物態(tài)基本物態(tài)

物態(tài)固態(tài)

粒子（包括離子、原子或者分子）都是緊密排列。粒子之間有很強的吸力，所以只能在原位震動。因而令固體擁有穩(wěn)定、固定形狀和固定容量的特性，只有因施力而切斷或打碎時才可改變它的形狀。在晶體固體中，粒子（包括原子、分子、和離子）都是以三維空間的結構排列，而同一種物質可以排列成不同形式晶體結構。例如鐵在912℃下是面心立方，912℃至1394℃之間便是體心立方。又例如冰，世上已知有關冰的晶體結構有15種，這15種的固體物質狀態(tài)分別存在于不同的溫度和壓力之下。在物質狀態(tài)的轉變過程中，固體會透過融化變成液體，相反液體會凝固成固體。如果由固體直接轉變?yōu)闅怏w，例如在大氣壓力下的CO₂，稱之為升華，反之則是凝華。

嚴格地說，物理上的固態(tài)應當指“結晶態(tài)”，也即各種晶體所具有的狀態(tài)。最常見的晶體是食鹽，由許多立方形晶體構成。還有許多顏色、形狀各異的規(guī)則晶體。物質在固態(tài)時的突出特征是有一定的體積和幾何形狀，物理性質具有各向異性。有一定的熔點，熔化時溫度不變。

在固體中，分子或原子有規(guī)則地排列。每個分子或原子在各自固定的位置上振動。晶體的這種結構稱為空間點陣結構。

物態(tài)液態(tài)

在溫度和氣壓是常數(shù)的情況下，液體的容量是固定的。當固體加熱到熔點之上時，便會成為液體。內(nèi)分子（內(nèi)原子或者內(nèi)離子）之間的力仍然不可忽略，但分子有足夠的能量，因而可以有相對運動，結構亦是流動的。液體的形狀是不定的，由容器的形狀來決定。一般情況下液體的容量會比它在固體時要大，水（H₂O）是一個反例，因為水從0℃—4℃下密度上升并達到頂點。而物質以液體存在的最高溫度和最高壓力分別名為臨界溫度和臨界壓力。

液體有流動性，與固體不同，液體還有各向同性特點（不同方向上物理性質相同），因為物體由固態(tài)變成液態(tài)的時候，由于溫度的升高使得分子或原子運動劇烈，不可能再保持原來的固定位置，于是產(chǎn)生流動。這時分子或原子間的吸引力還比較大，使它們不至分散遠離，因此液體有一定的體積。在液體內(nèi)部的小區(qū)域內(nèi)仍存在類似晶體的結構——“類晶區(qū)”。流動性是“類晶區(qū)”彼此間可以移動形成的。

物態(tài)氣態(tài)

在氣態(tài)中，分子擁有足夠多的動能，因而內(nèi)分子力的影響相對減少（對于理想氣體是0），分子之間的距離也較遠。氣體并沒有限定的形狀和容量，但是它會占據(jù)整個密封的容器。液體可以透過在常壓下加熱到沸點或者在常溫下加壓而轉變成氣體。當氣體溫度低過臨界溫度時，這種氣體稱為蒸氣，可以單獨透過加壓而變成液體。如果氣體的壓力等同液體的蒸氣壓，兩者便可達致平衡，固體也是如此。當一種氣體的溫度和氣壓分別超越自身的臨界壓力及臨界溫度時便成為超臨界流體，它擁有氣體的特性，同時是一種高密度的溶劑，因此而工業(yè)中有不少用途。例如超臨界二氧化碳可用透過超流體抽取法去抽取咖啡因，從而制造出脫咖啡因的咖啡。

液體加熱會變成氣態(tài)。這時分子或原子運動更劇烈，“類晶區(qū)”不復存在。由于分子或原子間的距離增大，它們之間的引力可以忽略，因此氣態(tài)主要表現(xiàn)為分子或原子各自的無規(guī)則運動，導致氣體特性有流動性，沒有固定的形狀和體積，容易壓縮；物理性質具有各向同性。

