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水的神奇极端状态:超离子态和量子态

一滴水,蕴含着无穷的奥秘。(维基百科公有领域)
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【大纪元2018年02月08日讯】(大纪元记者张秉开编译报导),我们最熟悉的物质,却不只有气、液、固三个状态。一项最新研究描述,水可以同时显示固和液两个状态,即超离子态

科学家将其命名为“超离子”。美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的物理学家描述,这是非常奇怪的一种状态。

科学家在《自然——物理学分刊》中报告,目前未在地球上发现这种特殊状态的水。它可能存在于极端条件下,如海王星和天王星这样的冰冻行星的深层。

实际上,这是科学家布里奇曼(Percy Bridgman)教授在二十世纪30年代提出的一种假设。在极其高温和高压的条件下,水之中的氢原子和氧原子的连接方式发生变化,其中氧原子形成晶体状态,而氢原子变成液体状。

可以说这时的水的结构已经不是我们平时所见的那杯水、那块冰或那片水汽,而是一种“水冰”。而且它不是普通概念的“冰水”。

水分子的排列和组合方式不是教科书讲授的那样简单。图为水分子中的氧与氢原子的结合特点。(Flickr)

科技网站Quartz 2月7日报导说,提出此种推想的布里奇曼教授后来因为发展出极端状态物理领域而获得1946年诺贝尔奖,但是几十年内来无人能在实验室证实这种“水冰”是否存在。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室科学家终于证实,水冰是存在的。

他们用金刚石衬垫为液态水施加2.5万倍大气压,让水进入一种所谓“冰VII”状态,同时给予激光照射,照射时间极短(几十亿分之一秒)。因此这时水处于一种所受压力高达190GPa(相当于200万倍大气压)、温度高达5,000摄氏度(9,000华氏度)的极端状态,即得到“超离子水”。这时的水已经不再是透明状态。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家米勒(Marius Millot)对《纽约时报》说:“这是一种非常奇怪的水。”

科学家发现,水结成冰是个非常复杂的过程。图:雪花冰晶的显微镜下图像。(维基百科公有领域)

科学家联想到,海王星和天王星那里的极端状态下,很可能存在这种超离子水

科学家还表示,证实这种超离子水的存在之意义不仅在于展现原子世界的奇妙,而且能促进新材料的开发。

近年来,科学家还证实水有更多种状态。2016年4月,美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)说,首次发现水分子在极端条件下可以呈现出量子态

科学家描述说:“水在一种低温的极端状态下,发生隧穿效应(tunneling)的水分子表现出量子运动,可穿透周围的隔墙。这是在经典力学里无法发生的一种现象。”

2017年6月,瑞典斯特格尔摩大学的科学家报告,X射线观测在低温下水结冰的状态,发现其过程极为复杂。其中的水分子在密度高和低的状态之间不断地转换。

特格尔摩大学的化学物理学家尼尔森(Anders Nilsson)表示,不只是水结冰状态的真实情况超出想像,即使在室温下我们眼睛看到的一杯水,其实也无法判断其中水分子的密度状态高或低。#

责任编辑:林琮文

 

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2018-02-08 1:54 PM
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