Войти
Четыре общих состояния материи. По часовой стрелке сверху слева они представляют собой твердое тело, жидкость, плазму и газ, представленные ледяной скульптурой, каплей воды, электрической дугой от катушка Тесла и воздух вокруг облаков, соответственно. В физике состояние материи является одной из отдельных форм, в которой материя может существовать. В повседневной жизни можно наблюдать четыре состояния материи: твердое, жидкое, газ и плазма. Известно, что существует множество промежуточных состояний, таких как жидкий кристалл, а некоторые состояния существуют только в экстремальных условиях, например, конденсаты Бозе-Эйнштейна, нейтронно-вырожденное вещество и кварк-глюонная плазма, которые возникают, соответственно, только в ситуациях экстремального холода, экстремальной плотности и чрезвычайно высокой энергии. Полный список всех экзотических состояний материи см. В списке состояний материи.
Исторически различие проводится на основе качественных различий в свойствах. Материя в твердом состоянии сохраняет фиксированный объем и форму, при этом составляющие частицы (атомы, молекулы или ионы ) сближаются и фиксируются на месте. Вещество в жидком состоянии сохраняет фиксированный объем, но имеет переменную форму, которая адаптируется к своему контейнеру. Его частицы все еще находятся близко друг к другу, но свободно перемещаются. Вещество в газообразном состоянии имеет переменный объем и форму, адаптируясь к тому, чтобы соответствовать своему контейнеру. Его частицы не расположены близко друг к другу и не закреплены на месте. Материя в плазменном состоянии имеет переменный объем и форму и содержит нейтральные атомы, а также значительное количество ионов и электронов, которые могут свободно перемещаться.
Термин фаза иногда используется как синоним состояния материи, но система может содержать несколько несмешивающихся фаз одного и того же состояния материи.
Кристаллическое твердое тело: изображение с атомным разрешением титаната стронция. Более яркие атомы - это стронций, а более темные - титан.. В твердом теле составляющие частицы (ионы, атомы или молекулы) плотно упакованы вместе. Силы между частицами настолько сильны, что частицы не могут двигаться свободно, а могут только вибрировать. В результате твердое тело имеет устойчивую определенную форму и определенный объем. Твердые тела могут изменять свою форму только под действием внешней силы, например, при разрыве или разрезании.
В кристаллических твердых телах частицы (атомы, молекулы или ионы) упакованы в регулярно упорядоченный повторяющийся узор. Существуют различные различные кристаллические структуры, и одно и то же вещество может иметь более одной структуры (или твердой фазы). Например, железо имеет объемно-центрированную кубическую структуру при температурах ниже 912 ° C (1,674 ° F) и гранецентрированную кубическую структуру между 912 и 1394 ° C (2541 ° F). Лед имеет пятнадцать известных кристаллических структур или пятнадцать твердых фаз, которые существуют при различных температурах и давлениях.
Стекла и другие некристаллические, аморфные твердые вещества без дальний порядок не являются тепловым равновесием основными состояниями; поэтому ниже они описаны как неклассические состояния вещества.
Твердые вещества могут быть преобразованы в жидкости путем плавления, а жидкости могут быть преобразованы в твердые вещества путем замораживания. Твердые вещества также могут напрямую превращаться в газы в процессе сублимации, а газы могут точно так же напрямую превращаться в твердые тела посредством осаждения.
Структура классической одноатомной жидкости. У атомов есть много ближайших соседей в контакте, но дальний порядок отсутствует. Жидкость представляет собой почти несжимаемую жидкость, которая принимает форму своего контейнера, но сохраняет (почти) постоянный объем, не зависящий давления. Объем определен, если температура и давление постоянны. Когда твердое вещество нагревается выше его точки плавления, оно становится жидким, при условии, что давление выше, чем тройная точка вещества. Межмолекулярные (или межатомные, или межионные) силы по-прежнему важны, но у молекул достаточно энергии, чтобы двигаться относительно друг друга, и структура подвижна. Это означает, что форма жидкости не определена, но определяется ее емкостью. Объем обычно больше, чем у соответствующего твердого вещества, наиболее известным исключением являются вода, H 2 O. Наивысшая температура, при которой может существовать данная жидкость, - это ее критическая температура.
