玻璃是晶体吗 玻璃的态理论解释

在中学时期，我们便知晓物质存在的三种基本状态：气体、液体与固体。在日常生活中，多数物质都能轻易地被归入这三类之中。玻璃的属性却一直是物理学界的难题，甚至《科学》杂志也将玻璃态物质的本质列为最具挑战性的科学问题之一。

在大学的物理课堂上，我首次听到玻璃被视为液体的观点。教授解释道，中世纪欧洲那些历经数百年的玻璃，因重力的作用，下方逐渐增厚。他进一步阐释，玻璃是一种原子运动缓慢的液体，相较于液态水中的原子移动速度要慢20至30个数量级。

在探讨玻璃是固体还是液体时，首先需明确何为“玻璃”。相较于晶体已有明确的定义，玻璃的描述却较为模糊。科学家们将某些特定类型的物质如胶体玻璃、分子玻璃、电子玻璃及自旋玻璃等统称为“玻璃”，尽管它们各自具有独特特性且不重叠。

这些“玻璃”共有的特性被称为“玻璃态”，即短程有序而长程无序的状态。这意味着在有限的原子范围内，玻璃呈现出类似晶体的有序排列，但当原子数量增加后，其排列变得无序，混乱度类似于液体。

玻璃既非纯粹的晶体，也非非晶体或混合态。在常温下，尽管它在宏观上呈现为固态物质，我们却无法将其确切地归为晶体或其他常见物质状态。这种“中间态”的概念扩展了我们对物态的理解。

谈到物态时，我们知道晶体有明确的熔点。如铁、铝、铜及水等都在一定温度下由固态转为液态。而与之相比，玻璃则没有明确的熔点，而只有所谓的软化点。其温度范围约在600度左右时，开始展现出更好的流动性。

从这个角度来看，玻璃不具备典型晶体的特点。由于它没有明确的熔点，其过冷或低于特定温度下的行为也变得复杂。相反地，随着温度的降低，玻璃需要更长时间达到平衡状态。

在有限的实验观察时间内，我们观察到玻璃具有粘度极高的非平衡过冷液体特性。正如科学家菲利普·吉布斯所指出的那样，从分子动力学和热力学的角度看，玻璃可被视为高黏度液体、无定形固体或介于液体与固体之间的另一种状态。

这种状态的产生源于玻璃的粘度随温度变化迅速而结晶速度缓慢的特性。这使得在温度下降时，其分子因粘度增加而失去移动能力，并保持在液态时的位置上（分子间距离更小），无法到达形成晶格节点的位置。

在常温下观察，尽管玻璃中的原子看似固定在特定位置上并呈现出杂乱无章的排列方式，但它们仍有一种向晶格节点重新排列的趋势。这种趋势表明原子需要以极慢的速度移动到晶格上并进入更稳定的低能级状态。

液态玻璃在冷却后成为固态的过程中难以明确界定其状态变化的具体界限。将玻璃称为“玻璃态”更为恰当。关于玻璃中原子如何缓慢移动以及其流动机制仍为凝聚态物理和材料科学领域的未解之谜。