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そう (もの质)

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重定しげさだこうあい
快速かいそく熔化ちゅうてきかたたい展示てんじしたがえ固體こたいいた液體えきたいてき相變あいかわ

そう(phase)またたたえあい物相もっそう(phase of matter)[1]ゆびぼうしゅある多種たしゅ物質ぶっしつていげんぼうしゅもの质状态ときわか物質ぶっしつある這些物質ぶっしつしょ佔的體積たいせき區域くいき)內的分子ぶんしひとし勻分佈,のり這片區域くいき體積たいせき)就是いちそうれい如在玻璃はりかんちゅうよし冰和すい组成てき物理ぶつりけいなか,冰块いちそうみずいちそう水蒸氣すいじょうき也是いちしょう罐子かんすてき玻璃はり另一个相。

ひとししょうけいまたたたえたんしょうけいいちしゅ簡單かんたんてき系統けいとう,僅由いちそうしょ構成こうせいさら複雜ふくざつてき系統けいとう可能かのうざいぼう方面ほうめんひとし勻,這類系統けいとうしょうためひとししょうけいある異相いそうけいざい分析ぶんせき以將ひとししょう系統けいとうぶんためいく系統けいとうまい系統けいとうただ具有ぐゆういちしゅしょうみやこただしひとししょう系統けいとう[2]:86[3]:3れい如,經過けいか仔細しさい攪和てき溶液ようえきひとししょう系統けいとうただ具有ぐゆういちしゅしょうまたれい如,ざい一個裝有水和冰塊的玻璃杯所組成的非均相系統中,みずいちしゅしょう、冰塊也是いちしゅしょう水上すいじょうかたてきしおしめ空氣くうきいちしゅしょう,而玻璃はりはいまた另外いちしゅしょう

あいもの质状态ゆう混同こんどうゆう可能かのうゆうしょ區別くべつれい如多物質ぶっしつしょ於同一物いちもつ质状态(れい液體えきたい可能かのうかい存在そんざいいちしゅ以上いじょう彼此ひしこんまとしょうれい如水にょすいえきたいてきあぶらてきぶつ质状态都えきたいただし兩者りょうしゃ不能ふのう互溶,しょう)。あいゆうかいようらい描述ゆかりそううえてきあいあたりかいえいPhase boundary劃分出來できてきいちくみ平衡へいこう狀態じょうたいざい這裡,そうあたりかいよしぞう壓力あつりょく溫度おんど一類いちるいてき狀態じょうたい變數へんすう設定せっていあいあたりかい很重要地ようち關聯かんれんいたざい它兩てきりょうたねしょうしょ對比たいひてき性質せいしつ差異さいれい如,ゆかり液體えきたい變成へんせい固體こたいゆかりぼう一種晶體結構變為另一種晶體結構。

そうてき分類ぶんるい

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てつ-碳合金的きんてきそう展示てんじ形成けいせい各種かくしゅ同相どうしょうしょ需的條件じょうけん

相可しょうか以用つね见的もの质状态らい描述,ぞうかたえき气态とう离子态玻色-爱因斯坦凝聚ぎょうしゅうひとしざいかたあいあずかえき相之あいのあいだてきちゅうあいだしょうえいmesophase形成けいせいいちしゅ物質ぶっしつ狀態じょうたい中間なかましょう物質ぶっしついちしゅ很有ようてき材料ざいりょうただしざいどう一個物质状态中也會存在不同的相,れい如在てつ-碳合金的きんてきそうなか存在そんざい許多きょた物質ぶっしつ狀態じょうたいかたたいあるえきたいてき各種かくしゅ不同ふどうてきしょうれい萊氏たいおくたいたまこうからだひとし

