Какие бывают состояния вещества?

Лед, вода и пар — это три совершенно разные формы — или состояния — воды. Как и другие вещества, вода может принимать различные формы по мере изменения окружающей среды. Возьмем, к примеру, форму для льда. Налейте воду в лоток, поместите его в морозильную камеру, и через несколько часов эта жидкая вода превратится в твердый лед. Вещество в лотке все то же химическое — H2O; изменилось только его состояние.

Положите лед в кастрюлю над пламенем на плите, и он снова станет жидким. Если она станет достаточно горячей, вы заметите, как пар поднимается от жидкости. Этот пар все еще H2O, просто в виде газа. Твердое (лед), жидкое (вода) и газообразное (пар) — три наиболее распространенных состояния материи — по крайней мере, на Земле.

В Древней Греции один философ понял, как вода может менять форму, и пришел к выводу, что все должно быть сделано из воды. Однако вода — не единственный тип материи, который меняет свое состояние при нагревании, охлаждении или сжатии. Вся материя состоит из атомов и/или молекул. Когда эти крошечные строительные блоки материи меняют свою структуру, меняется и их состояние или фаза.

Твердое:

Материалы в этом состоянии имеют определенный объем и форму. То есть они занимают определенное количество места. И они сохранят свою форму без помощи контейнера. Стол, телефон и дерево — все это примеры материи в ее твердой форме.

Атомы и молекулы, из которых состоит твердое тело, плотно упакованы. Они так тесно связаны, что не могут двигаться свободно. Твердое тело может превратиться в жидкость. Или он может сублимировать — превращаться из твердого состояния в газообразное при определенных температурах или давлениях.

Жидкость:

материалы в этом состоянии имеют определенный объем, но не имеют определенной формы. Сжатие жидкости не приведет к ее сжатию в меньший объем. Жидкость примет форму любой емкости, в которую ее нальют. Но он не расширится, чтобы заполнить весь контейнер, в котором он находится. Вода, шампунь и молоко — все это примеры жидкостей.

По сравнению с атомами и молекулами в твердом теле атомы в жидкости обычно менее плотно упакованы. Жидкость можно охладить до твердого состояния. При достаточном нагревании он обычно превращается в газ.

В самых обычных фазах материи могут возникать и другие состояния. Например, жидкие кристаллы. Они кажутся жидкостью и текут подобно жидкости. Однако их молекулярная структура больше напоминает твердые кристаллы. Мыльная вода является примером обычного жидкого кристалла. Многие устройства используют жидкие кристаллы, включая сотовые телефоны, телевизоры и цифровые часы.

Газ:

Материалы в этой фазе не имеют определенного объема или формы. Газ будет принимать форму своего сосуда и расширяться, чтобы заполнить этот сосуд. Примеры распространенных газов включают гелий (используемый для плавания воздушных шаров), воздух, которым мы дышим, и природный газ, используемый для питания многих кухонных плит.

Атомы и молекулы газа также движутся быстрее и свободнее, чем в твердом теле или жидкости. Химические связи между молекулами газа очень слабые. Эти атомы и молекулы также находятся дальше друг от друга, чем атомы того же материала в его жидкой или твердой форме. При охлаждении газ может сконденсироваться в жидкость. Например, водяной пар в воздухе может конденсироваться вне стакана с ледяной водой. Это может создать крошечные капельки воды. Они могут стекать по стеклу, образуя небольшие лужицы конденсата на столешнице. (Это одна из причин, по которой люди используют подставки для напитков.)

Слово «жидкость» может относиться к жидкости или газу. Некоторые жидкости являются сверхкритическими. Это состояние вещества, возникающее при критической температуре и давлении. На данный момент жидкости и газы нельзя отличить друг от друга. Такие сверхкритические флюиды естественным образом встречаются в атмосферах Юпитера и Сатурна.

