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液態(tài)是物質(zhì)存在的基本形態(tài)之一,，在自然界、在生命體中,，在人們?nèi)粘Ｉ钪写嬖?。地球表面大部分被水覆蓋,，地球內(nèi)部則是熔融的巖漿。在生命體中,，液體是主要組成部分,，是生命賴以生存的基本因素。在材料制備和化工過程中,，很多以液態(tài)為母相,，由液態(tài)物質(zhì)或通過液態(tài)物質(zhì)制備固態(tài)物質(zhì)，如冶金,、晶體生長,、玻璃制造、化學(xué)制品,、藥品等,。人們生活中*的飲料、食油,、燃油,、藥水，日常使用的洗滌劑,、墨水,、膠水、油漆等也都是液體,。液態(tài)存在的普遍性和液態(tài)物質(zhì)的重要性已盡人皆知,。人們對液態(tài)的研究已有很長的歷史?？墒?，對液態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和變化規(guī)律的深入研究和認識,，還是近幾十年的事,，有些則剛剛開始。

什么是液態(tài),，很難用一個嚴格定義來表述,。一般認為，液體是有一定體積而不永遠保持自身形狀的凝聚物質(zhì),。然而,，有些情況下，不易區(qū)分一種物質(zhì)是屬于固態(tài)還是液態(tài),。例如,，熔化的玻璃冷卻時隨溫度降低逐步變硬，膠水逐漸變干,，液一固混合物隨液-固比例不同的變化過程等,。

一般說來,，液體可分為簡單液體和復(fù)雜液體（compLex fLuid）兩類,。簡單液體是指物質(zhì)熔化或溶解形成的物態(tài),，例如液化的氣體、水,、液態(tài)金屬,、熔鹽、熔態(tài)玻璃,、各種真溶液等,。在這些體系中，不管組分是簡單還是復(fù)雜,，其原子或分子基本上是均勻地,、無序地分布，呈現(xiàn)典型的液態(tài)特征,。復(fù)雜液體則是指液體中包含很大的分子（如聚合物）或固體顆粒,、液體微滴、氣泡等,，形成互不相溶的混合物,。常見的復(fù)雜液體有聚合物、液晶,、懸浮液,、混合液、膠體,、泡沫等,。顯示出與簡單液體很不相同的特性。簡單液體和復(fù)雜液體的主要區(qū)別可概括如下：簡單液體中,，主要是近鄰原子或分子間的相互作用,，作用尺度大約為幾個埃的范圍；相互作用能大體相應(yīng)于分子的動能,，約為kT（k為波爾茲曼常數(shù),，T為溫度）的量級；原子或分子運動到鄰近位置的時間很短,；對這種液體施加任何切變作用都會引起液體流動,，粘滯系數(shù)與切變速率無關(guān)，為牛頓液體,。而復(fù)雜液體中分子或組成的單元尺度很大,，為幾十或更大；相互作用能比kT大得多,；分子或構(gòu)體單元運動速度也慢得多,；粘滯系數(shù)與切變速率有關(guān),，一般屬于非牛頓液體。

液態(tài)物理的研究,，對于簡單液體,，主要是研究其微觀結(jié)構(gòu)、性質(zhì),，及其相互關(guān)系和變化規(guī)律,。同時還包括液-固、液-氣轉(zhuǎn)變及有關(guān)的表面和界面問題,。對于復(fù)雜液體,，則還應(yīng)考慮構(gòu)成單元之間的相互作用和變化規(guī)律。下面將概述有關(guān)的研究進展和狀況,。為講述方便,，下述的“液體”一般指簡單液體，而對復(fù)雜液體則特別注明,。

液體中原子或分子不像晶體中那樣周期性排列,，而是無序地分布。粗粗看來,，似乎很難描述,，但仍有一定分布規(guī)律。液體中原子之間的相互作用與固體中相似,，有離子鍵,、金屬鍵、共價鍵,、分子鍵等,。這些相互作用使原子凝聚在一起。兩個原子之間的距離小不會小于兩個原子半徑之和,，而大一般不會形成容許另一個原子可以進入的空洞,。因此，一個原子周圍總是有若干原子與它形成某種配位狀態(tài),。以一個原子為中心向外的分布規(guī)律可以用一種徑向分布函數(shù)來描述,。徑向分布函數(shù)是描述液體平均結(jié)構(gòu)的方法。對于液態(tài)金屬,，可用硬球無規(guī)密堆積模型來近似表述其結(jié)構(gòu),。由于原子無規(guī)分布，液態(tài)金屬的密度一般比對應(yīng)的固態(tài)低5％左右,。平均原子間距略有變化,，原子的配位數(shù)為9-11。對單組元液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)研究較多,，這類金屬在固態(tài)的結(jié)構(gòu)一般為面心立方,、密堆六方或體心立方,，但液態(tài)的結(jié)構(gòu)大致相同，只略有區(qū)別,。離子晶體熔化后通稱熔鹽,。由于正負離子間的庫侖相互作用較強，一般形成正負離子配位,，即正離子為負離子配位,，負離子為正離子配位。研究較多的是金屬鹵化物熔鹽,。其配位數(shù)與晶態(tài)相近，原子間距多數(shù)比晶態(tài)中略小,。然而第二配位層的情況比較復(fù)雜,，有些差別很大。除此之外,，還研究了一些熔點較低的熔鹽體系,，如氟化物、硫化物,、硒化物等,。一般氧化物熔點較高，結(jié)構(gòu)研究開展甚少,。

