第一章 化學(xué)反應(yīng)的基本原理

山東大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院大學(xué)化學(xué)Ⅴ（工程）主講教師姓名：魏云鶴主沉浮單位：化學(xué)與化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝研究所聯(lián)系電話-mail：chenfuz@化學(xué)是一門在原子、分子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)。簡言之，化學(xué)是研究物質(zhì)的化學(xué)變化為主的科學(xué)?；瘜W(xué)家在做什么

化學(xué)包含著兩種不同類型的工作：有些化學(xué)家在研究自然界并試圖了解它；同時(shí)另一些化學(xué)家則在創(chuàng)造自然界不存在的新物質(zhì)和完成化學(xué)變化的新途徑。實(shí)際上，自人類出現(xiàn)在地球上那一刻起，這兩方面的工作都有了。生命科學(xué)生物化學(xué)土壤化學(xué)土壤學(xué)化學(xué)醫(yī)用化學(xué)醫(yī)學(xué)藥物化學(xué)藥學(xué)營養(yǎng)化學(xué)營養(yǎng)學(xué)環(huán)境科學(xué)環(huán)境化學(xué)材料化學(xué)地球化學(xué)宇宙化學(xué)地質(zhì)學(xué)材料科學(xué)農(nóng)業(yè)化學(xué)宇宙學(xué)海洋化學(xué)海洋學(xué)農(nóng)學(xué)物理化學(xué)物理學(xué)特點(diǎn)：以現(xiàn)代化學(xué)的基本理論為經(jīng)，以在工程技術(shù)中的應(yīng)用為緯，把兩個(gè)方面的內(nèi)容穿插編織在一起。大學(xué)化學(xué)Ⅴ（工程）工程技術(shù)化學(xué)內(nèi)容第一部分：反應(yīng)原理與反應(yīng)類型第一章化學(xué)反應(yīng)的基本原理（8）第二章溶液和離子平衡（6）第三章電化學(xué)基礎(chǔ)（4）第二部分：物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第四章原子結(jié)構(gòu)與元素周期系（4）第五章分子機(jī)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)（2）第六章配位化合物（2）第三部分：材料化學(xué)基礎(chǔ)第七章無機(jī)工程材料（1）第八章有機(jī)及高分子材料（1）6第一章

化學(xué)反應(yīng)的基本原理7在研究化學(xué)反應(yīng)時(shí)，人們總會(huì)思考一些問題幾種物質(zhì)放在一起，大家會(huì)想：a，c，d屬于化學(xué)熱力學(xué)問題，而b，e屬于化學(xué)動(dòng)力學(xué)問題。a.能否發(fā)生反應(yīng)？b.反應(yīng)速率多大？c.會(huì)發(fā)生怎樣的能量變化？d.到什么程度時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡？e.反應(yīng)機(jī)理如何？8化學(xué)反應(yīng)的基本原理明確系統(tǒng)、環(huán)境、相、聚集狀態(tài)等概念認(rèn)識(shí)反應(yīng)熱效應(yīng)、熱化學(xué)方程式等概念能初步運(yùn)用蓋斯定律進(jìn)行簡單的熱效應(yīng)計(jì)算熟悉常用熱力學(xué)函數(shù)的意義，并能正確書寫掌握化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算，判斷反應(yīng)自發(fā)性認(rèn)識(shí)化學(xué)平衡及平衡常數(shù)的意義，能用Kθ~ΔGθ關(guān)系式計(jì)算了解反應(yīng)速率、基元反應(yīng)、反應(yīng)速率方程、反應(yīng)級(jí)數(shù)等概念認(rèn)識(shí)質(zhì)量作用定律的意義，了解溫度等對(duì)反應(yīng)速率的影響9化學(xué)反應(yīng)的基本原理第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)第二節(jié)化學(xué)反應(yīng)的方向第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度和化學(xué)平衡第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)的速率10第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)有關(guān)的基本概念和知識(shí)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)和焓變蓋斯定律標(biāo)準(zhǔn)生成焓和化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)焓變的計(jì)算11一、基本概念和基本知識(shí)理想氣體分壓定律

