Состояние вопроса - State of matter

В физика, а состояние дела одна из различных форм, в которых иметь значение может существовать. В повседневной жизни можно наблюдать четыре состояния материи: твердый, жидкость, газ, и плазма. Известно, что существует много промежуточных состояний, таких как жидкокристаллический, а некоторые состояния существуют только в экстремальных условиях, например Конденсаты Бозе – Эйнштейна, нейтронно-вырожденное вещество, и кварк-глюонная плазма, которые возникают, соответственно, только в условиях экстремального холода, экстремальной плотности и чрезвычайно высокой энергии. Полный список всех экзотических состояний вещества см. список состояний материи.

Исторически различие проводится на основе качественных различий в свойствах. Материя в твердом состоянии сохраняет фиксированный объем и форму с составными частицами (атомы, молекулы или же ионы ) закрыть и зафиксировать 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.

Период, термин фаза иногда используется как синоним состояния вещества, но система может содержать несколько несмешиваемый фазы одного и того же состояния вещества.

Четыре основных состояния

Твердый

В твердом теле составляющие частицы (ионы, атомы или молекулы) плотно упакованы вместе. В силы между частицами настолько сильны, что частицы не могут свободно двигаться, а могут только колебаться. 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 кристаллические твердые вещества, частицы (атомы, молекулы или ионы) упакованы в регулярно упорядоченный повторяющийся узор. Есть разные разные кристаллические структуры, и одно и то же вещество может иметь более одной структуры (или твердой фазы). Например, утюг имеет объемно-центрированная кубическая структура при температурах ниже 912 ° C (1674 ° F), и гранецентрированная кубическая структура между 912 и 1394 ° C (2541 ° F). Лед имеет пятнадцать известных кристаллических структур или пятнадцать твердых фаз, которые существуют при различных температурах и давлениях.^[1]

Очки и другие некристаллические, аморфные твердые тела без дальний заказ не тепловое равновесие основные состояния; поэтому ниже они описаны как неклассические состояния вещества.

Твердые вещества можно преобразовать в жидкости путем плавления, а жидкости можно преобразовать в твердые вещества путем замораживания. Твердые вещества также могут непосредственно превращаться в газы в процессе сублимация, и газы могут также непосредственно превращаться в твердые частицы через отложение.

Жидкость

Жидкость почти несжимаемая жидкость который соответствует форме контейнера, но сохраняет (почти) постоянный объем независимо от давления. Громкость определена, если температура и давление постоянны. Когда твердое тело нагревается выше своего температура плавления, он становится жидким, если давление выше, чем тройная точка вещества. Межмолекулярные (или межатомные, или межионные) силы по-прежнему важны, но у молекул достаточно энергии, чтобы перемещаться друг относительно друга, и структура подвижна. Это означает, что форма жидкости не определена, а определяется ее емкостью. Объем обычно больше, чем у соответствующего твердого вещества, наиболее известным исключением является воды, H₂О. Самая высокая температура, при которой может существовать данная жидкость, - это ее критическая температура.^[2]

Газ

Газ - это сжимаемая жидкость. Мало того, что газ будет соответствовать форме контейнера, он также расширится, чтобы заполнить контейнер.

В газе у молекул достаточно кинетическая энергия так что влияние межмолекулярных сил невелико (или равно нулю для идеальный газ ), а типичное расстояние между соседними молекулами намного больше размера молекулы. Газ не имеет определенной формы или объема, но занимает весь контейнер, в котором он заключен. Жидкость может быть преобразована в газ путем нагревания при постоянном давлении до точка кипения или путем снижения давления при постоянной температуре.

При температурах ниже критическая температура, газ также называют пар, и может быть сжижен только сжатием без охлаждения. Пар может находиться в равновесии с жидкостью (или твердым телом), и в этом случае давление газа равно давление газа жидкости (или твердого вещества).

А сверхкритическая жидкость (SCF) - это газ, температура и давление которого выше критической температуры и критическое давление 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, чтобы извлекать кофеин в производстве без кофеина кофе.^[3]

Плазма

Как и газ, 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 высоких энергий - это, по сути, голые ядра, плавающие в море электронов. При этом образуется так называемая полностью ионизированная плазма.

Состояние плазмы часто понимают неправильно, и хотя оно не существует свободно при нормальных условиях на Земле, оно довольно часто создается либо молния, электрические искры, люминесцентные лампы, неоновые лампы или в плазменные телевизоры. В Корона Солнца, некоторые виды пламя, и звезды являются примерами освещенного вещества в состоянии плазмы.