物態(tài)（物質狀態(tài)）是指一種物質出現(xiàn)不同的相。早期來說，物質狀態(tài)是以它的體積性質來分辨。在固態(tài)時，物質擁有固定的形狀和容量；而在液態(tài)時，物質維持固定的容量但形狀會隨容器的形狀而改變；氣態(tài)時，物質不論有沒有容量都會膨脹以進行擴散?？茖W家以分子之間的相互關系作分類。固態(tài)是指因分子之間因為相互的吸力因而只會在固定位置振動。 而在液體的時候，分子之間距離仍然比較近，分子之間仍有一定的吸引力，因此只能在有限的范圍中活動。至于在氣態(tài)，分子之間的距離較遠，因此分子之間的吸引力并不顯著，所以分子可以隨意活動。等離子態(tài)（Plasma），是在高溫之下出現(xiàn)的高度離化氣體。而由于相互之間的吸力是離子力，因而出現(xiàn)與氣體不同的性質，所以等離子態(tài)被認為是第四種物質狀態(tài)，是宇宙中普遍存在的一種物質的聚集狀態(tài)。假如有一種物質狀態(tài)不是由分子組成而是由不同力所組成，會形成一種新的物質狀態(tài)。例如：夸克-膠子漿等。

物態(tài)（物質狀態(tài)）也可用相的轉變來表達。相的轉變可以是結構上的轉變又或者是出現(xiàn)一些獨特的性質。根據(jù)這個定義，每一種相都可以其他的相中透過相的轉變分離出來。例如水數(shù)種固體的相。超導電性便是由相的轉變引伸出來，因此便有超導電性的狀態(tài)。同樣，液晶體狀態(tài)等都是用相的轉變所劃分出來并同時擁有不同的性質。

物態(tài)液晶體

液晶是介于各向同性液體與晶體之間的一種物質狀態(tài)。某一物質處在液晶態(tài)時，分子排列的有序度介于理想晶體的長程有序和液體的長程無序之間。液晶的特點是同時具有流動性和光學各向異性。液晶的化學和物理性質極其豐富，隨科學技術的發(fā)展，對液晶的認識也在不斷深化 。

液晶擁有液體的流動性和固體有序排列的特征。分子擁有液體的流動性，但它們（在一定范圍內(nèi)）只可以指向同一個方向，而且不能夠自由扭動。部分的液晶在科技上有很大的用途，例如液晶顯示器。

液晶對外界因素（如熱、電、光、壓力等）的微小變化很敏感。正是這些特性使其在許多方面得到廣泛應用。液晶屬于有機化合物，迄今人工合成的液晶已達5000多種。

物態(tài)無定形體

無定形體（又名非晶狀體）擁有像液體一樣的不規(guī)則結構，但由于分子間的運動相對不自由，因此通常納入固體的類別。常見例子有玻璃、聚苯乙烯、合成橡膠或其他聚合物。很多無定形體當加熱至玻璃轉化溫度時便會軟化成液體。此時，分子是自由流動的。無定形體不存在長距離的整齊排列，但是在有限范圍內(nèi)，氧原子（O）以正四面體的排列包圍硅（Si）原子。部分液體屬于非牛頓流體，黏度的大小受作用力和剪應力所影響。因此在某一個流動情況之下便變成無定形體。

非晶態(tài)也叫無定形或玻璃態(tài)，是一大類剛性固體。利用很高的冷卻速率，將傳統(tǒng)的玻璃工藝發(fā)展到金屬和合金，制成對應的非晶態(tài)材料，稱之為金屬玻璃或玻璃態(tài)金屬。非晶態(tài)材料的種類很多，硅土（SiO₂），以及硅土和Al、Na、Mg、Ca等元素的氧化物的混合物構成最古老、最重要的無機玻璃，近20多年來，由于非晶態(tài)材料優(yōu)異的物理、化學特性和廣泛的技術應用，使其得到了迅速的發(fā)展 。

例如普通玻璃不是處于固態(tài)（結晶態(tài)），而是非晶態(tài)。玻璃沒有固定的熔點，物理性質也是各向同性的。玻璃內(nèi)部結構沒有空間點陣，與液態(tài)的結構類似?！邦惥^(qū)”彼此不能移動，因此玻璃沒有流動性。嚴格地說，非晶態(tài)不屬于固體，因為固體專指晶體。非晶態(tài)是另一種物態(tài)。除普通玻璃外，常見的非晶態(tài)還有橡膠、石蠟、天然樹脂、瀝青和高分子塑料等。

超導體

因為超導體擁有零電阻的物質，所以可以有完美的導電性。當它處在外加磁場中，會對磁場產(chǎn)生的微弱排斥力，這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應或者完美的抗磁性。超導磁鐵在核磁共振成像機中用作電磁鐵。超導現(xiàn)象是在1911年發(fā)現(xiàn)，在往后的時間只知部分金屬和合金在絕對溫標30度之下?lián)碛羞@種特性。直到1986年，在一些陶瓷的氧化物中發(fā)現(xiàn)一種名為高溫超導電性的特質，而這種物態(tài)出現(xiàn)的溫度已提高到絕對溫度164度。