系統(tǒng)與環(huán)境

內(nèi)能熱和功能量守恒定律聚集狀態(tài)與相

狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)過程與途徑

121系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)--體系（System）在科學(xué)研究時(shí)必須先確定研究對(duì)象，把一部分物質(zhì)與其余分開，這種分離可以是實(shí)際的，也可以是想象的。這種被劃定的研究對(duì)象稱為系統(tǒng)，亦稱為物系或體系。環(huán)境（Surroundings）與系統(tǒng)密切相關(guān)、有相互作用或影響所能及的部分稱為環(huán)境。系統(tǒng)以外的其它部分為環(huán)境。系統(tǒng)+環(huán)境=宇宙13系統(tǒng)的分類按照系統(tǒng)（體系）與環(huán)境之間的物質(zhì)和能量的交換關(guān)系，通常將體系分為三類：敞開系統(tǒng)（敞開體系）封閉系統(tǒng)（封閉體系）孤立系統(tǒng)（孤立體系）14（1）敞開系統(tǒng)（opensystem）系統(tǒng)與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量交換。15（2）封閉系統(tǒng)（closedsystem）

系統(tǒng)與環(huán)境之間無物質(zhì)交換，但有能量交換。16（3）孤立系統(tǒng)（isolatedsystem）

系統(tǒng)與環(huán)境之間既無物質(zhì)交換，又無能量交換，故又稱為隔離系統(tǒng)。有時(shí)把封閉系統(tǒng)和體系影響所及的環(huán)境一起作為孤立系統(tǒng)來考慮。17注意：系統(tǒng)與環(huán)境是可以相互轉(zhuǎn)化的研究目的不同，劃分方法不同系統(tǒng)與環(huán)境之間有可能存在確定邊界，也有可能僅是假想邊界182狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)

系統(tǒng)的狀態(tài)（States）系統(tǒng)的狀態(tài)是指系統(tǒng)所處的狀況。熱力學(xué)用系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)描述系統(tǒng)的狀態(tài)。系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)通常包括：溫度、體積、壓力、物質(zhì)的量、熱力學(xué)能等。對(duì)定量、定組成的均相系統(tǒng)，任意兩個(gè)獨(dú)立的宏觀性質(zhì)可確立系統(tǒng)的性質(zhì)。

例如理想氣體系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)有：體積、溫度、物質(zhì)的量等等，只要其中的兩個(gè)性質(zhì)確定了，系統(tǒng)的狀態(tài)也就確定。因此，所謂狀態(tài)實(shí)際上是系統(tǒng)的總性質(zhì)。19

狀態(tài)函數(shù)（Statefunction）

系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)又稱為系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)(P、V、T)。若系統(tǒng)的狀態(tài)一定，就意味著系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)函數(shù)都具有唯一確定的值；只要狀態(tài)函數(shù)之一發(fā)生變化，系統(tǒng)的狀態(tài)必然發(fā)生變化。狀態(tài)一定，狀態(tài)函數(shù)的值也一定；狀態(tài)函數(shù)的變化值只與系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與變化的過程無關(guān)。狀態(tài)函數(shù)的特點(diǎn)20理想氣體兩種不同變化過程P3=303.9kPaT3=473KV3=0.845m3P1=101.3kPaT1=373KV1=2m3P1=202.6kPaT1=373KV1=1m3

（I）加壓（II）加壓、升溫減壓、降溫始態(tài)終態(tài)21狀態(tài)方程（Stateequation）體系狀態(tài)函數(shù)之間的定量關(guān)系式稱為狀態(tài)方程。對(duì)于一定量的單組分均勻體系，狀態(tài)函數(shù)T，p，V之間有一定量的聯(lián)系。經(jīng)驗(yàn)證明，只有兩個(gè)是獨(dú)立的，它們的函數(shù)關(guān)系可表示為：T=f(p,V)；p=f(T,V)；V=f(p,T)例如，理想氣體的狀態(tài)方程可表示為：PV=nRT223過程與途徑過程（Process）狀態(tài)變化的經(jīng)過稱為過程（等溫、等壓、等容、絕熱過程、循環(huán)過程、可逆過程）。途徑（Path）完成過程的具體步驟稱為途徑。等壓過程：

