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水的神奇極端狀態:超離子態和量子態

一滴水,蘊含著無窮的奧祕。(維基百科公有領域)
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【大紀元2018年02月08日訊】(大紀元記者張秉開編譯報導),我們最熟悉的物質,卻不只有氣、液、固三個狀態。一項最新研究描述,水可以同時顯示固和液兩個狀態,即超離子態

科學家將其命名為「超離子」。美國加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)的物理學家描述,這是非常奇怪的一種狀態。

科學家在《自然——物理學分刊》中報告,目前未在地球上發現這種特殊狀態的水。它可能存在於極端條件下,如海王星和天王星這樣的冰凍行星的深層。

實際上,這是科學家布里奇曼(Percy Bridgman)教授在二十世紀30年代提出的一種假設。在極其高溫和高壓的條件下,水之中的氫原子和氧原子的連接方式發生變化,其中氧原子形成晶體狀態,而氫原子變成液體狀。

可以說這時的水的結構已經不是我們平時所見的那杯水、那塊冰或那片水氣,而是一種「水冰」。而且它不是普通概念的「冰水」。

水分子的排列和組合方式不是教科書講授的那樣簡單。圖為水分子中的氧與氫原子的結合特點。(Flickr)

科技網站Quartz 2月7日報導說,提出此種推想的布里奇曼教授後來因為發展出極端狀態物理領域而獲得1946年諾貝爾獎,但是幾十年內來無人能在實驗室證實這種「水冰」是否存在。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室科學家終於證實,水冰是存在的。

他們用金剛石襯墊為液態水施加2.5萬倍大氣壓,讓水進入一種所謂「冰VII」狀態,同時給予激光照射,照射時間極短(幾十億分之一秒)。因此這時水處於一種所受壓力高達190GPa(相當於200萬倍大氣壓)、溫度高達5,000攝氏度(9,000華氏度)的極端狀態,即得到「超離子水」。這時的水已經不再是透明狀態。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家米勒(Marius Millot)對《紐約時報》說:「這是一種非常奇怪的水。」

科學家發現,水結成冰是個非常複雜的過程。圖:雪花冰晶的顯微鏡下圖像。(維基百科公有領域)

科學家聯想到,海王星和天王星那裡的極端狀態下,很可能存在這種超離子水

科學家還表示,證實這種超離子水的存在之意義不僅在於展現原子世界的奇妙,而且能促進新材料的開發。

近年來,科學家還證實水有更多種狀態。2016年4月,美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)說,首次發現水分子在極端條件下可以呈現出量子態

科學家描述說:「水在一種低溫的極端狀態下,發生隧穿效應(tunneling)的水分子表現出量子運動,可穿透周圍的隔牆。這是在經典力學裡無法發生的一種現象。」

2017年6月,瑞典斯特格爾摩大學的科學家報告,X射線觀測在低溫下水結冰的狀態,發現其過程極為複雜。其中的水分子在密度高和低的狀態之間不斷地轉換。

特格爾摩大學的化學物理學家尼爾森(Anders Nilsson)表示,不只是水結冰狀態的真實情況超出想像,即使在室溫下我們眼睛看到的一杯水,其實也無法判斷其中水分子的密度狀態高或低。#

責任編輯:林琮文

 

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2018-02-08 1:54 PM
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