡膠或其他聚合物。很多無定形體當加熱至玻璃轉化溫度時便會軟化成液體。此時，分子是自由流動的。無定形體不存在長距離的整齊排列，但是在有限範圍內，氧原子（O）以正四面體的排列包圍矽（Si）原子。部分液體屬於非牛頓流體，黏度的大小受作用力和剪應力所影響。因此在某一個流動情況之下便變成無定形體。
超導體
因為超導體擁有零電阻的物質，所以可以有完美的導電性。當它處在外加磁場中，會對磁場產生的微弱排斥力，這種現象稱為邁斯納效應或者完美的抗磁性。超導磁鐵在核磁共振成像機中用作電磁鐵。超導現象是在1911年發現，在往後的時間只知部分金屬和合金在絕對溫標30度之下擁有這種特性。直到1986年，在一些陶瓷的氧化物中發現一種名為高溫超導電性的特質，而這種物態出現的溫度已提高到絕對溫度164度。
超導體的電阻完全消失的現象稱為超導電性，此狀態被稱為超導態。超導體在某些科學技術領域中開始進入實用階段。對高溫超導機理的理解可能會導致對很多被稱為電子強關聯的一大類材料物理本質的理解，同時在科學和技術兩個方面產生飛躍。已發現的超導材料主要是一些金屬、合金和化合物，已達幾千種。
超流體
當接近絕對零度時，部分液體會轉變成另一種的液體狀態名為超流體，它的特點是黏度值是零（有無限的流動性），超流動性是其最具特徵的基本性質。科學家在1937年發現，將氦冷卻到低於λ溫度（2.17K）便形成超流體。此時，氦氣可以在容器中不斷流動，並可對抗地心吸力。氦-4為了找尋自己的定位會在容器上緩慢地流動，在短時間之後，兩個容器的水平將會是一致。而大容器的內壁將會被“羅林膜”所覆蓋，如果容器的不是密封的，液體便會流出來。超流體擁有無限大的熱傳導率，所以在超流體中不能形成溫度梯度。這些特性可以用氦-4在超流體狀態中轉變成玻色-愛因斯坦凝聚態來解釋。費米凝聚態的超流體也可以由氦的同位素氦-3或者鋰的同位素鋰-6在更低溫的狀態下轉變而成。
氦-4原子是玻色子，玻色-愛因斯坦統計允許很多原子同時處於一個量子態上。當溫度降至λ點以下時，有巨觀數量的氦原子同時凝聚在動量為零的單一量子態上，用一個巨觀波函式來描述。溫度在λ點以下的超流動性及其他特異現象都可用這種巨觀波函式的特性來解釋。
玻色-愛因斯坦凝聚態
由愛因斯坦和玻色在1924年預測出來，也被稱為第五種物質狀態。多年來，玻色-愛因斯坦凝聚態在氣體狀態下都是一個理論上的預測而已。最後，由克特勒、康奈爾及威曼所領導的團隊，在1995年首先透過實驗製造出玻色-愛因斯坦凝聚。玻色-愛因斯坦凝聚態比固態時更冷。當原子有非常接近或者一致的量子等級和溫度非常接近絕對零度（－273℃）時便會出現玻色-愛因斯坦凝聚態。
等離子態
當溫度達到攝氏數千度時便會形成等離子（離化氣體）。有些等離子是透過帶電荷的空氣粒子所做成，可以在一些恆星例如太陽中找到或雷電時產生。當加熱氣體時，電子會因為擁有足夠的動能而成功擺脫原子核的吸力，成為自由電子，不受原子或分子的包圍。離子是化學物種的一種，成因是質子的數目與電子不同而帶有電荷。自由電荷令到等離子有導電性，而令到它對磁場有強烈反應。在極高溫的情況之下，例如在恆星中，基本上假設電子是自由運動的，而極高能量的等離子像是一個空的原子核在電子海之中。等離子相是宇宙中最常見的物質狀態。等離子可以考慮為被高度離化的粒子，但因為粒子之間有極強的離子吸力而擁有截然不同的特性。因此被認為是一不同的相或者物質形態。
電漿是由大量帶電粒子和中性粒子組成的，在電磁力作用下，粒子的運動和行為以集體效應為主的體系。而電漿的集體效應，是指由於電磁等長程力的作用，粒子的運動狀態不僅取決於該粒子附近的局部條件，還取決於遠離該粒子的其他區域的狀態。電漿狀態是區別於固態、液態和氣態的另一種物質存在狀態，常稱為物質第四態。電漿廣泛出現在茫茫的宇宙之中。在地球表面，閃電、極光等是地球上的天然電漿的輻射現象。此外電漿只能人為產生，如充氣電子管、日光燈、霓虹燈、電弧、氣體放電等設備中產生的由電子、離子和中性粒子所組成的電離氣體就是電漿，整體呈電中性。電漿具有廣泛的技術套用，如空間技術、受控熱核聚變、同位素分離、無線電通信等。