ΔP=0；等容過程：ΔV=0；等溫過程：ΔT=0顯然，狀態(tài)1→狀態(tài)2，途徑會(huì)多種多樣始態(tài)→終態(tài)23實(shí)際過程與完成過程的不同途徑298K，101.3kPa298K，506.5kPa375K，101.3kPa375K，506.5kPa等溫過程途徑(Ⅱ)等壓過程途徑(Ⅰ)等溫過程(Ⅰ)等壓過程實(shí)際過程（Ⅱ）狀態(tài)1→狀態(tài)2：途徑不同，狀態(tài)函數(shù)改變量相同始態(tài)→終態(tài)244內(nèi)能--熱力學(xué)能（Internalenergy，U）內(nèi)能是指系統(tǒng)內(nèi)部所包含的各種能量之總和。包括分子運(yùn)動(dòng)的平動(dòng)能、分子內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)能、振動(dòng)能、電子能、核能以及各種粒子之間的相互作用位能等。它不包括系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能及系統(tǒng)在外場(chǎng)中的位能。內(nèi)能是系統(tǒng)的一種性質(zhì)，所以它只取決于狀態(tài)，即內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)。內(nèi)能的絕對(duì)數(shù)量是無法測(cè)量的（即不可知的）。我們只關(guān)心內(nèi)能的變化量255熱和功熱（Heat）體系與環(huán)境之間因溫差而傳遞的能量稱為熱，用符號(hào)Q表示，單位為J或kJ。功（Work）體系與環(huán)境之間傳遞的除熱以外的其它能量都稱為功，用符號(hào)W表示，單位為J或kJ。功可分為體積功和非體積功（其它功或有用功，W’）兩大類。通常我們說系統(tǒng)不做其他功，意味著W’=026熱和功的取號(hào)系統(tǒng)從環(huán)境吸熱時(shí)，Q為正值；系統(tǒng)向環(huán)境放熱時(shí)，Q為負(fù)值。環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)，W為正值；系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功時(shí)，W為負(fù)值。Q和W都不是狀態(tài)函數(shù)，其數(shù)值與變化途徑有關(guān)。沒有過程也就無所謂功和熱。體積功：W=-P外ΔV276能量守恒定律--熱力學(xué)第一定律偉大的、運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律--恩格斯《反杜林論》熱力學(xué)第一定律是能量守恒和轉(zhuǎn)化定律在熱力學(xué)上的具體表現(xiàn)，它指明：熱是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種形式。熱力學(xué)第一定律是人類經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

28一般公認(rèn)，邁爾（Mayer，1814~1878年

）于1842年首先提出普遍“力”(即現(xiàn)在所謂的能量)的轉(zhuǎn)化和守恒的概念。焦耳（Joule，1818~1889年）1840～1860年間用各種不同的機(jī)械生熱法，進(jìn)行熱功當(dāng)量測(cè)定，給能量守恒和轉(zhuǎn)化概念以堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，從而使熱力學(xué)第一定律得到科學(xué)界的公認(rèn)。到1850年，科學(xué)界公認(rèn)能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律之一。1cal=4.1840J這就是著名的熱功當(dāng)量，為能量守恒原理提供了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)證明。29外界傳遞給一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量和系統(tǒng)對(duì)外所作的功的總和。熱力學(xué)第一定律的描述第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制造的。能量只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，既不會(huì)無中生有，也不會(huì)自行消失。自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不同形式，能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但在轉(zhuǎn)化過程中，能量的總值不變。30第一類永動(dòng)機(jī)一種既不靠外界提供能量，本身也不減少能量，卻可以不斷對(duì)外作功的機(jī)器稱為第一類永動(dòng)機(jī)，它顯然與能量守恒定律矛盾。歷史上曾一度熱衷于制造這種機(jī)器，均以失敗告終，也就證明了能量守恒定律的正確性。一個(gè)關(guān)于永動(dòng)機(jī)的錯(cuò)覺圖，水沒有動(dòng)力，但卻在無休止流動(dòng)。31熱力學(xué)第二定律奧斯特瓦爾德：任何熱力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)不可能將所接受的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。第二類永動(dòng)機(jī)不可能制造成功。