Плазма:

Подобно газу, это состояние материи не имеет ни определенной формы, ни объема. Однако, в отличие от газов, плазма может проводить электрический ток и создавать магнитные поля. Что делает плазму особенной, так это то, что она содержит ионы. Это атомы с электрическим зарядом. Молнии и неоновые вывески — два примера частично ионизированной плазмы. Плазма часто встречается в звездах, в том числе и в нашем Солнце.

Плазму можно создать, нагревая газ до чрезвычайно высоких температур. Плазма может также образовываться, когда разряд высокого напряжения проходит через воздушное пространство между двумя точками. Хотя они редко встречаются на Земле, плазма является наиболее распространенным типом материи во Вселенной.

Конденсат Бозе-Эйнштейна:

газ с очень низкой плотностью, охлажденный почти до абсолютного нуля, превращается в новое состояние вещества: конденсат Бозе-Эйнштейна. Абсолютный ноль считается самой низкой возможной температурой: 0 кельвинов,-273 градуса по Цельсию или около-459,67 градусов по Фаренгейту. Когда этот газ с низкой плотностью перейдет в такой сверххолодный режим, все его атомы в конечном итоге начнут «конденсироваться» в одинаковое энергетическое состояние. Достигнув его, они теперь будут действовать как «суператом». Суператом — это группа атомов, которые действуют так, как если бы они были одной частицей.

Конденсат Бозе-Эйнштейна не образуется естественным путем. Они образуются только в тщательно контролируемых экстремальных лабораторных условиях.

Вырожденная материя:

это состояние материи развивается, когда газ сверхсжат. Теперь он начинает вести себя больше как твердое тело, хотя и остается газом.

Обычно атомы в газе движутся быстро и свободно. Не так в вырожденной материи. Здесь они находятся под таким высоким давлением, что атомы тесно сближаются в маленьком пространстве. Как и в твердом теле, они больше не могут свободно двигаться.

Звезды в конце своей жизни, такие как белые карлики и нейтронные звезды, содержат вырожденное вещество. Именно это позволяет таким звездам быть такими маленькими и плотными.

Существует несколько различных типов вырожденной материи, включая электронно-вырожденную материю. Эта форма материи содержит в основном электроны. Другим примером является нейтронно-вырожденное вещество. Эта форма материи содержит в основном нейтроны.

Кварк-глюонная плазма:

как следует из названия, кварк-глюонная плазма состоит из элементарных частиц, известных как кварки и глюоны. Кварки объединяются, чтобы сформировать частицы, такие как протоны и нейтроны. Глюоны действуют как «клей», удерживающий эти кварки вместе. Кварк-глюонная плазма была первой формой материи, заполнившей Вселенную после Большого взрыва.

Ученые из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) впервые обнаружили кварк-глюонную плазму в 2000 году. Затем, в 2005 году, исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк, создали кварк-глюонную плазму, столкнув атомы золота друг с другом на близком расстоянии. До скорости света. Такие энергетические столкновения могут создавать высокие температуры — до 250 000 раз выше, чем внутри Солнца. Столкновения атомов были достаточно горячими, чтобы расщепить протоны и нейтроны в атомных ядрах на кварки и глюоны.

Ожидалось, что эта кварк-глюонная плазма будет газом. Но эксперимент в Брукхейвене показал, что на самом деле это была своего рода жидкость. С тех пор серия экспериментов показала, что плазма действует как сверхжидкость, оказывая меньшее сопротивление течению, чем любое другое вещество.

Кварк-глюонная плазма когда-то заполнила всю Вселенную — как своего рода суп — из которого возникла материя, какой мы ее знаем.

И более?

Как и в случае с жидкими кристаллами и сверхкритическими флюидами, существует еще больше состояний материи, чем описано выше. По мере того, как исследователи продолжают работать над тем, чтобы понять мир вокруг нас, они, вероятно, продолжат находить все новые и более странные способы поведения атомов, из которых состоит все в окружающем нас мире, в экстремальных условиях.