共價結(jié)合的半導(dǎo)體,，如Si、Ge,、Gasb等熔化后,，共價鍵被破壞，成為金屬態(tài),，密度增大,，結(jié)構(gòu)變化很大。上述這些半導(dǎo)體,，固態(tài)原子配位數(shù)為4,，液態(tài)平均配位數(shù)則為5-7左右，與液態(tài)金屬比較接近,。這種變化是值得深入研究的問題,。

研究液體結(jié)構(gòu)主要用X射線或中子散射方法。近年來,，用X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜（XAFS）方法研究熔體結(jié)構(gòu)也獲得很好結(jié)果,。這些方法可測量液體的徑向分布函數(shù)，得到配位數(shù),、原子間距等結(jié)構(gòu)參數(shù),。此外,，其它一些方法也可提供某些結(jié)構(gòu)信息。

液體物理性質(zhì)的研究范圍很廣,，大部分固體中研究的性質(zhì)可在液體中進行對比研究,。除此之外，液體的表面張力,、粘滯性和流動性是液體*的性質(zhì),。下面略述液體中一些引人注意的重要現(xiàn)象和性質(zhì)。

元素周期表中約五分之四的元素是金屬,，這些元素液態(tài)時仍保持其金屬性,。一些非金屬元素如C、Si,、Ge,、Te等熔化后也成金屬態(tài)或半金屬。除氣體元素外,，只有Se和S的液態(tài)為非金屬,。

液氦具有特別的性質(zhì)。液氦是自然界凝固點低的物質(zhì),，可以在接近溫度零度時以超流現(xiàn)象,，即其粘滯性幾乎等于零，可以無阻力地流動,。這是一種宏觀量子效應(yīng),，其它液體不會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

化合物或混合物溶化后的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān),。對于液態(tài)合金研究較多,。其中受到注意的是有關(guān)金屬-非金屬轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。AuCs和Mg3Bi2合金是典型的例子,。這兩種合金在固態(tài)時為金屬,，液態(tài)則成為非金屬。一般認為這是由于液態(tài)時具有離子結(jié)合的特征,，形成異類原子的配位結(jié)構(gòu),。很顯然，這也可看作是這類二組元液態(tài)合金隨成分變化而發(fā)生金屬-非金屬轉(zhuǎn)變,，因為Au,、Cs、Mg,、Bi在液態(tài)時均為金屬態(tài),，Au-Cs和Mg-Bi體系成分改變至AuCs和Mg3Bi2時逐漸變成非金屬態(tài)。這種轉(zhuǎn)變機理的研究受到很多關(guān)注。元素溶化后也可發(fā)生互不相溶的情況,，就象水和油互不相溶一樣,。例如，液態(tài)Se和液態(tài)Rb在一定溫度和壓力范圍存在互不相溶的兩相區(qū),，這一問題尚未深入研究,。

固體熔化、液體結(jié)晶是重要的物理現(xiàn)象,，以來進行了很多研究,。到目前為止，熔化的微觀機理仍是沒有解決的問題,。另一方面,，結(jié)晶的微觀過程也很不清楚。核心問題是固-液界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)如何,。這涉及界面附近液體中,、固體中及液-固間原子的相互作用，這仍然是物理學(xué)家的難題,。談到熔化，人們自然會提出這樣一個問題,，為什么一般觀測不到過熱熔化現(xiàn)象,，即在通常情況下，晶體總是在熔點熔化,，不會超過熔點才熔化,。相反，液體結(jié)晶時卻可過冷,，甚至可有很大的過冷度,。這種結(jié)晶的過冷度是由于晶核形成能的要求，已得到比較深入的認識,。熔化不需過熱這一現(xiàn)象表明,，在達到熔點以前晶體中已有某種液核形成，稱之為預(yù)熔化,。近年來才得到比較可靠的觀測結(jié)果,。實驗發(fā)現(xiàn)，晶體的某些表面在熔點以下開始發(fā)生表面熔化,。例如,，單晶Pb的（110）面在低于熔點40度時就發(fā)生幾個原子層的熔化，隨著溫度升高,，熔化層厚度增加,，達到熔點時則晶體熔化。此外,，還觀測到冰,、AL,、Au等的表面熔化現(xiàn)象。其中冰在零下20度就可發(fā)生表面熔化,。對表面熔化的研究也是當前熱點之一,。