超導體的電阻完全消失的現(xiàn)象稱為超導電性，此狀態(tài)被稱為超導態(tài)。超導體在某些科學技術領域中開始進入實用階段。對高溫超導機理的理解可能會導致對很多被稱為電子強關聯(lián)的一大類材料物理本質的理解，同時在科學和技術兩個方面產(chǎn)生飛躍 。

已發(fā)現(xiàn)的超導材料主要是一些金屬、合金和化合物，已達幾千種。

超流體

當接近絕對零度時，部分液體會轉變成另一種的液體狀態(tài)名為超流體，它的特點是黏度值是零（有無限的流動性），超流動性是其最具特征的基本性質。科學家在1937年發(fā)現(xiàn)，將氦冷卻到低于λ溫度（2.17K）便形成超流體。此時，氦氣可以在容器中不斷流動，并可對抗地心吸力。氦-4為了找尋自己的定位會在容器上緩慢地流動，在短時間之后，兩個容器的水平將會是一致。而大容器的內(nèi)壁將會被“羅林膜”所覆蓋，如果容器的不是密封的，液體便會流出來。超流體擁有無限大的熱傳導率，所以在超流體中不能形成溫度梯度。這些特性可以用氦-4在超流體狀態(tài)中轉變成玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)來解釋。費米凝聚態(tài)的超流體也可以由氦的同位素氦-3或者鋰的同位素鋰-6在更低溫的狀態(tài)下轉變而成。

氦-4原子是玻色子，玻色-愛因斯坦統(tǒng)計允許很多原子同時處于一個量子態(tài)上。當溫度降至λ點以下時，有宏觀數(shù)量的氦原子同時凝聚在動量為零的單一量子態(tài)上，用一個宏觀波函數(shù)來描述。溫度在λ點以下的超流動性及其他特異現(xiàn)象都可用這種宏觀波函數(shù)的特性來解釋 。

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)

由愛因斯坦和玻色在1924年預測出來，也被稱為第五種物質狀態(tài)。多年來，玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)在氣體狀態(tài)下都是一個理論上的預測而已。最后，由克特勒、康奈爾及威曼所領導的團隊，在1995年首先透過實驗制造出玻色-愛因斯坦凝聚。玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)比固態(tài)時更冷。當原子有非常接近或者一致的量子等級和溫度非常接近絕對零度（－273℃）時便會出現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

對于遵從玻色–愛因斯坦統(tǒng)計且總粒子數(shù)守恒的理想氣體，存在一個極低但非零的轉變溫度T_c，當溫度低于T_c時，占全部粒子數(shù)有限百分比的（宏觀數(shù)量的）部分將聚集到單一的粒子最低能態(tài)上的現(xiàn)象。這是1925年愛因斯坦將S.玻色提出的處理黑體輻射（光子氣體）的方法推廣到實物粒子理想氣體得出的理論預言。后來被稱為玻色-愛因斯坦凝聚。聚集到最低能態(tài)上的所有粒子的集合被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體。

凝聚體是一種新的物態(tài)，可用單一波函數(shù)描寫，可研究這種原子波的相干效應以及相應的原子激光和原子光學 。玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)所具有的奇特性質，不僅對基礎研究有重要意義，在芯片技術、精密測量和納米技術等領域，也都有很好的應用前景。

里德伯分子

里德伯態(tài)屬于強力的非理想等離子的其中一種介穩(wěn)定狀態(tài)。當電子處于很高的激發(fā)態(tài)后冷凝而形成。當?shù)竭_某個溫度時，這些原子會變成離子和電子。在2009年4月，斯圖加特大學的研究員成功由一粒里德伯原子和一粒基態(tài)原子中創(chuàng)造出里德伯分子（實驗中利用極冷的銣原子），并由此證實了科羅拉多大學—博爾德校區(qū)的物理學家克里斯格林的假設，他認為這一種物質狀態(tài)是真正存在的。

里德伯原子是價電子被激發(fā)到高激發(fā)態(tài)能級結構的原子。其他的原子，甚至分子也可以產(chǎn)生里德伯態(tài)。里德伯原子半徑大，結合能小，壽命長，因此已被當作探針用來進行基礎研究和多方面的應用。里德伯原子的特殊性能已被用作測量微波、射電波及檢驗電磁場的探測器。在高密度氣體中的里德伯原子及分子還是新的激光工作物質 。

物態(tài)等離子態(tài)

