📌  相关文章
📜  什么是等离子体和玻色-爱因斯坦凝聚体？

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:54:18.186000             🧑  作者: Mango

什么是等离子体和玻色-爱因斯坦凝聚体？

我们对事物这个词非常熟悉。我们周围的一切都可以被视为一件事情。通常，人们错误地认为对物质的研究只涉及它的三种状态，即固态、液态和气态。但是，除了这三种之外，物质在自然界中确实存在其他形式的状态。本文的重点是研究不同的物质状态，即固体、液体和气体，以及另外两种物质状态，包括等离子体和玻色-爱因斯坦凝聚。

根据粒子间的作用力和粒子的排列方式，它们通常分为固态、液态和气态三种状态。这三种状态可以通过升高或降低温度和压力相互转换。

物质的四种基本状态描述如下：

  1. 固体：具有固定形状和大小的物质状态称为固体。它们消耗最低的能量并且难以压缩。固体物质的分子紧密排列。密度是所有三种状态中固体的最大值，其扩散速率可以忽略不计。
  2. 液体：没有固定形状但有一定体积的物质状态称为液体。它们消耗中等能量功率。压缩液体几乎是困难的。分子的排列是随机且稀疏的。它具有中等密度水平，液体物质的扩散速率取决于粒子间的吸引力。
  3. 气体：既没有确定形状也没有体积的物质状态称为气体。它在所有三种状态中消耗的能量最高，并且很容易压缩处于气态的物质。分子排列随机且更稀疏。他们可以在任何地方自由移动。气态密度最低。它具有最大的扩散率。
  4. 等离子体：等离子体是一种类似于气体的物质状态，它既没有刚性的形状也没有体积。但与气体不同的是，这些物质状态是高度带电的，在其中储存了大量的动能，从而使等离子体产生磁场和电场。

等离子体

为了使这种状态变化发生，必须施加非常强的热量。当热量足够强时，电子会从它们各自的原子中剥离，产生自由电子和正离子。尽管同时存在负粒子和正粒子，但等离子体总体上是中性的，因为存在等量的带相反电荷的粒子。

由于存在自由电子，等离子体形式的物质可以导电。这就是将气体与等离子体分离的原因。所有气体都不能导电，但等离子体可以。自然产生的等离子体包括闪电和北极光。如果我们要远远超越地球，恒星也以等离子体形式存在。事实上，恒星实际上只是等离子体的热球。

等离子可以在荧光灯泡和霓虹灯中找到。当电流通过荧光灯泡中的汞蒸气时，它会充分加热气体以剥离电子并产生等离子体。由于这种物质状态，等离子屏幕电视成为可能。等离子屏幕由成千上万个称为像素的小点组成，这些点由三个荧光电极组成，发出红色、绿色和蓝色。这些颜色的组合可以给出任何可能的颜色，这就是为什么我们可以看到这些颜色的所有颜色。

血浆形式的一些例子是：

  1. 闪电
  2. 极光
  3. 太阳风
  4. 焊接弧
  5. 彗尾等。

以上四种是物质的主要状态。但是物质可以以各种其他形式存在。其中一些描述如下：

  • 超流体：这是其粘度为零的物质状态，这意味着它可以静止地流动而不会失去动能。物质的这种特性也称为超流性。为了 例如，在氦的同位素 Helium-3 和 Helium-4 中可以观察到超流体流动性。
  • 费米子凝聚物：费米子凝聚物是遵循费米-狄拉克统计的粒子的超流体相。费米-狄拉克静力学是一种量子静力学，通常在具有半整数自旋（1/2、3/2 等）的相同粒子中观察到。这些粒子被称为费米子。例如，氦 3 原子在非常低的温度下充当镄并表现出费米离子凝聚体的性质。
  • 里德堡极化子：里德堡极化子是一种在低温下产生的奇异物质状态，其中一个非常大的原子在原子核和电子之间的空间中包含其他普通原子。为了形成这个原子，科学家们不得不将原子物理学的玻色-爱因斯坦凝聚和里德堡原子这两个领域结合起来。里德堡原子是通过将单个原子激发到电子离核很远的高能状态而形成的。玻色-爱因斯坦凝聚体是在接近绝对零的温度下产生的物质状态。里德堡原子是通过使用激光激发玻色-爱因斯坦凝聚物中作为杂质包含的里德堡原子来诱导的。在这些里德堡原子中，电子与原子核之间的平均距离可达数百纳米，是氢原子半径的一千多倍。在这种情况下，激发的里德堡原子的原子核和电子之间的距离高于凝聚态原子的平均距离，因此一些原子位于里德堡原子的轨道内。
  • 玻色-爱因斯坦凝聚：玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）是一种由玻色子组成的稀气体冷却到非常接近绝对零的温度的物质状态。在这种条件下，大部分玻色子占据最低量子态，此时微观量子现象，特别是波函数干涉变得明显。

让我们详细讨论一下 Bode-Einstein Condensate。

玻色-爱因斯坦凝聚体

为了更好地理解这一点，您首先需要了解粒子在高温和低温下的反应。较热的粒子倾向于移动得更快，而较冷的粒子移动得更慢，因为它们正在失去热能。现在想象一下和你的朋友在一条直线上奔跑，你跑得越慢，你就会越挤。原子也是如此，但对于原子来说，问题是原子到底能离多近？它们都可以堆叠在一起吗？还是必须有一些最小的空间？

泡利不相容原理在这里发挥了作用。这个原则表明原子之间必须有一些最小的空间。我们将讨论两种类型的粒子，即：

  • 费米子
  • 玻色子

Siddartha Nath Bose和Albert Einstein是这一现象理论的创造者。遗憾的是，由于缺乏技术，他们无法对其进行测试。但是Eric Cornell、Wolfgang Cartel和Carl Whitman在 2001 年。他们创造了一个激光陷阱这个激光陷阱。该激光捕获原子，并且所有激光都指向它，这使原子处于可以吸收光子的精确状态。光子被吸收并沿随机方向重新发射。因此显着冷却原子。但这还不够，必须采用另一种冷却方法，如蒸发。原子非常冷，但仍有更多具有更多热能的粒子。通过点燃这些粒子离开，我们已经难以置信地降低了原子的温度。这就是玻色-爱因斯坦凝聚态。

粒子只能具有一定的能量。它们要么具有在气体中反弹的能量，要么具有像液体一样流动或像固体一样固定它的能量。如果你带走足够多的粒子能量，你就会得到尽可能最小或最小的能量。这是一个玻色-爱因斯坦凝聚态。这使得所有粒子完全一样，而不是在所有不同的方向上随机弹跳，它们都以完全相同的方式上下弹跳，形成了一种叫做巨型物质波的东西。

示例问题

问题1：玻色-爱因斯坦凝聚态是低温状态吗？如果是，为什么？

解决方案：

问题2：物质的基本状态是什么？

解决方案：

问题3：等离子体是如何形成的？

解决方案：

问题 4：什么是相变？

解决方案：

问题 5：物质的低温状态有哪些？

解决方案：