Фазовые переходы

Состояние вещества также характеризуется фазовые переходы. Фазовый переход указывает на изменение структуры и может быть распознан по резкому изменению свойств. Отдельное состояние материи можно определить как любой набор состояния отличается от любого другого набора состояний фаза перехода. Можно сказать, что вода имеет несколько различных твердых состояний.^[4] Возникновение сверхпроводимости связано с фазовым переходом, поэтому существуют сверхпроводящий состояния. Так же, ферромагнитный состояния разграничены фазовыми переходами и обладают отличительными свойствами. Когда изменение состояния происходит поэтапно, промежуточные этапы называются мезофазы. Такие фазы использовались введением жидкокристаллический технологии.^[5][6]

Государство или фаза данного набора материи может изменяться в зависимости от давление и температура условия, переходящие в другие фазы по мере изменения этих условий в пользу их существования; например, твердое тело переходит в жидкость при повышении температуры. Возле абсолютный ноль, вещество существует как твердый. Когда к этому веществу добавляется тепло, оно растворяется в жидкости на своем температура плавления, закипает в газ на своем точка кипения, и если нагреться достаточно высоко, войдет плазма государство, 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. Сверхтекучие жидкости (подобно Фермионный конденсат ) и кварк-глюонная плазма являются примерами.

В химическом уравнении состояние вещества химических веществ может быть показано как (s) для твердого вещества, (l) для жидкости и (g) для газа. An водный раствор обозначается (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).

Неклассические состояния

Стекло

Стекло некристаллический или аморфное твердое тело материал, который демонстрирует стеклование при нагревании до жидкого состояния. Стекла могут быть изготовлены из материалов самых разных классов: неорганических сетей (например, оконного стекла, силикат плюс добавки), металлические сплавы, ионные расплавы, водные растворы, молекулярные жидкости и полимеры.Термодинамически стекло находится в метастабильное состояние по отношению к его кристаллическому аналогу. А вот конверсия практически равна нулю.

Кристаллы с некоторой степенью беспорядка

А пластиковый кристалл представляет собой молекулярное твердое тело с дальним позиционным порядком, но с составляющими молекулами, сохраняющими свободу вращения; в ориентационное стекло эта степень свободы заморожена в закаленный неупорядоченный государственный.

Точно так же в спин-стекло магнитный беспорядок заморожен.

Состояния жидкого кристалла

Состояния жидких кристаллов обладают промежуточными свойствами между подвижными жидкостями и упорядоченными твердыми телами. Как правило, они могут течь как жидкость, но с дальним порядком. Например, нематическая фаза состоит из длинных стержневидных молекул, таких как пара-азоксианизол, который является нематическим в диапазоне температур 118–136 ° C (244–277 ° F).^[7] 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 жидкокристаллические дисплеи.

Магнитно заказанный

Переходный металл атомы часто имеют магнитные моменты из-за сети вращение 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 ферромагнетик - например, твердый утюг - магнитный момент на каждом атоме ориентирован в одном направлении (в пределах магнитный домен ). Если домены также выровнены, твердое тело является постоянным магнит, который является магнитным даже при отсутствии внешнего магнитное поле. В намагничивание исчезает, когда магнит нагревается до Точка Кюри, что для железа составляет 768 ° C (1414 ° F).

An антиферромагнетик имеет две сети равных и противоположных магнитных моментов, которые компенсируют друг друга, так что суммарная намагниченность равна нулю. Например, в оксид никеля (II) (NiO) половина атомов никеля имеет моменты, ориентированные в одном направлении, а половина - в противоположном направлении.

В ферримагнетик, две сети магнитных моментов противоположны, но не равны, так что компенсация является неполной и имеется ненулевая суммарная намагниченность. Примером является магнетит (Fe₃О₄), содержащий Fe²⁺ и Fe³⁺ ионы с разными магнитными моментами.

А 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 ферромагнетик, где магнитные домены параллельны, а антиферромагнетик, где магнитные домены антипараллельны; вместо этого магнитные домены ориентированы случайным образом. Это можно реализовать, например, к геометрически расстроен магнитные моменты, которые не могут быть одинаково параллельными или антипараллельными. 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.