Пространства между молекулами газа очень большие. Молекулы газа имеют очень слабые связи или совсем не связаны. Молекулы в «газе» могут двигаться свободно и быстро. Газ - это сжимаемая жидкость. Мало того, что газ будет соответствовать форме контейнера, он также расширится, чтобы заполнить контейнер.
В газе молекулы обладают достаточной кинетической энергией, так что влияние межмолекулярных сил невелико (или равно нулю для идеального газа ), а типичное расстояние между соседними молекулами намного больше, чем размер молекулы. Газ не имеет определенной формы или объема, но занимает весь контейнер, в котором он заключен. Жидкость может быть превращена в газ путем нагревания при постоянном давлении до точки кипения или же путем снижения давления при постоянной температуре.
При температурах ниже его критической температуры газ также называют паром, и его можно сжижать только путем сжатия без охлаждения. Пар может находиться в равновесии с жидкостью (или твердым телом), и в этом случае давление газа равно давлению пара жидкости (или твердого тела).
A сверхкритический флюид (SCF) - это газ, температура и давление которого выше критической температуры и критического давления соответственно. В этом состоянии исчезает различие между жидкостью и газом. Сверхкритическая жидкость обладает физическими свойствами газа, но ее высокая плотность в некоторых случаях придает свойства растворителя, что приводит к полезным применениям. Например, сверхкритический диоксид углерода используется для экстракции кофеина при производстве декофеинизированного кофе.
В плазме электроны отрываются от своих ядер, образуя электронное «море». Это дает ему способность проводить электричество. Подобно газу, плазма не имеет определенной формы или объема. В отличие от газов, плазма электропроводна, создает магнитные поля и электрические токи и сильно реагирует на электромагнитные силы. Положительно заряженные ядра плавают в «море» свободно движущихся диссоциированных электронов, подобно тому, как такие заряды существуют в проводящем металле, где это электронное «море» позволяет материи в состоянии плазмы проводить электричество.
Газ обычно превращается в плазму одним из двух способов, например, либо из-за огромной разницы напряжений между двумя точками, либо путем воздействия на него чрезвычайно высоких температур. Нагревание вещества до высоких температур заставляет электроны покидать атомы, в результате чего появляются свободные электроны. Это создает так называемую частично ионизированную плазму. При очень высоких температурах, таких как те, что присутствуют в звездах, предполагается, что по существу все электроны «свободны», и что плазма очень высокой энергии - это, по сути, голые ядра, плавающие в море электронов. При этом образуется так называемая полностью ионизированная плазма.
Состояние плазмы часто неправильно понимают, и хотя оно не существует свободно в нормальных условиях на Земле, оно довольно часто генерируется молнией, электрическими искрами, люминесцентные лампы, неоновые лампы или в плазменных телевизорах. Солнечная корона, некоторые типы пламени и звезды - все это примеры освещенной материи в плазменном состоянии.
Эта диаграмма иллюстрирует переходы между четырьмя фундаментальными состояниями материи. Состояние материи также характеризуется фазовыми переходами. Фазовый переход указывает на изменение структуры и может быть распознан по резкому изменению свойств. Отдельное состояние вещества может быть определено как любой набор состояний, отличающийся от любого другого набора состояний посредством фазового перехода. Можно сказать, что вода имеет несколько различных твердых состояний. Возникновение сверхпроводимости связано с фазовым переходом, поэтому существуют сверхпроводящие состояния. Аналогичным образом, ферромагнитные состояния разграничиваются фазовыми переходами и имеют отличительные свойства. Когда изменение состояния происходит поэтапно, промежуточные этапы называются мезофазами. Такие фазы были использованы благодаря внедрению технологии жидких кристаллов.
Состояние или фаза данного набора веществ может изменяться в зависимости от давления и температурные условия, переход к другим фазам по мере изменения этих условий, способствующих их существованию; например, твердое тело переходит в жидкость при повышении температуры. Вблизи абсолютного нуля вещество существует в виде твердого вещества. Когда к этому веществу добавляется тепло, оно плавится в жидкость с его точкой плавления, превращается в газ с его точкой кипения, и при достаточно сильном нагревании попадает в плазму . состояние, в котором электроны настолько возбуждены, что покидают свои родительские атомы.
