压缩水(水能被压缩吗?强行压缩水会有什么严重的后果?)
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压缩水分子的间距我们都知道,压缩其实就是让总体的体积缩小,这是从宏观的角度来看的。如果从微观视角来看,那就是分子间距的缩小。由于水分子并不是一个挨着一个的,因此,分子间距是可以被压缩的,不过,前提是外界的压力最够大。
压缩原子的空间除了分子间的空间可以被压缩,实际上,原子也是可以被压缩的。具体来说是这样的,我们上初高中时,老师常常会给我们展示一副类似于下图一样的原子结构图。
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然而,这样的图并不准确,原子的原子核其实远比我们想象中的要小得多,如果我们把原子的大小看成一个足球场那么大,那原子核大概只有一只蚂蚁那么大。而电子实际上要远比原子核还要小,而电子在原子核外也不是做圆周运动的,实际上是呈现一种概率云的形式。我们不知道任意时刻,电子的具体位置信息,只知道它出现某个位置的概率有多高。
所以,原子的结构图更类似于下面这样。
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正因为原子核和电子足够的小,所以,原子看起来更像是空心的,有大量的空间是可以被压缩的。
所以,对于“水”来说,我们可以压缩分子的间距,也可以压缩氢原子和氧原子本身。
压缩水
根据现有的理论,我们知道如果要压缩水,至少需要1万~10万个大气压,大概就是1GPa~10GPa。这确实是一个极其难做到的条件,在日常生活当中是不可能达到这么大的压力的,因此,我们才可以毫无顾虑地使用液压技术。
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虽然日常生活中很难压缩水,但是在实验室当中要实现这个压力也不是不可能的。具体来说就是利用金刚石对顶砧压水。
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在实验室当中,金刚石顶砧甚至可以做到几十个GPa,而压缩水的要求是1GPa~10GPa,所以,这在实验室当中是完全做得到的。事实上,科学家也确实实现了这个操作,他们通过显微镜来观测实验,他们发现“压缩水”的过程当中,水会出现类似于结冰的状态,如果减小压力,水就会恢复到原来的状态。
而利用金刚石顶砧来实现“压缩水”的本质其实就是通过外界的巨大压强来破坏水分子之间的氢键,压缩水分子之间的间距。
金属水
如果还能够对水继续加压,那会如何呢?
如果压力达到1TPa(10^7个大气压),这时,水就会变成金属态。实验室确实做不到再增加更大的压力,不过,在宇宙中确实存在这许多极其高压的条件。比如:木星。木星的内部就存在这金属氢。
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具体的原理其实是这样的,木星拥有巨大的压力,这就使得氢原子的电子摆脱了束缚压缩水,开始可以自由移动,也就显现出来了导电的特性。
中子星&黑洞
上文讲的这两种情况,一个是在分子层面,一个是在原子核外的层面。就如同之前所说的,原子几乎是空的,因此,理论上还可以继续往下压。同样的,这个压力在实验室里确实做不到,而宇宙当中是存在的。
如果压力继续增加,这个时候,电子会出现一种抵抗外界的“力”,这其实是一种量子效应,被我们称为电子简并压。
具体来说是这样的,在微观世界当中有个规则叫做泡利不相容原理。这个规则就要求电子在原子核外的排布的状态是不能一摸一样的,大家都得好好地排好队。而外界压力巨大时,就会迫使电子不好套路来地往最低能量状态去,但是由于泡利不相容原理的存在,所以,电子就会产生一种抵抗外界的压力。
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当然,如果压力足够大,这时候电子就会扛不住,于是,就会被压入到原子核内,电子和原子核内的质子发生反应,生成中子和中微子。我们都知道,原子序数和质子数有关,质子数如果发生变化,元素种类都会发生改变。所以,这个时候的水就不再是水了,而是中子态,或者我们说是个中子星。
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如果压力还继续增大,这时候就有可能变成一个黑洞。
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不过,要做到这一点只有超大质量恒星的引力才可以压缩水,这要求这个恒星的质量至少在太阳质量的8倍以上。
通过上述,我们知道水其实是可以被压缩的,实验室里就可以做到。如果压力足够大,甚至可以改变构成水的元素,最终成为一颗中子星或者黑洞。
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