ざい溶液ようえきうら溶質ようしつたい於溶ざいざい溶解ようかい方面ほうめんてき不同ふどう使つかいとく區分くぶんてきしょうてき出現しゅつげんなりため可能かのうれい如,みず極性きょくせい分子ぶんしざいあぶら極性きょくせい分子ぶんしちゅうてき溶解ようかい很低,而油ざい水中すいちゅうてき溶解ようかい也很てい由水ゆみ形成けいせいてき混合こんごうぶついんためしゃ互溶,かい自然しぜんぶんためしょうなみいん出現しゅつげん清楚せいそてき界面かいめんりょうたね物質ぶっしつてき互溶あずか它們彼此ひしあいだてきてき分子ぶんしあいだ作用さようりょくゆうせき一般いっぱん而言,かりわか溶質ようしつAのう溶解ようかい於溶ざいB,のりざい它們組成そせいてき溶液ようえきうら分子ぶんしあいだ吸引きゅういんりょくKAB必須ひっすのう克服こくふくKAAあずかKBB分子ぶんしあいだ吸引きゅういんりょくあずか分子ぶんしてき極性きょくせいある極性きょくせいゆうせきれい如,かりわか溶質ようしつA、溶劑ようざいB是非ぜひ極性きょくせい物質ぶっしつそくKAA、KBB很弱,而KAB也很じゃくのり溶質ようしつAざい溶劑ようざいBてき溶解ようかい可能かのう很高;かりわか溶質ようしつA、溶劑ようざいB極性きょくせい物質ぶっしつそくKAA、KBB很強,而KAB也很きょうのり溶質ようしつAざい溶劑ようざいBてき溶解ようかい可能かのう很高[4]:10-11

類似るいじてき概念がいねん延伸えんしんいた固體こたい固體こたい形成けいせい固溶體こようたいあるもの結晶けっしょう形成けいせい不同ふどうてきあきらしょう。互溶てき金屬きんぞくたい(metal pair)形成けいせい合金ごうきん無法むほう互溶てき金屬きんぞくたい不能ふのう形成けいせい合金ごうきん

舉例而言,化學かがく實驗じっけんやめ完成かんせい展示てんじ互熔性的せいてき實驗じっけんざい實驗じっけんうら以觀察到八種不互熔的相,一層一層的堆排在容器內 ,按照密度みつどしたがえしょう至大しだい分別ふんべつためいし蠟油矽油えいsilicone oilみず苯胺ぜん氟二甲基环己烷熔融ようゆうしろ熔融ようゆう水銀すいぎんざい磷與鎵都かい熔化てき溫度おんど45°C,這系統けいとうてい長久ちょうきゅう穩定平衡へいこう[4]:12

所有しょゆう有機ゆうき溶劑ようざい彼此ひし互溶,れいおつあつしきのえみやこただし有機ゆうき溶劑ようざいただしかいぶんため不同ふどうてきしょう[5]

ゆう時候じこう不同ふどうてきしょうかい自動じどう分離ぶんり有清ありきよすわえてき界面かいめんただしゆう不同ふどうてきしょう一定いっていかい有清ありきよすわえてき界面かいめんぞうちち浊液にかわたいみやこただし互溶てきそう形成けいせいてき混合こんごうぶつただしぼつ有清ありきよすわえてきしょうあたりかい

2012ねん拿大佩里まいとく物理ぶつり研究所けんきゅうじょ研究けんきゅう员文しょう刚在美国びくに科学かがく》杂志てき发表文章ぶんしょう提出ていしゅつ一种能够最终对相进行分类的新理论体系,ぶつ质有500种相。该理论可以在任ざいにんなん维度、にんなん对称せいてきもと础上对保有ほゆう对称性的せいてきしょう实施构筑ぶん类。[6]

あい平衡へいこう

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ざいあい平衡へいこうとき許多きょたてきなり份可能會のうかい形成けいせいひとし勻的いちそうただしたんいちそうしつ也有やゆう可能かのうざい特定とくてい溫度おんど及壓りょく下分しもぶんためあるさんそう不同ふどうてきしょうどういちそうてき物理ぶつり性質せいしついちようただしあい相之あいのあいだてき物理ぶつり性質せいしつ就不どうりょう

