關于物質的形态我們應該如何去描述，現代物理學已經給出了基本的定義和測量方法。

如今我們已經知道，所有物質都是由原子構成，無論是金屬還是木頭，它們都有自己獨特數量的質子、中子、和電子。

物質的相态轉變過程

例如氧氣有8個質子，8個中子，8個電子，而氫則隻有1個質子和1個電子，單個原子可以和其他原子結合形成分子。

例如水分子，氫氧原子結合便産生2個氫原子核1個氧原子。

無論分子的類型如何，物質通常以固體、液體或是氣體的形式存在，科學中我們稱之為“相”。

物質的3種相

在固相中，分子通過分子力彼此緊密結合，由此形成固體并保持形狀，固體體積則是由固體的形狀決定。

在液态中，分子力比在固體中弱。

因此液體會在重力場中呈現出具有自由表面的容器形狀，在微重力下，液體在自由表面内形成一個球。

但無論重力如何，液體都有其固定的體積。

而在氣相中，分子力非常弱，以至于它們很容易受到外界環境影響。

氣體可以充滿容器，并具有容器的形狀和體積。對于相态來講，常規的三種相并不是完全固定的，其中還有流體的存在。

相态在今天已經有十多種，受壓力、溫度的影響，同一種物質會表現出不同的相态。

分子作用力影響着相态

超低溫狀态下，物質相被稱為低溫态，尤其是溫度越接近絕對零度的時候，由于原子振動幾乎停止，其性能便會發生極大的改變。

最經典的案例便是超導體，超導體則是低溫下存在的獨特物理狀态，并且電阻幾乎為零，因此具有完美的導電性。

随着現代物理的發展，人類的科學儀器以及實驗手段越來越豐富，我們發現的相也越來越多。

例如超流體、玻色-愛因斯坦凝聚态、高能态等等。

微相分離共聚物

盡管這些相态我們可以通過知識學習去了解，但是大部分應用場景都十分苛刻，并且在日常生活中也接觸得很少。

那麼在我們常見的現象中，例如光和火焰，它們的相又是如何的呢？

火和光在現實生活中再常見不過了，它們伴随着人類生活的每一分鐘，有了火焰就會有光。現在我們先來聊聊關于火的形态。

有火就有光

當我們思考火的形态時，固體、液體還是氣體，這些概念或許會在我們腦中停留許久。

火看起來像氣體又像液體，固體肯定談不上，但它究竟是什麼？

簡單來講，火是白熾氣體混合物中的化學反應，通常會在高溫下發光。

但是不同混合物燃燒的火焰并不同，火的狀态取決于燃燒的材料，幾乎每種火的化學成分都是不同的。

另外，火焰會在燃燒過程中不斷地消耗能量，最終燃燒殆盡。

計算機模拟的等離子微場

因此，它并不像固體、液體和氣體那樣可以無限期的以相同的狀态存在。

火焰的能量釋放，或者說它的溫度能夠直觀地表現出自身的形态。

科學家如今将火歸為物質的第四形态，等離子體。

但在這之前，人們隻是将火焰單獨放在一邊，因為很難說它到底是什麼形态。

火焰的表現被歸為等離子體，主要還是因為它的溫度，或者說能量釋放。

等離子燈可以很直觀的表現等離子體

等離子體很大一部分是帶電粒子，離子或電子。

這些帶電粒子的存在使得等離子體與其他物質的基本狀态區分開來，電子在原子核周圍會有更多的“活動空間”，而不是像其他3種相态那樣有着固定的特定位置。

它更像是一種粒子雲，而不是任何其他類型的物質。雖然等離子體确實與氣體有着相似的地方，但它與氣體完全不同。

這是因為自由電子之間彼此缺乏親和力，因此它們之間沒有持續的物理接觸。

這也就意味着等離子可以像液體或流體一樣流動并在特定區域組成。

不過要想構建等離子體，必須滿足電離的要求，換句話說，等離子體使一種電離氣體，它能夠反射無線電波等低頻電磁波。

火焰中的粒子活動會影響電磁場的變化，足夠強的火焰能夠屏蔽電磁場。

之所以這樣，是因為足夠多的負電電子和帶正電的離子是局部自由的。

正如剛才所說，它們的物理行為導緻了它們能夠對入射電廠做出強烈反應，并會出現移動來抵消這些電場。

從這一方面來看，它是一中定義更加嚴格的氣體。

不同相态的運動表現

在火焰中，空氣中的原子發生電離，因為火焰的溫度高到足以讓原子出現相互碰撞，并且剝離電子。

所以，在火焰中，電離量取決于溫度。此外，其他機制也可能導緻電離。

例如閃電，高強度的電流會導緻電離現象出現，而在電離層中，陽光會導緻電離。

所以綜合這幾個方面來看，火焰必須在嚴格标準下，也就是在一個溫度梯度或者說溫度範圍中，它才能被稱之為等離子體。

閃電本身會導緻電離現象出現

日常生活中我們常見的普通打火機、蠟燭什麼的，它們的溫度最多1500攝氏度，但這樣的溫度太低并不能産生大量離子。

因此從這方面來講，這兩種火焰并不是等離子體。

值得一提的是，我們在火焰中看到的光亮和顔色，這是因為火焰中有燃燒不充分的燃料顆粒，它并不是等離子火焰産生的。

這些顆粒非常炙熱，以至于它們能夠發出光。所以在化學實驗中，我們将火焰放入氧氣充分的環境中，燃燒效果會更加耀眼。

蠟燭溫度還不夠高

有人可能會說極光、霓虹燈也是等離子體。不過它們内部氣體很稀薄，單位體積的物質非常少，所以不能産生宏觀高溫。

說完了火焰，現在我們再來簡單地讨論一下光，它是什麼形态。

對于光來講，光的複雜程度不亞于火焰。而它也是火焰的一部分。

在物理定義中的光，可以泛指任何波長的電磁輻射，例如伽馬射線、X射線、微波或者無線波。

光的電磁波譜

不過光的主要特性在于強度和傳播方向，以及頻率或波長光譜和偏振。

可見光通過光子（無質量粒子）傳播，光子代表電磁場的量子，可以作為波和粒子進行分析。

電磁波經過加速的帶電粒子發射，這些波随後便能與其他帶電粒子相互作用，并為此施加力。

但光太複雜了，直到今天，科學家仍在激烈的讨論。為了解釋光的性質，由此出現了波粒二象性理論。

不過我們從光源這塊來看，前面我們說到火焰中的自由帶電粒子，它們的減速便可以産生可見輻射。

不同輻射帶來的便是電磁光譜中展現的那樣，任意電磁波可以通過傅裡葉分析表示為正弦單色波。

而這些單色波又可以分别分類到電磁輻射頻譜區域中。

光子的能量表現也從另一個方面影響着光，如果波長或能量超過普朗克能量的光子，則需要新的理論進行描述。

事實上，人類真正認識光也不過300多年，經過物理體系的不斷構建和完善，對光的研究也越來越豐富。

光子表現會更加複雜

因此，要想描述光，我們必須将描述環境進行嚴格細分。

例如可見光和不可見光，對光的描述更多就側重于電磁波和電磁輻射。而在量子物理中，光被看作為波和粒子的共同體。

如今物理學家已經認識到，光不屬于任何形态，電磁輻射在較低頻率下會表現得更像經典波，但在較高頻率下更像是經典粒子。

圍繞人類文明發展的火和光，從發現的第一天起，人類便注定要踏上漫無止境的求知之旅。

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