Формы материи, которые не состоят из молекул и организованы разными силами, также могут считаться разными состояниями материи. Сверхтекучая среда (например, Фермионный конденсат ) и кварк-глюонная плазма являются примерами.
В химическом уравнении состояние вещества химических веществ может быть показано как (я) для твердого вещества, (l) для жидкости и (g) для газа. водный раствор обозначен (водн.). Материя в плазменном состоянии редко (если вообще используется) в химических уравнениях, поэтому нет стандартного символа для ее обозначения. В редких уравнениях, в которых используется плазма, она обозначается как (p).
Схематическое изображение стеклообразной формы со случайной сеткой (слева) и упорядоченной кристаллической решетки (справа) идентичного химического состава. Стекло представляет собой некристаллический или аморфный твердый материал, который проявляет стеклование при нагревании до жидкого состояния. Стекла могут быть изготовлены из самых разных классов материалов: неорганических сеток (например, оконного стекла, сделанного из силиката с добавками), металлических сплавов, ионных расплавов, водных растворов, молекулярных жидкостей и полимеров. Термодинамически стекло находится в метастабильном состоянии по отношению к своему кристаллическому аналогу. А вот конверсия практически равна нулю.
A пластиковый кристалл представляет собой молекулярное твердое тело с дальним позиционным порядком, но с составляющими молекулами, сохраняющими свободу вращения; в ориентационном стекле эта степень свободы заморожена в закаленном неупорядоченном состоянии.
Аналогичным образом в спиновом стекле заморожено магнитное беспорядок.
Состояния жидкого кристалла имеют промежуточные свойства между подвижными жидкостями и упорядоченными твердыми телами. Как правило, они могут течь как жидкость, но с дальним порядком. Например, нематическая фаза состоит из длинных стержнеобразных молекул, таких как пара-азоксианизол, который является нематическим в диапазоне температур 118–136 ° C (244–277 ° F).. В этом состоянии молекулы текут, как в жидкости, но все они направлены в одном направлении (внутри каждой области) и не могут свободно вращаться. Подобно кристаллическому твердому телу, но в отличие от жидкости, жидкие кристаллы реагируют на поляризованный свет.
Другие типы жидких кристаллов описаны в основной статье об этих состояниях. Некоторые типы имеют технологическое значение, например, в жидкокристаллических дисплеях.
Атомы переходных металлов часто имеют магнитные моменты из-за чистого спина электронов, которые остаются неспаренными и не образуют химических связей. В некоторых твердых телах магнитные моменты на разных атомах упорядочены и могут образовывать ферромагнетик, антиферромагнетик или ферримагнетик.
В ферромагнетике - например, твердом железе - магнитный момент на каждом атоме ориентирован в одном направлении (в пределах магнитного домена ). Если домены также выровнены, твердое тело представляет собой постоянный магнит , который является магнитным даже в отсутствие внешнего магнитного поля. намагниченность исчезает, когда магнит нагревается до точки Кюри, которая для железа составляет 768 ° C (1414 ° F).
антиферромагнетик имеет две сети равных и противоположных магнитных моментов, которые компенсируют друг друга, так что итоговая намагниченность равна нулю. Например, в оксиде никеля (II) (NiO) половина атомов никеля имеет моменты, ориентированные в одном направлении, а половина - в противоположном направлении.
В ферримагнетике две сети магнитных моментов противоположны, но не равны, так что компенсация является неполной и имеет место ненулевое суммарное намагничивание. Примером является магнетит (Fe 3O4), который содержит ионы Fe и Fe с разными магнитными моментами.
