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让新发现的物质形态造福人类
2010-09-14  |          【 】【打印】【关闭

1.物质的形态

过去人们都认为任何物质均以三种形态存在于自然界中,即固态、液态和气态,“态”也称为“体”,即固体、液体和气体。例如:水在0℃以下是固态(冰);0℃到100℃是液态(水);100℃以上则为气态(水蒸汽);其它物质也都是在这三种形态间转化着,只是所转化的温度不同而已(但要说明,地球上也不是所有物质都有三态,例如碳就只有两态──固态和气态。固态碳在温度升高到一定值后,直接升华为气态,不存在液态碳)。这些都是写进教科书中的内容,已成为人们的常识。但是随着科学技术进步,人们认识深入和视野开阔,早已发现物质远远不止三态,现在已发现物质有十多种形态,随着科学的发展,发现的形态将会越来越多,如第四态为等离子态(见下节),第五态称为低温态。在一些物质的温度降至接近绝对零度时,由于原子的振动接近停止,其性能会发生很大改变。首先因电子在物质中没有阻碍,电阻可为零,出现超导性,一些原来在常温下的绝缘体,也可导电,这种超导作用已得到很多实际应用。其次,在超低温条件下,使一些物质的粘滞性几乎消失,此时已呈液态的小分子物质,如氢或氦,可出现超流性,即一般的容器对于这种物质,可像筛子一样,轻易地“漏”出来。它们甚至可以在容器壁面向上运动,以至从上面进口处“流”出。至于第五态后面发现的各种形态,就很难排列顺序了。过去把第六态称为高密态,现在认为极高密度的物质也有多种,如宇宙中的白矮星,是由恒星热核反应燃料用尽后坍缩而形成的,据估算,这种物质只一个火柴盒大小的体积,就有几十吨重!这似乎有点不可思议,其实从物质结构来分析也容易理解,我们知道,组成物质的原子由原子核和外围的电子组成。原子核只占原子体积的很小一部分,而1个电子的体积,又只占原子核中的1个质子或中子的约二千分之一,电子在离核很远处绕核旋转。一个原子就像我们地球等九大行星绕太阳旋转的太阳系一样。而各原子间又有很大的距离,对于金属材料由原子组成的晶格之间也有一定的距离,而分子材料的各分子之间也有很大的距离。所以无论金属或非金属,即使我们在一般显微镜下看来致密无隙,只要放大到足够大(几百万倍),可看到它们几乎是“空”的。只有一些点状物悬浮在“空中”,如果它们被某种力量紧密压缩在一起,其比重当然就不可思议了。

宇宙中的黑洞,又称暗物质,其实它并不是“洞”,而是比白矮星密度更高的物质。由于其密度太高,连光也不能逃离它的吸引力,所以我们看不到它,而像是黑的。中子星被认为是其电子全部进入核中和质子结合形成的。还有空间中的场、反物质、超子等都认为是物质的不同形态。此外我们常见的玻璃,过去被归入固态,因其没有固定的熔点,也有时看作液态(它具有和液体一样的流动性,尽管极缓慢。据说伦敦某教堂的窗玻璃,已有一百多年的历史了,它的下边比上边厚了近一倍,证明是向下流动的结果)。现在有人将其单独地称为玻璃态。又将现在电视等显像用的液晶称为液晶态。这样算下来,形态就超过了十种。当然,有些形态短时间无法证明,也难以获得普遍认同。

2.物质的第四态──等离子态

等离子态像气态一样无定形,其区别在于等离子态的焓值(单位物质所含的热量)远高于气态,其原子全部或大部分已离化,故具有良好的导电性。因其在被离化的区域里,正离子和负离子或电子是相等的,所以称为“等离子体”,它在总体上是电中性的。等离子体在宇宙中是很常见的,很多恒星都是等离子体,太阳就是一大等离子体,因内部连续热核反应,使其原子已全部处于离化状态。等离子体在地球上也不罕见,分自然形成的和人造的两类,自然形成的如电离层、极光、闪电等都是;人造的如原子弹爆炸,炸药爆炸、辉光放电及电弧等离子体等。可见无论物理的或化学的方法,只要能量足够集中,就可产生等离子体。

