关于高压下的物质状态介绍

[拼音]：gaoya xia de wuzhi zhuangtai

[外文]：state of materials under high pressure

在压力作用下，被压缩物质内部的原子(或分子)相互靠拢，并引起原子间相互作用能及其压缩特性发生相应的变化。图中是一组元素的压缩曲线。从图上看出，在较低压力下， 元素的原子体积V随原子序数Z 呈明显的周期性变化，这种周期性变化的规律说明，碱金属的压缩系数kp为压力最大，短周期的Ⅲ、ⅥA族元素和长周期的Ⅶ族过渡金属的压缩系数最小。这种周期性特征甚至在 1兆巴压力下还能见到。由此可见，此时的元素压缩性主要取决于元素化学性质的外层电子。随着压力增高，元素的内层电子逐渐参与原子的相互作用，因而决定元素化学性质的价电子作用也相应地减弱。到10兆巴左右，这种周期性特征已基本消失。

在上述压力范围的低压部分，物质的物态方程可以用有限应变理论物态方程描述；高压部分则可用格临爱森物态方程描述（见固体状态方程）。

在更高压力下，物质可被压缩到其点阵结构与原子内的壳层结构不复存在。这时可以近似地认为电子是连续分布的部分简并性费密－狄喇克气体。原子核被高密度电子屏蔽，其间的长程库仑相互作用可以忽略，于是原子核的运动可用经典方法处理，例如可视为理想气体。这种被高度压缩物质的近似结构模型称为托马斯－费密模型或统计近似模型。描述这种物质状态方程是托马斯-费密状态方程和托马斯-费密-狄喇克状态方程。

仅当电子密度足够高时，托马斯-费密模型才能适用。对于重元素，例如原子序数大于90时，需要压强达到10兆巴以上；对于轻元素，例如氢，需要压强达到100兆巴以上。

以上假定电子气体是非相对论性的。当压力达到1017巴后，相当一部分电子的动能可与mec2相比拟（me为电子质量，c为光速），于是需要涉及相对论性效应（见狭义相对论）。

物质进一步被压缩，电子可被原子核俘获，使核电荷减少，同时放出中微子。结果电子总数减少，而其密度不变，使得压力也大致不变。此过程一直持续到全部原子核均各俘获一个电子，原子序数从Z变到Z-1为止。

物质如再进一步被压缩，核电荷将更加减少，结果原子核中含有的中子过多，变得不稳定而蜕变。当压力达到1024巴，密度达到3×1011克／厘米3时，中子数开始超过电子数。当密度超过1012克／厘米3后，中子对压力的贡献也超过电子的贡献。这时物质可视为主要由中子的简并性费密-狄喇克气体构成，电子与各种原子核则是少量杂质。

最后，当密度甚大于6×1015克／厘米3时，中子气体成为极端相对论性的。这时物质中除去中子外，还有可能出现他种粒子。