A квантовая спиновая жидкость (QSL) - это неупорядоченное состояние в системе взаимодействующих квантовых спинов, которое сохраняет свой беспорядок до очень низких температур, в отличие от других неупорядоченных состояний. Это не жидкость в физическом смысле, а твердое тело, магнитный порядок которого по своей природе неупорядочен. Название «жидкость» связано с аналогией с молекулярным беспорядком в обычной жидкости. QSL не является ни ферромагнетиком, где магнитные домены параллельны, ни антиферромагнетиком, где магнитные домены антипараллельны; вместо этого магнитные домены ориентированы случайным образом. Это можно реализовать, например, геометрически нарушенными магнитными моментами, которые не могут указывать равномерно параллельно или антипараллельно. При охлаждении и переходе в какое-либо состояние домен должен «выбрать» ориентацию, но если возможные состояния близки по энергии, одно из них будет выбрано случайным образом. Следовательно, несмотря на сильный ближний порядок, дальний магнитный порядок отсутствует.
SBS в TEM Сополимеры могут подвергаться микрофазовому разделению с образованием разнообразного массива периодических наноструктур, как показано в примере Блок-сополимер стирола-бутадиена-стирола показан справа. Микрофазовое разделение можно понять по аналогии с разделением фаз между маслом и водой. Из-за химической несовместимости блоков блок-сополимеры претерпевают аналогичное фазовое разделение. Однако, поскольку блоки ковалентно связаны друг с другом, они не могут макроскопически демиксировать, как вода и масло, и поэтому вместо этого блоки образуют структуры нанометрового размера. В зависимости от относительной длины каждого блока и общей топологии блока полимера можно получить множество морфологий, каждая из которых имеет свою собственную фазу вещества.
Ионные жидкости также демонстрируют микрофазовое разделение. Анион и катион не обязательно совместимы и в противном случае могли бы расслоиться, но притяжение электрического заряда препятствует их разделению. Их анионы и катионы, по-видимому, диффундируют внутри разделенных слоев или мицелл, а не свободно, как в однородной жидкости.
Жидкий гелий в сверхтекучей фазе ползет по стенкам чашки пленкой Роллина, в конечном итоге капая из чашки. Близко к абсолютному нулю некоторые жидкости образуют второе жидкое состояние, описываемое как сверхтекучая потому что он имеет нулевую вязкость (или бесконечную текучесть, т. е. течет без трения). Это было обнаружено в 1937 году для гелия, который образует сверхтекучую среду ниже лямбда-температуры, равной 2,17 К (-270,98 ° C; -455,76 ° F). В этом состоянии он попытается «вылезти» из контейнера. Он также имеет бесконечную теплопроводность, так что в сверхтекучей жидкости не может образоваться температурный градиент. Размещение сверхтекучей жидкости во вращающемся контейнере приведет к квантованным вихрям.
Эти свойства объясняются теорией, согласно которой обычный изотоп гелий-4 образует конденсат Бозе – Эйнштейна (см. следующий раздел) в сверхтекучем состоянии. Совсем недавно фермионный конденсат сверхтекучая среда была образована при еще более низких температурах редким изотопом гелий-3 и литием-6.
Скорость газа рубидия при его охлаждении: исходный материал находится слева, а конденсат Бозе – Эйнштейна - справа. В 1924 году Альберт Эйнштейн и Сатьендра Нат Бос предсказал «конденсат Бозе-Эйнштейна» (БЭК), иногда называемый пятым состоянием материи. В БЭК вещество перестает вести себя как независимые частицы и коллапсирует в единое квантовое состояние, которое можно описать единой однородной волновой функцией.
В газовой фазе конденсат Бозе-Эйнштейна оставался непроверенным теоретическим предсказанием в течение многих лет. В 1995 году исследовательские группы Эрика Корнелла и Карла Вимана из JILA в Университете Колорадо в Боулдере создали первые такой конденсат экспериментально. Конденсат Бозе – Эйнштейна «холоднее» твердого тела. Это может произойти, когда атомы имеют очень похожие (или одинаковые) квантовые уровни при температурах, очень близких к абсолютному нулю, -273,15 ° C (-459,67 ° F).
Фермионный конденсат похож на конденсат Бозе – Эйнштейна, но состоит из фермионов. Принцип исключения Паули не позволяет фермионам входить в одно и то же квантовое состояние, но пара фермионов может вести себя как бозон, и несколько таких пар могут входить в одно и то же квантовое состояние без ограничений.