當溫度達到攝氏數(shù)千度時便會形成等離子（離化氣體）。有些等離子是透過帶電荷的空氣粒子所做成，可以在一些恒星例如太陽中找到或雷電時產(chǎn)生。當加熱氣體時，電子會因為擁有足夠的動能而成功擺脫原子核的吸力，成為自由電子，不受原子或分子的包圍。離子是化學物種的一種，成因是質子的數(shù)目與電子不同而帶有電荷。自由電荷令到等離子有導電性，而令到它對磁場有強烈反應。在極高溫的情況之下，例如在恒星中，基本上假設電子是自由運動的，而極高能量的等離子像是一個空的原子核在電子海之中。等離子相是宇宙中最常見的物質狀態(tài)。等離子可以考慮為被高度離化的粒子，但因為粒子之間有極強的離子吸力而擁有截然不同的特性。因此被認為是一不同的相或者物質形態(tài)。

等離子體是由大量帶電粒子和中性粒子組成的，在電磁力作用下，粒子的運動和行為以集體效應為主的體系。而等離子體的集體效應，是指由于電磁等長程力的作用，粒子的運動狀態(tài)不僅取決于該粒子附近的局部條件，還取決于遠離該粒子的其他區(qū)域的狀態(tài)。等離子體狀態(tài)是區(qū)別于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的另一種物質存在狀態(tài)，常稱為物質第四態(tài)。等離子體廣泛出現(xiàn)在茫茫的宇宙之中。在地球表面，閃電、極光等是地球上的天然等離子體的輻射現(xiàn)象。此外等離子體只能人為產(chǎn)生，如充氣電子管、日光燈、霓虹燈、電弧、氣體放電等設備中產(chǎn)生的由電子、離子和中性粒子所組成的電離氣體就是等離子體，整體呈電中性。等離子體具有廣泛的技術應用，如空間技術、受控熱核聚變、同位素分離、無線電通信等 。

物態(tài)夸克-膠子漿

由歐洲核子研究組織（簡稱CERN）在2000年發(fā)現(xiàn)。因為質子和中子都是由夸克構成，而夸克能透過這種物質狀態(tài)中釋放出來，并能獨立觀察?？茖W家可以透過這種物質狀態(tài)下觀察夸克的特性，是從理論到實踐的一大飛躍。

夸克膠子等離子體是由許多夸克、反夸克和膠子組成的多體系統(tǒng)。簡稱夸克物質。所有的強相互作用粒子即強子，都是由夸克、反夸克和膠子構成的。迄今為止，不論在自然界，或通過實驗手段都沒有找到自由存在的夸克和膠子。然而，描述強相互作用的規(guī)范場理論預言，在超過一定的臨界能量密度（大約10²⁴電子伏/米³）時，夸克、反夸克和膠子可能沖破單個強子口袋的禁閉，而在一個大得多的空間范圍內(nèi)自由運動，形成夸克膠子等離子體 。

物態(tài)簡并態(tài)物質

在極高壓的環(huán)境下，常溫物質會轉變成一連串奇怪的物質狀態(tài)，統(tǒng)稱簡并態(tài)物質。這引起了天體物理學家的興趣。因為他們相信在恒星中，當核聚變的“燃料”用盡時會出現(xiàn)這種情況，例如白矮星和中子星。

中子星主要由簡并中子組成的性質奇特的致密天體。1932年發(fā)現(xiàn)中子后不久，L.朗道就提出可能存在由中子組成的致密星。1939年J.奧本海默和G.沃爾科夫通過計算建立了第一個中子星的模型。大質量恒星耗盡內(nèi)部核燃料后，星核坍縮，在某一點幾乎所有的自由電子將被迫與原子核中的質子結合形成中子。中子星的引力把大部分自由電子壓進原子核里，強迫它們與質子結合形成中子。中子星的密度極高，一匙勺中子星物質重10億噸，它與質量為1.7×10^－24克、“半徑”為10^－13厘米的單個中子的密度相似。中子星有極高的核密度以及極強的引力場 。

物態(tài)超固體

超固體可以在指定的空間下有秩序排列（即是固體或者晶體），但卻擁有例如超流體等多種非固體特性，因而被納入新的物質狀態(tài)。

超固體也稱超結構（超點陣），是有序固溶體結構的通稱。當固溶體有序化后，晶胞中的各個座位變得不等同了，不同組元的原子分別優(yōu)先占有特定的座位。當完全有序實現(xiàn)以后，晶體的結構類型就發(fā)生變化，有時甚至點陣類型也發(fā)生變化。完全有序化后，點陣類型也轉變?yōu)楹唵瘟⒎叫停晳T上仍稱之為具有超結構的固溶體 。

物態(tài)弦狀網(wǎng)液態(tài)