克勞修斯：一個(gè)自動(dòng)運(yùn)作的機(jī)器，不可能把熱從低溫物體移到高溫物體而不發(fā)生任何變化。開爾文：不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響；或不可能用無生命的機(jī)器把物質(zhì)的任何部分冷至比周圍最低溫度還低，從而獲得機(jī)械功。丹尼斯·李（DennisLee）

32/publicforum/content/free/1/1834589.shtml『天涯雜談』不可能中的可能，世界第一個(gè)永動(dòng)機(jī)專利已在中國被授權(quán)，如若成功影響世界(實(shí)名發(fā)帖)33/jcschh1984/blog/item/4144e0fa2c6cedd4b48f31fe.html中國人發(fā)明的永動(dòng)機(jī)申請(qǐng)專利公布一覽34從環(huán)境吸熱Q向環(huán)境做功WU2=U1+Q+W狀態(tài)（Ⅰ）狀態(tài)（Ⅱ）內(nèi)能U1內(nèi)能U2外界傳遞給一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量和系統(tǒng)對(duì)外所作的功的總和。35第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式

U=U2–U1=Q+WdU=

Q+

W因?yàn)闊崃W(xué)能是狀態(tài)函數(shù)，數(shù)學(xué)上具有全微分性質(zhì)，微小變化可用dU表示；Q和W不是狀態(tài)函數(shù)，微小變化用

表示，以示區(qū)別。也可用

U=Q-W表示，兩種表達(dá)式完全等效，只是W的取號(hào)不同。用該式表示的W的取號(hào)為：環(huán)境對(duì)體系作功，W<0；體系對(duì)環(huán)境作功，W>0

。對(duì)微小變化：36例:某封閉系統(tǒng)在某一過程中從環(huán)境中吸收了50kJ的熱量，對(duì)環(huán)境做了30kJ的功，則系統(tǒng)在過程中熱力學(xué)能變?yōu)椋害系統(tǒng)=Q+W=（+50kJ）+（-30kJ）=20kJ即：體系熱力學(xué)能凈增為20kJΔU環(huán)境=？377理想氣體分壓定律理想氣體狀態(tài)方程：pV=nRT

道爾頓分壓定律：數(shù)種不同的理想氣體混合起來，其總壓力可認(rèn)為是每種理想氣體所施加壓力之和。

(J.Dolton)38p總＝p1+p2+……+pN＝Σpi（i＝1，2，…，N）

分壓指混合氣體中某一種氣體在與混合氣體處于相同溫度下時(shí)，單獨(dú)占有整個(gè)容積時(shí)所呈現(xiàn)的壓力。對(duì)混合理想氣體中的每種組分氣體，理想氣體狀態(tài)方程式仍然適用：

piV=niRT

39p1V＝n1RT，p2V＝n2RT，…

p總V＝(pl+p2+p3+…)V＝(n1+n2+n3+…)RT

即：p總V＝n總RT由上可得：令故（摩爾分?jǐn)?shù)）40分體積是指混合氣體中任一氣體在與混合氣體處于相同溫度下，保持與混合氣體總壓相同時(shí)所占有的體積?；旌蠚怏w的總體積等于各種氣體的分體積的代數(shù)和。同樣可得：418聚集狀態(tài)與相（1）聚集狀態(tài)物質(zhì)存在的一種形式。