假設かせつざい密閉みっぺい罐子かんすちゅうてきすいただ佔有いち部分ぶぶん空間くうかんのりかい形成けいせいりょうそう大部おおぶ份的すいしょ於液しょうもたれ水分すいぶんあいだてき吸引きゅういんりょく維持いじえきしょうただしそく使つかいざいしょう平衡へいこう分子ぶんし仍然ざい運動うんどうわかぼう一個水分子獲過夠大的動能,就會破水はすい分子ぶんしあいだてき吸引きゅういんりょくよしえき相變あいかわためしょうとう一個水蒸氣分子和水面碰撞,也會しこり結成けっせいすいざい平衡へいこうみず蒸發じょうはつ凝結ぎょうけつてき速度そくどしょうどうえきしょう及氣しょうてき體積たいせきかい改變かいへん

ざい室溫しつおん一般いっぱん大氣たいき壓力あつりょくとうかんちゅう空氣くうきてき濕度しつどいた3%ときみず水蒸氣すいじょうきたちいた平衡へいこうとう溫度おんどますだか平衡へいこうてき濕度しつど也會上昇じょうしょうざい溫度おんど100%ときみずかい全部ぜんぶ變成へんせい水蒸氣すいじょうきわか加熱かねつりゃく超過ちょうか100ただ液體えきたい表面ひょうめんてき水分すいぶんかい氣化きか液體えきたいすい整體せいたい都會とかい氣化きかたたえため沸騰ふっとう

そうてき數量すうりょう

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典型てんけいてきしょう包括ほうかつかたしょうえきしょうあずか气相,すえ其与压力及温度おんどてき关系,绘成あい。图中绿色实线一般物质在不同温度及压力下的凝固/熔解きょく线,绿色きょ线是すいてき凝固ぎょうこ/熔解きょく线,显示とう压力增加ぞうか时会现的はん常行つねゆき为。

きゅうてい一種いっしゅ組成そせいざい特定とくてい溫度おんど及壓りょくただゆうぼう些相存在そんざいそうてき數量すうりょう種類しゅるい很難あずか估,一般都是用實驗來求得,實驗じっけんてき結果けっかかいなりそう

みぎたん一成份的相圖,注意ちゅういいた系統的けいとうてきじょうしょうただ溫度おんど及壓りょくゆうせきちゅうりょうそうあるさんそう共存きょうぞんてき條件じょうけんただよう溫度おんどある壓力あつりょくへんはなれ條件じょうけん平衡へいこうじょうきょう就只ゆういちそう

ちゅうてきあいせんえき共存きょうぞんてきせんだんただし終止しゅうしいちたたえため臨界りんかいてんてき溫度おんど及壓りょくとう溫度おんど及壓りょく接近せっきん臨界りんかいてんえきしょう和氣わきしょうてき性質せいしつかい越來ごえく接近せっきんざい臨界りんかいてん無法むほう區分くぶんえきしょう和氣わきしょう溫度おんど及壓りょく一旦いったん超過ちょうか臨界りんかいてん,就沒ゆう單獨たんどく區分くぶんてきえきしょうあるしょうただかいゆういちしゅたたえためちょう臨界りんかい流體りゅうたいてき流體りゅうたいしょうみずてき臨界りんかいてん647K(374 °C)及22.064MPa

ざいみずてきしょうちゅう,一個特殊之處為其固液共存的線段(綠色みどりいろ點線てんせん)。たい於大おだい份的物質ぶっしつ,這條せんてきはすりつためせい值(綠色みどりいろ實線じっせん),表示ひょうじわかよう維持いじかたあいえきしょう共存きょうぞん溫度おんどますだか壓力あつりょく就大。ただしたい於水這條せん綠色みどりいろ點線てんせんてきはすりつため值,這和冰的密度みつどすいようていゆうせきはた冰加あつかい使冰成ため密度みつど較高てきしょう,也就すい

