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第三章 物质世界的统一性 第三节 物质物质是任何有质量并占据空间的东西气体、液体、固体、生命体，是我们通常熟悉的物质更广义的物质是任何科学上可以观测的客体电磁场是一种广义的物质，因为它可观测,他有能量和动量我们把狭义的物质称为“物质”，以区别于“场”从成分看,可分为单质、化合物、聚合物、合金等从温度、压强、体积、院子排列等物理性质来看，物质以气、液、固、晶体、非晶体,以及超流、超导等状态存在这些不同的状态称为相.物质都是由少数几种基本粒子组成每一种粒子都有它的反粒子,由反粒子组成的物质称为反物质而场的属性与侠义的物质截然不同场不具有质量,不占据空间场与场之间可以叠加，称为场的叠加原理.场与物质可以发生相互作用.一、 物质的相物质可以不同的相存在比如水，在0摄氏度以下是冰，为固相，在0摄氏度以上，1０0摄氏度以下是水,为液体，在１００摄氏度以上是蒸汽，为气相相是物质的热力学性质以不同的相存在的同一物质,其物理性质有显著的不同相往往又被称为态,比如说气态，液态等另外有一种热力学中的态，或状态,含义完全不同同样是水蒸气，如果其温度或压强发生变化，就说它的状态发生变化.相,是物质的一类相对均匀的状态的集合,这里的均匀指化学成分和物理性质均匀.气相密度小,容易压缩,分子可以自由活动，可以充满所能到达的空间.液相密度大，不易压缩，可以自由流动，没有固定的形状，有明显的界面.固相密度大,不易压缩，有固定的形状,对形变有抵抗力。

还有一些不常见的相,都各自有共同的物质处于气相的物质，通常就称之为气体，液相的物质称为液体，处于固相的物质,就称为固体物质的相发生变化,就称为相变.常见的相变就有溶解和凝固,蒸发和凝结.凝固是溶解的逆过程，凝结是蒸发的逆过程某种物质发生溶解的温度，称为熔点，发生沸腾的温度，称为沸点在不同的压强下，同一种物质的熔点和沸点不同也就是说熔点和沸点随压强而变另外一种是升华，从固相直接变为气相比如冰直接变为水蒸气，硫磺直接变为硫磺蒸气升华的逆过程就是凝华物质的相变可以用相图来表示.如下水和碘的相图：气相与固相之间的分界线,称为气化曲线液相与固相之间的分界线,称为溶解曲线.气相和固相之间的分界线，称为升华曲线三条线交汇的点，称为三相点.气化曲线上的一点，对应一对确定的温度和压强比如在温度为10０摄氏度,压强为1atm的条件下,水会沸腾，而且水和蒸汽可以共存,二者的压强相等.这种情况下的蒸汽称为饱和蒸汽，起压强称为饱和蒸汽压由于不同物种的熔点和沸点不同，不同物质在常温常压下处于不同的相,不放称之为常态常压基本是1atm在这个压强下,水的熔点是0摄氏度，沸点是１00摄氏度.因此水的常态是液态二氧化碳的沸点是－78。

47摄氏度,因此它的常态是气态沸点不是很低的气体，在常温下可以通过加压的方式使其液化.如石油气，天然气,氧气等.气体液化后便于运输氦是地球上最那液化的物质硫的常态是固态,但很容易熔化铅的常态是固态.它在金属中也是比较容易熔化的在一般的家用的炉上就可以做到.金的熔点很高,所以有真金不怕火炼.钨丝可以用来做灯丝.二、 宏观物质的物理性质同一物质的不同的相，其物理性质也不同气体分子之间的作用力很弱分子之间的距离与分子直径比较起来要大得多所以，从微观上说，气体分子能够非常自由的震动及平动.从宏观上说，气体的密度小,流动性好而和气体比较起来，液体分子间作用力更大，分子则紧密堆积，分子与分子紧紧挨在一起，所以，从微观上说，液体分子有振动和平动，但不如气体分子自由，这表现在宏观上就是,液体的密度比气体大，流动性一般来说也没气体好气体和液体在流动的性质上有很多共同之处，都称为流体气体是可以压缩流体，液体是不可压缩流体而固体分子间的作用力比气液要大，因而,固体分子被紧紧吸引成一堆，固体间的作用力相当大以至于微观上,固体分子没有了平动，只能在原位置可怜的振动，宏观上看来，固体的密度也比气体要大,而且固体没有流动性。

物质在流体中运动，会受到流体的摩擦.比如汽车在路面行驶，受到空气的摩擦阻力.船在水里穿行,受到水的阻力.物体的运动速度越大，受到的阻力越大流体的阻力还与物质的行踪有关受阻力晓得形状是流线体流体中的压强还与压强有关流速度大的地方压强小物体上下的流速差可以产生升力，如机翼，有一个向上的倾斜角，使得机翼上方的空气流速大，下方的空气流速小.于是下方的空气压强比上方的大这个压强差就是升力如图：流速增加，流体的静压力减小.这是对同一流体而言的,并且在流动过程中，没有获得任何别的能量.试想,获得能量的空气,与室内空气（未获得能量),二者不能简单地用是否流动快慢来比较压力的大小所以,电风扇出口的空气,显然不是室内的空气，二者不能用流速大小来衡量压力的大小其实，获得电风扇的动能后的空气,在其流动中，其压力的确是在减少,但仍然要比室内空气压力要大. “伯努利方程”只是一般的能量守恒方程,这是没有考虑有能量加入的方程其实,在流体力学里面,都会讲解获得机械能的伯努利方程比如,在长距离的流体输送过程中，是依靠中间加压来实现长距离输送的.如我国的“西气东输”，中途就设有许多加压站,才能将西部的天然气输送到上海加压站就是提高流体的压力.例如高速运动的火车,会对将近距离的物体产生一定的吸力。