氣態(tài)（gas）、液態(tài)（liquid）、固態(tài)（solid）

物質(zhì)在通常情況下以什么狀態(tài)存在，主要取決于構(gòu)成物質(zhì)的微粒間的作用力及外部條件（如溫度、壓強(qiáng)等）。42固態(tài)：從宏觀上講，是指具有一定的體積和形狀的物體，從微觀上講，是指組成物質(zhì)的微觀粒子按一定規(guī)則周期性、對(duì)稱性地排列，因此，我們講的固態(tài)是結(jié)晶態(tài)。組成結(jié)晶態(tài)的物質(zhì)微粒都有較強(qiáng)的相互作用力（這種相互作用力稱為“鍵”，常見的有離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵等），這些微粒在各自的平衡位置附近做無規(guī)則的振動(dòng)，一般不能離開自己的平衡位置，因此固體有一定的體積，也有一定的形狀，并且熔化和凝固都有確定的溫度，即有確定的熔點(diǎn)。43液態(tài)：從宏觀上講，是指具有一定的體積，不容易被壓縮，但沒有一定的形狀，能夠流動(dòng)的物體。從微觀上講，組成物質(zhì)的微粒（分子）相互間也有較強(qiáng)的作用力，分子的排列情況更接近于固體，只是它們的有規(guī)則排列局限于很小的區(qū)域內(nèi)（約在10-７m的范圍內(nèi)），而眾多的這些小區(qū)域之間則是完全無序地聚合在一起。44氣態(tài)：從宏觀上講，是指既沒有一定的形狀，也沒有一定的體積的物體，它總是充滿整個(gè)容器，很容易被壓縮。從微觀上講，氣體分子間距很大，它們的相互作用力很小，除了在相互發(fā)生碰撞或與器壁發(fā)生碰撞以外，氣體分子的運(yùn)動(dòng)近似地可以看做是勻速直線運(yùn)動(dòng)，直到與其他分子或器壁發(fā)生碰撞為止，因此氣體總是充滿整個(gè)容器。45等離子態(tài)--電漿態(tài)（Plasma）

所謂等離子態(tài)，是氣體分子被高溫或外加強(qiáng)磁場(chǎng)電離形成的。該狀態(tài)有大量的正離子、電子及未電離的氣體分子組成。它蘊(yùn)含有大量的能量，一旦降溫或降低場(chǎng)強(qiáng)，等離子態(tài)將被破壞，同時(shí)釋放出大量能量。定義：當(dāng)氣體電離產(chǎn)生的帶電粒子密度超過一定限度(>0.1%)，電離的氣體行為將主要決定于離子和電子間的庫侖力。這種電離氣體成為有別于普通氣體的一種新的聚集態(tài)，通常稱等離子體。46太陽、恒星及地球上空的電離層等都是等離子體。在整個(gè)宇宙中，按質(zhì)量估計(jì)，90％以上的物質(zhì)處于等離子態(tài)。自然界中也可看到等離子體現(xiàn)象，如閃電和極光。等離子態(tài)的形成：把冰加熱到一定程度，會(huì)變成液態(tài)的水，如繼續(xù)升高溫度，液態(tài)的水就會(huì)變成氣態(tài)，如果繼續(xù)升高溫度到幾千度以上，氣體的原子就會(huì)拋掉身上的電子，發(fā)生氣體的電離化現(xiàn)象，物理學(xué)家把電離化的氣體就叫做等離子態(tài)。阿拉斯加上空的極光加拿大育空地區(qū)的極光

太陽47不同形態(tài)的等離子體等離子態(tài)形成的星系48等離子體撞擊晶體應(yīng)用：等離子體有利于產(chǎn)生“高能量”、“高密度”的化學(xué)反應(yīng)條件，從早期作為導(dǎo)電流體、高能量密度的熱源發(fā)展到化學(xué)合成、薄膜制備、表面處理和精細(xì)化工等領(lǐng)域，促成了一系列工藝革新和巨大的技術(shù)進(jìn)步。49深空1號(hào)探測(cè)器（DeepSpace1）及其發(fā)動(dòng)機(jī)50玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)--第五態(tài)