另一個值得注意的特性是液氣共存線、かたえき共存きょうぞんせん彼此ひししょう交的てんたたえためさんそうてんざい溫度おんど及壓りょくさんそうかい共存きょうぞん

ざい實驗じっけん方面ほうめん平衡へいこうせんなんせい,這是いんためたい於多しょう系統けいとう溫度おんどあずか壓力あつりょく無關むせきためしそうよし密閉みっぺいへだたぬる罐子かんすあずか活塞かっそく組成そせいてき一個檢試儀器,假設かせつ注入ちゅうにゅう正確せいかく數量すうりょうてきみず加熱かねつのり系統けいとう以被たいいたあいてきしょう區域くいき內的任意にんいてん。這時,かりわかようりょくはた活塞かっそく緩慢かんまん推入罐子かんすのり系統けいとうかいざいしょうてきしょう區域くいき描繪一條溫度增加與壓力增加的曲線。ただしかりわか這條曲線きょくせんぐういたえきしょう-しょう平衡へいこうせんそく氣體きたい開始かいし凝聚ぎょうしゅうなり液體えきたいてき情況じょうきょうのり系統けいとうこう描繪てき曲線きょくせんかい驟然重疊ちょうじょう於液しょう-しょう平衡へいこうせんちょくいた所有しょゆうすい氣體きたい凝聚ぎょうしゅうなりすい液體えきたい

界面かいめん現象げんしょう

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ざい平衡へいこうてきそうてきあたりかいあいだかいゆういち狹窄きょうさく區域くいき,其性質せいしつそう不同ふどう,雖然此區域くいき可能かのう非常ひじょう狹窄きょうさく,它可能かのう造成ぞうせい顯著けんちょあずか容易ようい觀測かんそくいたてきこうおうれい如促使液體えきたい展示てんじ表面張力ひょうめんちょうりょく混合こんごう物的ぶってきぼう些成ぶん可能かのう比較ひかく移動いどういたり界面かいめんためりょうけん、描述ある了解りょうかいぼう特定とくてい系統けいとうてき物理ぶつり行為こういはた界面かいめん區域くいきため獨立どくりつぶんひらきてき一相是個很好的點子。[3]:208-212

あきらしょう

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どう一種物質在固體時可能會有不止一種的相,以水ためれい常見つねみてきろくへんがたてき結構けっこう冰Ihえいice Ihただし也可能會のうかいゆう立方體りっぽうたいてき結構けっこう冰Icえいice Icさんぽうあきらけいてき結構けっこう冰IIえいice II以及其他てき結構けっこう

形體けいたいゆび一個固體有不只一種的晶體型式,よし一種化學元素組成的多形體則稱為同素どうそ形体けいたいれい石墨せきぼく鑽石とみ勒烯みやこただし碳的同素どうそ形体けいたい[7]まい一種多型體都是獨立的晶相。

相變あいかわ

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相變あいかわゆび一物質由一個相轉變為另一個相,

  • 一級いっきゅうしょう变:とうちゅうかいともずいちょねつ量的りょうてき吸收きゅうしゅうある釋放しゃくほう,及體積たいせき热容、压缩りつとうかいゆう变化[8]れい如水じょすい蒸發じょうはつとき蒸發じょうはつてき水分すいぶんゆう較高てきどうのういん液體えきたいてき溫度おんどかい下降かこうさんせいしょうへん需要じゅようてきのうりょう汽化ねつようはたみずよし室溫しつおん加熱かねついた沸點ふってんてきのうりょうよういん蒸發じょうはつゆうじょ於冷卻。相反あいはんてき凝結ぎょうけつかい放熱ほうねつしたがえかた相變あいかわためえきしょうてきねつのうある變化へんかたたえため熔化ねつ,而由かた相變あいかわため气相てきねつのうある焓)變化へんかしょうためためますはなねつ
  • きゅうしょう变:其體積たいせきぼつ有明ありあけあらわてき變化へんかぼつゆう潛熱せんねつさんせい也沒ゆう不連續ふれんぞくてき變化へんかぞうちょう导体ざい临界温度おんど时发せいだい种相变,无相变潜热,ただしぶつ质的其他せい质会发生变化(导电せいとう)。

重要じゅうようてき相變あいかわかえゆう氦-4ざい临界温度おんどLambda相變あいかわ为无ねばとどこおてきちょう流体りゅうたい、磁鐵ざいきょさと溫度おんどしたがえてつ磁性じせい變成へんせいじゅん磁性じせい金屬きんぞく-絕緣ぜつえんたい相變あいかわ量子りょうし相變あいかわひとし