液-氣轉(zhuǎn)變臨界點附近的性質(zhì)也是有興趣的問題。液-氣轉(zhuǎn)變時性質(zhì)的變化比液-固轉(zhuǎn)變時大得多,。這是由于液-固轉(zhuǎn)變時原子的局域結(jié)構(gòu)變化小,，密度變化也不大。而液-氣轉(zhuǎn)變時變化則很大,。例如,，金屬熔化時體積只改變百分之幾，電導(dǎo)率也變化不大,。然而液態(tài)金屬氣化時,，密度和結(jié)合形式發(fā)生了根本變化，氣化后成為非金屬,，原子間成為范德瓦爾斯弱相互作用,。由于一般元素臨界溫度很高，臨界氣壓較大,，研究臨界點附近的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)很困難,。目前可獲得較好實驗數(shù)據(jù)的主要還是臨界溫度較低的Hg、Cs,、Rb,、K、Na等元素,，它們的臨界溫度分別為1478℃,、1651℃、1744℃,、1905℃和2212℃,。

水是重要的液體。水對于生命體,、環(huán)境,、工農(nóng)業(yè)及人們?nèi)粘Ｉ钪陵P(guān)重要，水的研究已形成一門專門的科學(xué),。然而,，無論是對水本身還是對水和其他物質(zhì)相互作用的認識還需大大加深。例如,，在生物體中,，水的作用和變化就很復(fù)雜，遠沒有認識清楚。就水本身而言,，為什么在4℃時密度大,，直到近才報道了這一現(xiàn)象原因的微觀結(jié)構(gòu)解釋。

復(fù)雜液體包含很廣的領(lǐng)域和豐富的科學(xué)內(nèi)涵,。液晶及聚合物均屬于復(fù)雜液體,，已受到廣泛重視，并被很多人了解,，不再詳述,。這里介紹其他一些復(fù)雜液體。懸浮液是液體中加入不溶微粒而成,。懸浮液中顆粒,，可以是均勻分散的，在有些情況下顆粒集聚有自組織形為,。例如,，納米尺度的金膠粒在溶液中會因其相互作用而產(chǎn)生分形結(jié)構(gòu)，即密度和體積為分數(shù)維關(guān)系（圖1）,。在外場作用下,，有些懸浮液會出現(xiàn)特別的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。磁流體（ferrofLuid）是用尺寸約10納米鐵磁顆粒制成的懸浮液,，在外磁場作用下,，這些顆粒形成迷宮狀的自組織圖象（圖2）。這種效應(yīng)已用于真空密封,。電流變液（eLectrorheoLogica fLuid）則是將介質(zhì)顆粒與不導(dǎo)電的液體混合而成。在電場作用下,，顆?？尚纬涉湢罨蛑鶢罘植肌Ｔ谥鶢罘植紩r,，顆粒會象晶體中原子那樣有序排列,。隨著電場強度的變化，電流變液的粘滯性發(fā)生很大變化,，從類似液體變成類似固體,。這種通過電場強度調(diào)節(jié)物質(zhì)軟硬的效應(yīng)在技術(shù)上有重要應(yīng)用前景，已逐漸發(fā)展成新型的智能液體,。當懸浮液中的顆粒尺度與光波波長相近時,，若采用適當方法將顆粒有序排布，就可形成“光子晶體”,，光在其中傳播特性就會象電子在晶體中傳播那樣,，具有能帶結(jié)構(gòu)和局域化現(xiàn)象。目前正在實驗上努力實現(xiàn)這種效應(yīng)的觀測。

液-液分散體系是另一類復(fù)雜液體,。油和水形成的乳液就是其中一種（常見的牛奶就是乳液）,。隨分散體系中液滴尺度的不同，還可分成不同類型,，性質(zhì)各不相同,。通過添加表面活性劑（surfactant），可形成熱力學(xué)穩(wěn)定體系,。當微滴尺寸為幾納米至幾十納米時,，形成微乳液（microemuLsion），看上去就象真溶液,，可穩(wěn)定存在,。若是油包水型微乳液，其中水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會與普通水很不相同,。對這些體系的研究與生命體中的體液,、細胞、細胞膜及其功能密切相關(guān),，也與生物工程,、材料制備、石油探采及人們的日常生活（如藥品,、洗滌劑,、化妝品等）密切相關(guān)。

上述各種復(fù)雜液體,，各自具有特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),，有與簡單液體不同的相互作用和變化規(guī)律，對它們的研究不但可豐富我們對物質(zhì)世界的認識,，而且有重要的應(yīng)用背景,。然而，由于其組成和結(jié)構(gòu)的多樣性,、相互作用的復(fù)雜性,，以及其特殊的性質(zhì)，深入研究和認識這些復(fù)雜體系,，是物理學(xué)家面臨的挑戰(zhàn),。

液態(tài)物理是凝聚態(tài)物理的重要組成部分，其對象廣泛,、內(nèi)容豐富,。與人們對氣體和固體的認識相比，對液態(tài)的認識還很不深入,。這主要是研究液態(tài)存在著理論上和實驗上的困難,。隨著實驗技術(shù)的發(fā)展,，理論和計算能力的提高，特別是社會和技術(shù)發(fā)展的需要,，推動了液態(tài)物理研究的開展,。近年愈來愈多的物理學(xué)家投入到液態(tài)研究領(lǐng)域，并形成多學(xué)科交叉,。有理由認為,，在21世紀，液態(tài)物理將會成為一門重要的,、內(nèi)容豐富的學(xué)科,。