如果物質(zhì)不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，接近絕對(duì)零度（-273.16℃）時(shí)，在這樣的極低溫下，物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)什么奇異的狀態(tài)呢？

這時(shí)，奇跡出現(xiàn)了--所有的原子似乎都變成了同一個(gè)原子，再也分不出你我他了！這就是物質(zhì)第五態(tài)--玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)Bose–EinsteinCondensation，BEC條件：1達(dá)到極低的溫度2原子體系處于氣態(tài)51美國麻省理工學(xué)院（MIT）的WolfgangKetterle和科羅拉多大學(xué)JILA研究所的CarlWieman，EricCornell因在1995年6月，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)玻色－愛因斯坦凝聚現(xiàn)象而分享了2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。銣（Rb）原子氣體，高于絕對(duì)零度0.0000002（2×10-8）K52玻愛凝聚態(tài)的性質(zhì)：

這些原子組成的集體步調(diào)一致，內(nèi)部沒有任何阻力。激光就是光子的玻愛凝聚，在一束細(xì)小的激光里擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流。超導(dǎo)和超流也都是玻愛凝聚的結(jié)果。

玻愛凝聚態(tài)的凝聚效應(yīng)可以形成一束沿一定方向傳播的宏觀電子對(duì)波，這種波帶電，傳播中形成一束宏觀電流而無需電壓。

凝聚體中的原子幾乎不動(dòng)，可用來設(shè)計(jì)高精度的原子鐘，應(yīng)用于太空航行和精確定位。

玻愛凝聚態(tài)的原子物質(zhì)表現(xiàn)出了光子一樣的特性，正是利用這種特性，哈佛大學(xué)的兩個(gè)研究小組用玻色-愛因斯坦凝聚體使光的速度降為零，將光儲(chǔ)存了起來。

玻愛凝聚態(tài)的研究也可以延伸到其他領(lǐng)域，例如，利用磁場(chǎng)調(diào)控原子之間的相互作用，可以在物質(zhì)第五態(tài)中產(chǎn)生類似于超新星爆發(fā)的現(xiàn)象，甚至還可以用玻色-愛因斯坦凝聚體來模擬黑洞。希格斯玻色子-上帝粒子Ketterle在鈉原子氣中實(shí)現(xiàn)的BEC

53費(fèi)米子凝聚態(tài)（fermioniccondensate）--第六態(tài)美國科學(xué)家2004年1月29日表示，他們研制成費(fèi)米子凝聚態(tài)的物質(zhì)，它屬于“第六態(tài)”物質(zhì)。這種新物質(zhì)可能導(dǎo)致產(chǎn)生下一代超導(dǎo)體，而下一代超導(dǎo)體技術(shù)可在電力工程、電能輸送、電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的制造、磁流體發(fā)電、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)電子器件、地球物理勘探、地質(zhì)學(xué)、生物磁學(xué)、高能加速器與高能物理研究等眾多領(lǐng)域和學(xué)科中大顯身手。03年獲得美國麥克阿瑟基金會(huì)頒發(fā)的“大天才”獎(jiǎng)研究小組負(fù)責(zé)人德博拉·金（1974-）54超固態(tài)物質(zhì)的分子是由原子構(gòu)成的，原子核雖占原子重量的99%，但體積很小，就像裝進(jìn)足球里的一粒砂子。要是對(duì)原子加壓到20萬兆帕(1016)以上壓力時(shí)，電子靠攏了，原子核和電子就被緊緊地?cái)D在了一起。此時(shí)，物質(zhì)體積小得可憐，密度卻大得驚人，就會(huì)呈現(xiàn)"超固態(tài)"狀態(tài)。