すすむかい定義ていぎ

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基礎きそさんそう

自由じゆうのうてき分析ぶんせき

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虽然しょうてき概念がいねん从表めんじょうらい非常ひじょう简单,ただしよう对它さく一个精确的定义却很困难。いち个比较好てきてい义是一个相是一个在其范围内其热力学参数的自由じゆうのうざいさんすうそら间中てき函数かんすう解析かいせきてき。这个てい义实际上就是说,かり如两个系统是同一どういつ个相てき话,么在从一个系统转换到另一个系统的时候它们的热力学参数不会突然改变。

热力がくちゅうてきまいりすう热容りょう壓縮あっしゅくせいとう以被表示ひょうじ自由じゆうのう它的导数如熵自由じゆうのう温度おんどてき导数。ただよう自由じゆうのう解析かいせきてき么热力学りきがくてき其它さんすう也是连续てき

かり如一个系统从一个相演变为另一个相,么在这个过程ちゅう总会ゆう一个阶段里自由能是不解析的。这个过程しょうあいさいつね见的しょう变有溶化(从固态到えき态)、冻结(从液态到かた态)、蒸發じょうはつ(从液态到气态)かずしこり结(从气态到えき态)。よし自由じゆうのうざい这个过程ちゅう解析かいせきてきいん此在这个过程てき两边它是两个完全かんぜん不同ふどうてき函数かんすう。两个しょうてき热力がくまいり数也かずや完全かんぜん不同ふどうさい显著てき热容りょうざいあい变过ほどちゅう热容りょう以达到无穷だい,从一个值跳到另一个值。

あい关的热力がくさんすう

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实际じょうまい个相あずか另一个相之间总有一些相关的热力学参数非常不同。固体こたい液体えきたいよう坚固とく固体こたいぞう液体えきたいある气体样,它可以保持ほじ它的形状けいじょう。而液体えきたい则比气体てき压缩せいしょうとくざいいち个大てき容器ようきちゅう,气体以充满整个容,而液体えきたい则只うらないすえいちしょう部分ぶぶん固体こたい液体えきたい气体间也ゆう许多しょうどうてき热力がく特性とくせい如它们的磁特せいただしいち个物质的铁磁态和顺磁态之间最大さいだいてき别就它们てき磁特せいりょう

另一个例同素どうそ形体けいたい,许多ぶつ质在かた态中以有不同ふどうてきあきらからだ结构而具有ぐゆう非常ひじょう不同ふどうてき特性とくせい钻石石墨せきぼく就是てき同素どうそ异形たい。从热力学りきがくてき角度かくど发它们属于不同ふどうてきしょう

亚稳じょうてきしょう

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亚稳じょうてきじょう态有时也さくしょうただしせい确地说它们并しょういん为它们不稳定。如一些同素异形体只有在一定的条件下才稳定。以上いじょうひさげ及的碳为れい,钻石ただゆう在高ありだか压下ざい真正しんせい稳定。ざい一般的大气压和温度下钻石会缓慢地转变为石墨。ただし这个过程非常ひじょう缓慢,いん此在つね温和おんわつね压下钻石一种亚稳定的状态。かり温度おんどだかてき话,这个转化てき过程就会かい

あい

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一般人いっぱんじん们用あいらい表示ひょうじ一个系统的不同相。あい图的轴是しょう关的热力がくさんすう。简单てきしょう图的轴是压强温度おんど根據こんきょ對應たいおう狀態じょうたい原理げんり使用しようやくすわしめぎらいせい所有しょゆう簡單かんたん物質ぶっしつてきしょうおう該都很類似るいじ[3]:208-212[註 1]

あい图上てき线被しょう为“あいあたりかい”,这是自由じゆうのう解析かいせきてき地方ちほうあるもの说相变发せいてき地方ちほう。而没ゆう线的地方ちほう则是自由じゆうのう解析かいせきてき地方ちほう。这些地区ちくぞく于同いち个相。ゆう些相てきしょうあたりかいざい一切情况下都存在的。如在647K22.064ちょう帕斯卡以上いじょうみずてきえき态和气态无法区分くぶんえき态和气态てきしょうかいざい这个てん就中なかんずくだんりょう

形成けいせい万能ばんのうせい

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あい一种宏观现象。组成一个系统的粒子数目假如比较少的话(一般いっぱんしょう于1000)しょうてき别就消失しょうしつりょう其原そのはらいんただゆうざいだいてきけい统中けい统的自由じゆう能才のうさい开始解析かいせき