Одним из метастабильных состояний сильно неидеальной плазмы является ридберговское вещество, которое образуется при конденсации возбужденного атомы. Эти атомы также могут превращаться в ионы и электроны, если они достигают определенной температуры. В апреле 2009 года Nature сообщил о создании ридберговских молекул из ридберговского атома и атома основного состояния, подтвердив, что такое состояние материи могло существовать. Эксперимент проводился с использованием ультрахолодных атомов рубидия.
Квантовое состояние Холла вызывает квантованное напряжение Холла, измеренное в направлении, перпендикулярном току. квантовое спиновое состояние Холла - это теоретическая фаза, которая может открыть путь для разработки электронных устройств, которые рассеивают меньше энергии и выделяют меньше тепла. Это результат квантового холловского состояния материи.
Фотонная материя - это явление, при котором фотоны, взаимодействуя с газом, приобретают кажущуюся массу и могут взаимодействовать друг с другом, даже образуя фотонные «молекулы». Источником массы является массивный газ. Это отличается от фотонов, движущихся в пустом пространстве, которые не имеют массы покоя и не могут взаимодействовать.
"квантовый туман" электронов и дырок, которые текут друг вокруг друга и даже колеблются, как жидкость, а не существуют как отдельные пары.
Под чрезвычайно высоким давлением, как в ядрах мертвых звезд, обычная материя претерпевает переход в серию экзотических состояний материи, известных под общим названием вырожденная материя, которые поддерживаются в основном квантово-механическими эффектами. В физике «вырожденный» относится к двум состояниям, которые имеют одинаковую энергию и поэтому взаимозаменяемы. Вырожденная материя поддерживается принципом исключения Паули, который не позволяет двум фермионным частицам занимать одно и то же квантовое состояние. В отличие от обычной плазмы, вырожденная плазма мало расширяется при нагревании, потому что импульсных состояний просто не остается. Следовательно, вырожденные звезды коллапсируют до очень высокой плотности. Более массивные вырожденные звезды меньше, потому что сила гравитации увеличивается, но давление не увеличивается пропорционально.
Электронно-вырожденное вещество находится внутри белых карликов звезд. Электроны остаются связанными с атомами, но могут переходить к соседним атомам. Нейтронно-вырожденное вещество находится в нейтронных звездах. Огромное гравитационное давление сжимает атомы настолько сильно, что электроны вынуждены объединяться с протонами посредством обратного бета-распада, что приводит к сверхплотному скоплению нейтронов. Обычно свободные нейтроны вне ядра атома распадаются с периодом полураспада чуть менее 15 минут, но в нейтронной звезде распад происходит за счет обратного распада. Холодное вырожденное вещество также присутствует на таких планетах, как Юпитер и в еще более массивных коричневых карликах, которые, как ожидается, будут иметь ядро с металлическим водородом. Из-за вырождения более массивные коричневые карлики не намного больше. В металлах электроны можно моделировать как вырожденный газ, движущийся в решетке невырожденных положительных ионов.
В обычном холодном веществе кварки, фундаментальные частицы ядерной материи, сильной силой удерживаются адронами., состоящие из 2–4 кварков, например протонов и нейтронов. Кварковая материя или квантово-хромодинамическая (КХД) материя - это группа фаз, в которых преодолевается сильное взаимодействие, и кварки деконферируются и могут свободно двигаться. Фазы кварковой материи возникают при чрезвычайно высоких плотностях или температурах, и не существует известных способов получения их в равновесии в лаборатории; в обычных условиях всякая кварковая материя немедленно подвергается радиоактивному распаду.
Странная материя - это тип кварковой материи, которая, как предполагается, существует внутри некоторых нейтронных звезд, близких к пределу Толмена – Оппенгеймера – Волкова (примерно 2–3 массы Солнца ), хотя прямых доказательств его существования нет. В странной материи часть доступной энергии проявляется в виде странных кварков, более тяжелого аналога обычного даун-кварка. После образования он может быть стабильным в состояниях с более низкой энергией, хотя это неизвестно.