白矮星的內(nèi)部就是充滿這樣的超固態(tài)物質(zhì)。在我們居住著的地球的中心，那里的壓力達(dá)到350GPa（1GPa=1000MPa=109Pa）左右，因此也可能存在著一定的超固態(tài)物質(zhì)。55太陽、天狼星伴星和地球大小的比較天狼星伴星溫度有10000℃，發(fā)出的光和天狼星一樣是白色的。但他看上去確是如此之暗，這是因?yàn)槠鋫€(gè)頭太小，表面只有天狼星的萬分之一的緣故。但計(jì)算它的密度，竟達(dá)17.5噸/cm3。天文學(xué)家根據(jù)其顏色白、個(gè)頭小的特點(diǎn)，稱之為白矮星（whitedwarf）。金：19.32g/cm3鉑：21.6g/cm3銥：22.5g/cm3鋨：24.8g/cm3

56假如在超固態(tài)物質(zhì)上再加上巨大的壓力，那么原來已經(jīng)擠得緊緊的原子核和電子，就不可能再緊了，這時(shí)候原于核只好宣告解散，從里面放出質(zhì)子和中子。從原于核里放出的質(zhì)子，在極大的壓力下會(huì)和電子結(jié)合成為中子。這樣一來，物質(zhì)的構(gòu)造發(fā)生了根本的變化，原來是原子核和電子，現(xiàn)在卻都變成了中子。這樣的狀態(tài)，叫做“中子態(tài)”。中子態(tài)物質(zhì)的密度比超固態(tài)物質(zhì)還要大十多萬倍，甚至達(dá)到1億噸/cm3！在宇宙中，估計(jì)只有少數(shù)的恒星（中子星），才具有這種形態(tài)的物質(zhì)。57質(zhì)量：小于太陽的2倍直徑：20千米密度：1億噸/cm3恒星的歸宿小于1.4倍太陽質(zhì)量的恒星，最后塌陷時(shí)把核心的粒子擠到一起，成為白矮星。不超過3.2倍太陽質(zhì)量的恒星，塌縮到把自己核心里的原子核都?jí)旱梅鬯?，電子被擠進(jìn)原子核，和里面的質(zhì)子結(jié)合，形成中子，成為中子星。如果超過3.2倍的太陽質(zhì)量，就會(huì)一直塌陷下去，成為黑洞。58反物質(zhì)態(tài)原子核中的質(zhì)子帶正電荷，電子帶負(fù)電荷，似乎天經(jīng)地義。但是，如果讓質(zhì)子帶負(fù)電荷，電子帶正電荷，結(jié)果會(huì)如何呢？此時(shí)，粒子與反粒子質(zhì)量相同，電荷相反，呈"超等離子態(tài)"，科學(xué)家們把這種狀態(tài)叫做反物質(zhì)態(tài)。反物質(zhì)態(tài)的粒子具有巨大能量，人們正在設(shè)想把它的巨大能量變成光能、熱能而加以利用。反物質(zhì)的存在是在1928年由英國科學(xué)家狄拉克（PaulaMDlrac）推測(cè)出來的，1933年他獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。

最早的“反電子”由加州理工的安德森(CarlAnderson)于1932年在研究宇宙射線的時(shí)候發(fā)現(xiàn)。它的意義是如此重要，以致于僅僅過了4年，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)就罕見地授予他這一科學(xué)界的最高榮譽(yù)。31歲。

59在太空中尋找反物質(zhì)阿爾法磁譜儀：主結(jié)構(gòu)的主體系外徑為1.3米，內(nèi)徑為1.15米，高0.8米的空心高強(qiáng)度鋁制園柱體。釹鐵硼為材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度很高的永久磁鐵呈條狀插入主結(jié)構(gòu)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)1400高斯。

60據(jù)2000年10月來自NASA的研究人員宣布，反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)只需百萬分之一克的反物質(zhì)，就可供給飛船繞火星環(huán)繞一周所需的能量。

61Theelectrodes(gold)ofthetrapusedtocombinepositronsandantiprotonstoformantihydrogen.N.MADSEN,ALPHA/SWANSEA歐洲核子研究中心的ALPHA實(shí)驗(yàn)首次成功捕獲反物質(zhì)（38個(gè)反氫原子-六分之一