这主要是流体的粘性产生的卷吸作用,其道理与叶片背面类似由于空气具有一定的粘性,则依附在高速运动火车表面的空气，会因粘性随列车一起运动，而使列车周围的空气减少,从而产生一定的负压，所以对附近的物体（如空气、人等)产生一定的吸力列车运动的速度越快,带走的空气就越多，吸力就越大.固体是物质存在的一种状态与液体和气体相比固体有比较固定的体积和形状、质地比较坚硬通过其组成部分之间的相互作用固体的特性可以与组成它的粒子的特性有很大的区别研究固体的物理科学叫做固体物理学.一般来说，一个物体要达到一定的大小才能被称为固体，但对这个大小没有明确的规定一般来说固体是宏观物体，除一些特殊的低温物理学的现象如超导现象、超液现象外固体作为一个整体不显示量子力学的现象 固体有两类,即晶体和非晶体晶体又分为单晶体和多晶体，而多晶体是由许多小单晶体（称为晶粒）组成的我们所常用的物质分为金属晶体（所有金属都是,例如铁、铜、镁、锌等晶体,有三个特征：（1）晶体有一定的几何外形；（2）晶体有固定的熔点；（３）晶体有各向异性的特点)原子晶体（金刚石、金刚沙等）、离子晶体（离子晶体：一般由活泼金属和活泼非金属元素组成, 大多的盐(除ALCＬ３外，它是分子晶体)强碱（碱)金属氧化物。

氯化钠、氯化铯等）、分子晶体（干冰等)、混合型晶体又叫过渡型晶体（石墨等),还有人造晶体，总之,晶体从科学工作者来说是具有几何形状的固体,对光有折射率，例如红宝石、蓝宝石、硫酸铜晶体、纯金属有光泽所以金属是晶体、雪花有一定的几何形状,所以雪花是分子晶体,单质的碘它有金属光泽所以单质碘是分子晶体,有很多的晶体的颗粒很小，肉眼观察不到它的几何形状，但仍是晶体,例如白沙糖,很小的颗粒,但它是分子晶体,我们常用的食盐，晶体颗粒很小,但它是离子晶体还要指明的是有些物质在常温常压下是气体,一旦降温到它成固体时它是晶体了，例如二氧化碳就是这样，它是分子晶体 晶体内部结构中的质点（原子、离子、分子）有规则地在三维空间呈周期性重复排列,组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的几何多面体组成某种几何多面体的平面称为晶面,由于生长的条件不同,晶体在外形上可能有些歪斜,但同种晶体晶面间夹角（晶面角）是一定的,称为晶面角不变原理.晶体按其内部结构可分为七大晶系和1４种晶格类型晶体都有一定的对称性,有３2种对称元素系,对应的对称动作群叫做晶体系点群按照内部质点间作用力性质不同,晶体可分为离子晶体、原子晶体、分子晶体、金属晶体等四大典型晶体,如食盐、金刚石、干冰和各种金属等。

同一晶体也有单晶和多晶(或粉晶）的区别在实际中还存在混合型晶体按导电和导热的性质，物质可以分别导体、绝缘体、半导体一般来说，良好电体,也是良导热体导体导电的原因：导体中有能够自由移动的电荷（+、－）(金属导电是由于金属中存在大量的自由电子（－))；绝缘体绝缘的原因：电荷几乎都被束缚在原子范围内,不能自由移动导体和绝缘体没有明显的界线，在条件改变后,绝缘体可以变成导体，导体也可以变成绝缘体例如：加热使绝缘体中的一些电子挣脱原子的束缚变为自由电荷，此时，绝缘体就变成导体了半导体:电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质半导体室温时电阻率约在10E－5~E欧姆·米之间，温度升高时电阻率指数则减小半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类锗和硅 是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ—Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、Ⅱ-Ⅵ族化合物（　硫化镉、硫化锌等)、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ－Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）除上述晶态半导体外,还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等半导体五大特性∶掺杂性，热敏性，光敏性,负电阻率温度特性，整流特性。

在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化　晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格 共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子，构成共价键.空穴:价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴电子电流：在外加电场的作用下,自由电子产生定向移动，形成电子电流空穴电流:价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动),形成空穴电流. 硅是集成电路产业的基础，半导体材料中９8％是硅，半导体硅工业产品包括多晶硅、单晶硅（直拉和区熔)、外延片和非晶硅等,其中，直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件.区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件,比如整流二极管,硅可控整流器,大功率晶体管等单晶硅和多晶硅的应用最广   　 超导体:一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动几乎消失,材料的电阻趋近于0，此时称为超导体，达到超导的温度称为临界温度1911年，荷兰科学家卡末林 —昂内斯用液氦冷却汞，当温度下降到４.2K（﹣２６8．95℃)时，水银的电阻完全消失,这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。

根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料［1].但这里所说的「高温」,其实仍然是远低于冰点0℃的,对一般人来说算是极低的温度１933年,迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性.经过科学家们的努力,超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍,即寻求高温超导材料自从高温超导材料发现以后，一阵超导热席卷了全球科学家还发现 铊系化合物 超导材料的临界温度可达１25K(﹣15015℃）汞系化合物超导材料的临界温度则高达１3５K如果将　汞　置于高压条件下，其临界温度将能达到难以置信的１64K1９97年，研究人员发现,金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体.199９年科学家发现 钌铜化合物　在４５K(﹣23０．15℃）时具有超导电性.由于该化合物独特的晶体结构,它在计算机数据存储中的应用潜力将是非常巨大的高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用.大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

同样的元素,原子排列不同，就有不同的宏观特性改变原子的排列结构，就可得到完全不同的材料改变煤,可以得到砖石，改变沙子,可以得到半导体。