需要说明的是,有些物质虽然是等离子体,其温度并不高,如极光,霓虹灯等,这是什么原因呢?这是因为它们内部气体太稀薄,单位体积的物质太少,故不能产生宏观高温。

由于等离子中单位物质所含热量高,因而能产生很高温度。据我所原测温组测定,电弧压缩产生的氩等离子体,其温度可达近15000℃,氮等离子体为12000℃以上。如此高温,用其它方法很难达到。于是人们利用其高温等特性为新技术和新材料服务。利用等离子体的高温和惰性气氛(等离子一般用氮、氩或氦作介质,所以不含氧),金属研究所于上世纪五十年后期,在国内索先开始等离子喷涂研究,并取得成功。该技术能喷涂任何熔点的材料(如高达3370℃的钨)。先后用其完成多项军用和民用重要任务。如多种形号的火箭喷管,头锥及回收卫星的天线。获得过国家和省部级多项奖励。

在金属加工方面,我所先后研究过等离子切割、堆焊和焊接技术,均取得成功并应用推广。例如原来用氧-乙炔火焰切割金属,只能切割钢材,且厚度不能太大。对于铜、铝、不锈钢等则无能为力,因为这些材料的导热率高,切割时温度很快传开,切口处不能迅速熔化。电弧等离子体因其温度通常比氧-乙炔焰高近三倍,能在瞬间造成极高的温度梯度,形成切口,且切口光滑,切缝很窄。

风洞是飞行器(飞机、火箭等)研究和试验过程中必不可少的,飞机的风洞一般在常温下进行,但火箭因其飞行时速度高,能与空气摩擦产生高温,对其头锥和蒙皮选材往往用火焰风洞。我们所就进行过用火焰冲刷的方法,研究试验新火箭材料。但从上世纪六十年代初开始,我国发展载入飞行器。因其返回时速度大,和空气摩擦产生更高的温度和冲刷力,经受的条件更为苛刻。而在研究头锥、蒙皮和喷管材料时,因要加速试验和保证可靠性,对风洞要求比实际条件更高。为配合材料研究,我们所于上世纪六十年代研制成功“等离子高温高速风洞”,它也是用一种特殊设计的等离子发生器,将其产生的高温高速等离子焰流,喷于一真空室中固定的试样上,对试样进行考验。因发生器原产生的焰流速度就很高,加之其突然冲入真空室中,大大加速。因而达到了近5个马赫数和8000℃以上的高温的冲刷条件。为我国发展航天和洲际导弹材料作出了贡献。

这里应该说明的是,飞机设计时的风洞试验,主要是研究其空气动力特性,而上面沿袭以前所说的风洞,只是研究飞行器材料的抗高温高速气流冲刷性能,这种以研究材料为目的的试验和研究气动力学的风洞是不同的。因此这种叫法不太确切,所以叫等离子冲蚀试验更正确。

相关链接:马赫数(Mach numbet)是为纪念奥地利学者马赫(Emst Mach,1838-1916)而命名的。1马赫即1倍的音速,因此马赫数大于1即为超音速,低于1为亚音速。因为声音传播速度与介质温度有关,温度越高,其速度越大,所以马赫数的速度是相对的。

在医学手术中,等离子体也能发挥其作用,正在研究它代替现用的手术刀。这是一个只有钢笔大小的发生器,它产生一精致而形状不变的等离子矩,用于人体手术其优点是:1.因焰流温度高,能做到绝对无菌;2.当组织被切开时,边缘瞬间便因高温封闭了,可以做到基本无血手术。又因其温度梯度大,切口附近的组织不受影响。

总之等离子体在科学技术中前景广阔,很多方面都可利用。在未来的科学发展中,新发现的物质某些其它形态,同样可大显身手,造福人类。

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