そうてき另一个特性是它的万能性。论一个宏观系统下的微观系统是怎样组成的,它们てきしょうゆう非常ひじょう类似てき特性とくせいかた态的,虽然从微观结构来说冰铁的结构非常ひじょう不同ふどうただし它们てきかた态都具有ぐゆう类似てき特性とくせい保持ほじ它们てき形状けいじょう

そうてきぶん

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ざいどう一个系统中不同的相可以同时存在。一般来说它们之间有分明的边界,ただし也有やゆう例外れいがいぞうちち浊液にかわたいみやこただし互溶てきそう形成けいせいてき混合こんごうぶつただしぼっゆう分明ふんみょうてきあたりかい

约西亚·きちぬの[9][10]提出ていしゅつてきよしぬの斯相りつ如下:

其中,

表示ひょうじけい统的自由じゆう
系統けいとうてき独立どくりつぐみもとかず
あいすうもく
外界がいかいいんもと多數たすうn=2,代表だいひょう壓力あつりょく溫度おんど

わか系統けいとうただゆういちしゅ物質ぶっしつ自由じゆう 一定いっていため1,说明ざいけい统中以同时有几个しょう存在そんざいざいたん一物质组成的系统中最多可以有三个相同时存在,ただしただゆうざい一个特定的温度和压强下才有可能三个相同时存在(表示ひょうじ温度おんど压强てい值),这个てんしょうさんそうてん.[11]。两个しょう开始无法区分くぶんてきてんしょう临界てんざい一定的温度或压强下也可能有两个相同时存在。かり如一个系统由多种物质组成,么也可能かのうゆうさらてきしょうどう存在そんざい

まいり

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註釋ちゅうしゃく

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  1. ^ やくすわしめぎただし變量へんりょうじょ以臨かい變量へんりょうれい如,やく溫度おんど溫度おんどじょ以臨かい溫度おんど[3]:267

參考さんこう資料しりょう

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  1. ^ Phases of Matter. NASA Official. 
  2. ^ Enrico Fermi. Thermodynamics. Courier Corporation. 25 April 2012. ISBN 978-0-486-13485-7. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Clement John Adkins. Equilibrium Thermodynamics. Cambridge University Press. 14 July 1983. ISBN 978-0-521-27456-2. 
  4. ^ 4.0 4.1 Reichardt, C. Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. Wiley-VCH. 2006: 9–10. ISBN 3-527-60567-3. 
  5. ^ 此一現象有助於赫克はんなか催化ざいてき回收かいしゅうさい利用りよう參照さんしょうBhanage, B.M.; et al. Comparison of activity and selectivity of various metal-TPPTS complex catalysts in ethylene glycol — toluene biphasic Heck vinylation reactions of iodobenzene. Tetrahedron Letters. 1998, 39 (51): 9509–9512. doi:10.1016/S0040-4039(98)02225-4. 
  6. ^ X. Chen, Z.-C. Gu, Z.-X. Liu, X.-G. Wen. Symmetry-Protected Topological Orders in Interacting Bosonic Systems. Science, 2012; 338 (6114): 1604 DOI: 10.1126/science.1227224
  7. ^ なりかいあかり. 奈米碳管. 五南圖書出版股份有限公司. 2004: 14–. ISBN 978-957-11-3499-4. 
  8. ^ 近代きんだい物理ぶつりがく进展. きよし华大がく出版しゅっぱんしゃ有限ゆうげん公司こうし. 1997: 166–. ISBN 978-7-302-02521-4. 
  9. ^ Gibbs, J.W., Scientific Papers (Dover, New York, 1961)
  10. ^ Atkins, P.W.; de Paula, J. Physical chemistry 8th. edition. Oxford University Press. 2006. ISBN 0198700725.  Chapter 6
  11. ^ 國際こくさい純化じゅんかがく應用おうよう化學かがく聯合れんごうかい化學かがく術語じゅつご概略がいりゃくだいはん。(きむかわしょ)(1997)。ざいせん校正こうせいばん: (1994) "Triple point"。doi:10.1351/goldbook.T06502