物质的相

关于物质的形态我们应该如何去描述，现代物理学已经给出了基本的定义和测量方法。

如今我们已经知道，所有物质都是由原子构成，无论是金属还是木头，它们都有自己独特数量的质子、中子、和电子。

物质的相态转变过程

例如氧气有8个质子，8个中子，8个电子，而氢则只有1个质子和1个电子，单个原子可以和其他原子结合形成分子。

例如水分子，氢氧原子结合便产生2个氢原子核1个氧原子。

无论分子的类型如何，物质通常以固体、液体或是气体的形式存在，科学中我们称之为“相”。

物质的3种相

在固相中，分子通过分子力彼此紧密结合，由此形成固体并保持形状，固体体积则是由固体的形状决定。

在液态中，分子力比在固体中弱。

因此液体会在重力场中呈现出具有自由表面的容器形状，在微重力下，液体在自由表面内形成一个球。

但无论重力如何，液体都有其固定的体积。

而在气相中，分子力非常弱，以至于它们很容易受到外界环境影响。

气体可以充满容器，并具有容器的形状和体积。对于相态来讲，常规的三种相并不是完全固定的，其中还有流体的存在。

相态在今天已经有十多种，受压力、温度的影响，同一种物质会表现出不同的相态。

分子作用力影响着相态

超低温状态下，物质相被称为低温态，尤其是温度越接近绝对零度的时候，由于原子振动几乎停止，其性能便会发生极大的改变。

最经典的案例便是超导体，超导体则是低温下存在的独特物理状态，并且电阻几乎为零，因此具有完美的导电性。

随着现代物理的发展，人类的科学仪器以及实验手段越来越丰富，我们发现的相也越来越多。

例如超流体、玻色-爱因斯坦凝聚态、高能态等等。

微相分离共聚物

尽管这些相态我们可以通过知识学习去了解，但是大部分应用场景都十分苛刻，并且在日常生活中也接触得很少。

那么在我们常见的现象中，例如光和火焰，它们的相又是如何的呢？

火焰是什么

火和光在现实生活中再常见不过了，它们伴随着人类生活的每一分钟，有了火焰就会有光。现在我们先来聊聊关于火的形态。

有火就有光

当我们思考火的形态时，固体、液体还是气体，这些概念或许会在我们脑中停留许久。

火看起来像气体又像液体，固体肯定谈不上，但它究竟是什么？

简单来讲，火是白炽气体混合物中的化学反应，通常会在高温下发光。

但是不同混合物燃烧的火焰并不同，火的状态取决于燃烧的材料，几乎每种火的化学成分都是不同的。

另外，火焰会在燃烧过程中不断地消耗能量，最终燃烧殆尽。

计算机模拟的等离子微场

因此，它并不像固体、液体和气体那样可以无限期的以相同的状态存在。

火焰的能量释放，或者说它的温度能够直观地表现出自身的形态。

科学家如今将火归为物质的第四形态，等离子体。

但在这之前，人们只是将火焰单独放在一边，因为很难说它到底是什么形态。

火焰的表现被归为等离子体，主要还是因为它的温度，或者说能量释放。

等离子灯可以很直观的表现等离子体

等离子体很大一部分是带电粒子，离子或电子。

这些带电粒子的存在使得等离子体与其他物质的基本状态区分开来，电子在原子核周围会有更多的“活动空间”，而不是像其他3种相态那样有着固定的特定位置。

它更像是一种粒子云，而不是任何其他类型的物质。虽然等离子体确实与气体有着相似的地方，但它与气体完全不同。

这是因为自由电子之间彼此缺乏亲和力，因此它们之间没有持续的物理接触。

这也就意味着等离子可以像液体或流体一样流动并在特定区域组成。

不过要想构建等离子体，必须满足电离的要求，换句话说，等离子体使一种电离气体，它能够反射无线电波等低频电磁波。

火焰中的粒子活动会影响电磁场的变化，足够强的火焰能够屏蔽电磁场。

之所以这样，是因为足够多的负电电子和带正电的离子是局部自由的。

正如刚才所说，它们的物理行为导致了它们能够对入射电厂做出强烈反应，并会出现移动来抵消这些电场。

从这一方面来看，它是一中定义更加严格的气体。

不同相态的运动表现

在火焰中，空气中的原子发生电离，因为火焰的温度高到足以让原子出现相互碰撞，并且剥离电子。

所以，在火焰中，电离量取决于温度。此外，其他机制也可能导致电离。

例如闪电，高强度的电流会导致电离现象出现，而在电离层中，阳光会导致电离。

所以综合这几个方面来看，火焰必须在严格标准下，也就是在一个温度梯度或者说温度范围中，它才能被称之为等离子体。

闪电本身会导致电离现象出现

日常生活中我们常见的普通打火机、蜡烛什么的，它们的温度最多1500摄氏度，但这样的温度太低并不能产生大量离子。

因此从这方面来讲，这两种火焰并不是等离子体。

值得一提的是，我们在火焰中看到的光亮和颜色，这是因为火焰中有燃烧不充分的燃料颗粒，它并不是等离子火焰产生的。

这些颗粒非常炙热，以至于它们能够发出光。所以在化学实验中，我们将火焰放入氧气充分的环境中，燃烧效果会更加耀眼。

蜡烛温度还不够高

有人可能会说极光、霓虹灯也是等离子体。不过它们内部气体很稀薄，单位体积的物质非常少，所以不能产生宏观高温。

光的表现

说完了火焰，现在我们再来简单地讨论一下光，它是什么形态。

对于光来讲，光的复杂程度不亚于火焰。而它也是火焰的一部分。

在物理定义中的光，可以泛指任何波长的电磁辐射，例如伽马射线、X射线、微波或者无线波。

光的电磁波谱

不过光的主要特性在于强度和传播方向，以及频率或波长光谱和偏振。

可见光通过光子（无质量粒子）传播，光子代表电磁场的量子，可以作为波和粒子进行分析。

电磁波经过加速的带电粒子发射，这些波随后便能与其他带电粒子相互作用，并为此施加力。

但光太复杂了，直到今天，科学家仍在激烈的讨论。为了解释光的性质，由此出现了波粒二象性理论。

不过我们从光源这块来看，前面我们说到火焰中的自由带电粒子，它们的减速便可以产生可见辐射。

不同辐射带来的便是电磁光谱中展现的那样，任意电磁波可以通过傅里叶分析表示为正弦单色波。

而这些单色波又可以分别分类到电磁辐射频谱区域中。

光子的能量表现也从另一个方面影响着光，如果波长或能量超过普朗克能量的光子，则需要新的理论进行描述。

事实上，人类真正认识光也不过300多年，经过物理体系的不断构建和完善，对光的研究也越来越丰富。

光子表现会更加复杂

因此，要想描述光，我们必须将描述环境进行严格细分。

例如可见光和不可见光，对光的描述更多就侧重于电磁波和电磁辐射。而在量子物理中，光被看作为波和粒子的共同体。

如今物理学家已经认识到，光不属于任何形态，电磁辐射在较低频率下会表现得更像经典波，但在较高频率下更像是经典粒子。

围绕人类文明发展的火和光，从发现的第一天起，人类便注定要踏上漫无止境的求知之旅。