Кварк-глюонная плазма - это очень высокотемпературная фаза, в которой кварки становятся свободными и могут двигаться независимо, а не постоянно связаны в частицы в море глюонов., субатомные частицы, передающие сильную силу, связывающую кварки вместе. Это аналогично освобождению электронов от атомов в плазме. Это состояние на короткое время достигается при столкновении тяжелых ионов чрезвычайно высоких энергий в ускорителях частиц и позволяет ученым наблюдать свойства отдельных кварков, а не только теоретизировать. Кварк-глюонная плазма была открыта в CERN в 2000 году. В отличие от плазмы, которая течет как газ, взаимодействия внутри QGP сильны, и она течет как жидкость.
Предполагается, что кварки при высоких плотностях, но относительно низких температурах образуют кварковую жидкость, природа которой в настоящее время неизвестна. Он образует отчетливую фазу с блокировкой цвета и аромата (CFL) при еще более высоких плотностях. Эта фаза сверхпроводящая для цветного заряда. Эти фазы могут встречаться в нейтронных звездах, но в настоящее время они являются теоретическими.
Конденсат цветного стекла - это тип вещества, которое, согласно теории, существует в атомных ядрах, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Согласно теории относительности Эйнштейна, высокоэнергетическое ядро кажется сжатым или сжатым по длине в направлении своего движения. В результате глюоны внутри ядра кажутся стационарному наблюдателю как «глюонная стена», движущаяся со скоростью, близкой к скорости света. Видно, что при очень высоких энергиях плотность глюонов в этой стенке сильно увеличивается. В отличие от кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении таких стенок, конденсат цветного стекла описывает сами стенки и является внутренним свойством частиц, которое можно наблюдать только в условиях высоких энергий, например, на RHIC и, возможно, при также Большой адронный коллайдер.
Различные теории предсказывают новые состояния вещества при очень высоких энергиях. Неизвестное состояние создало барионную асимметрию во Вселенной, но об этом мало что известно. В теории струн для суперструн предсказывается температура Хагедорна на уровне около 10 К, где суперструны образуются в большом количестве. При температуре Планка (10 K) гравитация становится значительной силой между отдельными частицами. Никакая современная теория не может описать эти состояния, и они не могут быть получены никаким предсказуемым экспериментом. Однако эти состояния важны в космологии, потому что Вселенная могла пройти через эти состояния в Большом взрыве.
гравитационной сингулярности, предсказанной общая теория относительности существование в центре черной дыры не является фазой материи; это вовсе не материальный объект (хотя масса-энергия вещества способствовала его созданию), а скорее свойство пространства-времени. Поскольку пространство-время там разрушается, сингулярность следует рассматривать не как локализованную структуру, а как глобальную топологическую особенность пространства-времени. Утверждалось, что элементарные частицы принципиально не материальны, но представляют собой локализованные свойства пространства-времени. В квантовой гравитации сингулярности могут фактически отмечать переходы в новую фазу материи.
Супертвердое тело представляет собой пространственно упорядоченный материал (то есть твердое тело или кристалл) со сверхтекучими свойствами. Подобно сверхтекучести, сверхтвердое тело может двигаться без трения, но сохраняет жесткую форму. Хотя супертвердое тело является твердым телом, оно проявляет так много характерных свойств, отличных от других твердых тел, что многие утверждают, что это другое состояние вещества.
В жидкости-сетке-струне, атомы имеют явно нестабильное расположение, как жидкость, но все же сохраняют общую структуру, как твердое тело. В нормальном твердом состоянии атомы вещества выстраиваются в сетку, так что спин любого электрона противоположен спину всех электронов, касающихся его. Но в жидкости, состоящей из струнных сеток, атомы расположены определенным образом, поэтому у некоторых электронов должны быть соседи с таким же спином. Это порождает любопытные свойства, а также поддерживает некоторые необычные предположения о фундаментальных условиях самой Вселенной.
Сверхстекло - это фаза вещества, характеризующаяся одновременно сверхтекучестью и замороженной аморфной структурой.
 | в | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| твердое тело | жидкость | газ | плазма | ||
| из | твердое тело | плавление | сублимация | ||
| жидкость | Замораживание | Испарение | |||
| Газ | Отложение | Конденсация | Ионизация | ||
| Плазма | Рекомбинация | ||||
 | Wikimedia У Commons есть средства массовой информации, относящиеся к агрегатным состояниям. |
