第五态,物质密度极大的超固态

文章作者:无情剑客 | 2016-01-18
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  美国科学家宣称他们可能发现了物质存在的新状态-超固态(或超固体)。如果他们的发现是正确的话,那么他们见到的则是物质的一种十分奇异的状态。该状态下的物质为一种晶体固态,但能像滑润的、无粘性的液体那样流动。物质的第五态即超固态,又称超密态。当物质处于在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。

第五态
      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,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。
在低温时,电子气是简并的。对于理想的简并电子气,在零温时,电子所具有的最高动量(称为费密动量pF)为,式中为,h为普朗克常数,n为电子数密度。可见,即使在零温时,电子仍然具有相当高的动量,可以产生相当高的压力。

第五态
      本世纪二十年代发现的一类新的恒星-白矮星就是由简并电子气的压力与自引力相平衡而形成的一种致密星。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。
      在更高的压力下,电子的费密能量增高,可能出现下述过程:,式中(A,Z)表示核子数为A、质子数为Z的原子核,e表示电子,ve表示中微子。这一过程使原子核中的一个质子变成一个中子而放出一个中微子,结果使原子核中子化。当密度极大时,中子化很强,物质将进入简并中子气状态。由于中子的质量远大于电子,简并中子气的压力要比简并电子气的压力高得多。由简并中子气的压力与自引力相平衡而形成的星体,就是密度最大的另一种天体——中子星。中子星物质的密度约为10亿吨/立方厘米。
      中子星物质不是由纯中子组成的。它是处于下列两种过程所决定的准平衡状态:;,式中p表示质子,n表示中子,表示反中微子。准平衡表示中微子v及不参与反应的平衡,因为中微子不断由星体逸出。在这种高密度的准平衡状态中,物质的极大部分为中子,而质子、电子只占极小部分。在更高的密度下(ρ≥10亿吨/立方厘米),物质中将会发生下列类型的过程:等,式中为超子。这时物质处于一种超子混合态。
      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。
      像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。
 

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