在正常的固體狀態(tài)下，物質中的原子應以網(wǎng)狀排列，因此對于任何一粒電子，它相鄰的電子的自旋方向應與它自身相反。但在弦狀網(wǎng)液態(tài)下，原子會以某種形式排列從而令到部分相鄰電子的自旋方向與它的方向相同，因而出現(xiàn)一些獨特的性質。有趣的是，這些特質對解釋在基礎情況下的宇宙中一些奇異現(xiàn)象有幫助。

弦狀網(wǎng)液態(tài)又稱液態(tài)亞點陣。可以認為快離子導體的點陣是由兩個亞點陣構成的，一個是不運動離子構成的剛性亞點陣，另一個是可運動離子構成的亞點陣。剛性亞點陣為可運動離子提供很多能量上近似相等的位置，可運動離子就無序地分布在這些位置上，因而稱為液態(tài)亞點陣。實驗上已證實液態(tài)亞點陣的存在?？祀x子導體兼有固體和液體的特性 。

物態(tài)玻璃態(tài)

玻璃態(tài)也稱硫璃態(tài)。原子或分子不像在晶體中那樣按某一規(guī)則排列的固態(tài)，原子排列僅有局域的、部分的規(guī)則性（短程有序），而無大范圍的、周期性的規(guī)則性（長程有序）的固體狀態(tài)。晶體和液體之間的轉變是一種相變，而且是一級相變。在非晶體與液體之間無一個確定的轉變溫度，當溫度下降時液體先變成黏滯性越來越大的過冷液體，然后在玻璃態(tài)轉變溫度處轉變成非晶體（玻璃態(tài)固體）。玻璃態(tài)轉變溫度并無定值，隨著液體的冷卻速率而改變，冷卻速率越快，玻璃態(tài)轉變溫度越低。過冷液體與非晶體之間的轉變，情況十分復雜，不能簡單地看成相變 。處于這種狀態(tài)的固體只能在非常長的時間后才結晶。當從熔體冷卻或其他方法形成玻璃時，體系所含的內(nèi)能并不處于最低值。物質在冷卻過程中內(nèi)能隨溫度而變化。因此從熱力學觀點，玻璃態(tài)是處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，與相應的結晶態(tài)比較，具有較高的內(nèi)能，有向晶體轉變的趨勢。但從動力學觀點看，它又是穩(wěn)定的，因為在常溫下由于玻璃的高粘度而不能自發(fā)地轉變?yōu)榻Y晶態(tài)，必須克服結晶所需的活化能才行。所以玻璃態(tài)屬于亞穩(wěn)態(tài) 。

注：某些實驗十分危險，這里未寫。

物態(tài)固態(tài)

可以通過將液態(tài)物體加壓或冷凍至凝點，也可以將超固態(tài)的物質減壓生成。

物態(tài)液態(tài)

可以通過固態(tài)物質加熱或減壓生成，也可以通過氣態(tài)物質冷凝或加壓生成。

物態(tài)氣態(tài)

可以將液態(tài)物質蒸發(fā)。2100433B

（3）所謂“環(huán)境物態(tài)文化”是人們在認識和改造自然過程中，所形成的文化以非人格化、器物的形式直觀表現(xiàn)出來的樣態(tài)，它是環(huán)境文化產(chǎn)生和發(fā)展的基礎，主要蘊含在宗教建筑、名勝古跡、自然風光、生活周邊的生態(tài)環(huán)境之中。其存在意義在于，為環(huán)境文化的產(chǎn)生、傳遞和傳承營造客觀氛圍、提供物質載體。

本書是系統(tǒng)介紹臨界物態(tài)土力學及其有限元法基本內(nèi)容的教材，共分ll章。第1～6章介紹了土的物理性質與分類、有效應力原理與土的應力一應變狀態(tài)、應力與應變路徑、土的室內(nèi)試驗、臨界物態(tài)線(面)的概念以及以劍橋模型為代表的臨界物態(tài)模型及其與室內(nèi)試驗的關系。第7～11章，在簡要論述了工程地質問題數(shù)值分析方法的基礎上，介紹了基于Crisp2D軟件臨界物態(tài)模型的有限元實現(xiàn)，重點介紹了一維固結與三軸壓縮試驗數(shù)值模擬、基坑開挖與剛性擋墻支護數(shù)值模擬、隧道開挖與支護數(shù)值模擬、基坑開挖與柔性擋墻支護數(shù)值模擬等算例。

本書可供高等學校地質、土木、交通、巖土工程專業(yè)的本科生作為選修課教材使用，亦可供上述相關專業(yè)的研究生或工程技術人員作為教材或參考用書自學使用。