С микрофазой

Сополимеры могут подвергаться микрофазовому разделению с образованием разнообразного массива периодических наноструктур, как показано на примере блок-сополимер стирола, бутадиена и стирола показано справа. Микрофазовое разделение можно понять по аналогии с разделением фаз между масло и вода. Из-за химической несовместимости между блоками блок-сополимеры претерпевают аналогичное фазовое разделение. Однако, поскольку блоки ковалентно связанный друг к другу, они не могут макроскопически расслоиться, как вода и масло, поэтому вместо этого блоки образуют нанометровый конструкции. В зависимости от относительной длины каждого блока и общей топологии блока полимера может быть получено множество морфологий, каждая из которых имеет свою собственную фазу вещества.

Ионные жидкости также отображают 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 в разделенных слоях или мицеллах, а не свободно, как в однородной жидкости.^[8]

Низкотемпературные состояния

Сверхтекучая

Вблизи абсолютного нуля некоторые жидкости образуют второе жидкое состояние, описываемое как сверхтекучий потому что у него ноль вязкость (или бесконечная текучесть, т. е. течет без трения). Это было обнаружено в 1937 г. гелий, которая образует сверхтекучую жидкость ниже лямбда-температура 2,17 К (-270,98 ° С; -455,76 ° F). В этом состоянии он попытается «вылезти» из контейнера.^[9] Он также имеет бесконечное теплопроводность так что нет температурный градиент может образовываться в сверхтекучей жидкости. Помещение сверхтекучей жидкости во вращающийся контейнер приведет к квантованные вихри.

Эти свойства объясняются теорией, согласно которой общий изотоп гелий-4 образует Конденсат Бозе – Эйнштейна (см. следующий раздел) в сверхтекучем состоянии. В последнее время, Фермионный конденсат сверхтекучие жидкости были образованы при еще более низких температурах редким изотопом гелий-3 и по литий-6.^[10]

Конденсат Бозе – Эйнштейна

В 1924 г. 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 долгие годы оставался непроверенным теоретическим предсказанием. В 1995 г. исследовательские группы Эрик Корнелл и Карл Виман, из ДЖИЛА на Колорадский университет в Боулдере, экспериментально получил первый такой конденсат. Конденсат Бозе – Эйнштейна «холоднее» твердого тела. Это может произойти, когда атомы имеют очень похожие (или одинаковые) квантовые уровни, при температурах очень близких к абсолютный ноль, -273,15 ° С (-459,67 ° F).

Фермионный конденсат

А фермионный конденсат похож на конденсат Бозе – Эйнштейна, но состоит из фермионы. В Принцип исключения Паули предотвращает переход фермионов в одно и то же квантовое состояние, но пара фермионов может вести себя как бозон, и несколько таких пар могут без ограничений входить в одно и то же квантовое состояние.

Молекула Ридберга

Один из метастабильные состояния сильно неидеальной плазмы Ридберг дело, который образуется при конденсации возбужденные атомы. Эти атомы также могут превращаться в ионы и электроны если они достигают определенной температуры. В апреле 2009 г. Природа сообщили о создании ридберговских молекул из ридберговского атома и основное состояние атом,^[11] подтверждая, что такое состояние материи могло существовать.^[12] Эксперимент проводился с использованием ультрахолодной рубидий атомы.

Квантовое состояние Холла

А квантовое состояние Холла дает начало квантованным Напряжение Холла измеряется в направлении, перпендикулярном току. А квантовое спиновое холловское состояние это теоретический этап, который может открыть путь для разработки электронных устройств, которые рассеивают меньше энергии и выделяют меньше тепла. Это результат квантового холловского состояния материи.

Фотонная материя

Фотонная материя - это явление, в котором фотоны при взаимодействии с газом образуется кажущаяся масса, и они могут взаимодействовать друг с другом, даже образуя фотонные «молекулы». Источником массы является массивный газ. В этом отличие от фотонов, движущихся в пустом пространстве, у которых нет масса покоя, и не может взаимодействовать.

Дроплетон

«Квантовый туман» электронов и дырок, которые текут друг вокруг друга и даже колеблются, как жидкость, а не существуют как отдельные пары.^[13]

Высокоэнергетические состояния

Вырожденная материя

Под чрезвычайно высоким давлением, как в ядрах мертвых звезд, обычная материя претерпевает переход в серию экзотических состояний материи, известных под общим названием дегенеративная 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 Принцип исключения Паули, что предотвращает два фермионный частицы из одного и того же квантового состояния. В отличие от обычной плазмы, вырожденная плазма при нагревании мало расширяется, 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-вырожденная материя находится внутри белый Гном звезды. Электроны остаются связанными с атомами, но могут переходить к соседним атомам. Нейтронно-вырожденное вещество находится в нейтронные звезды. Огромное гравитационное давление сжимает атомы так сильно, что электроны вынуждены объединяться с протонами через обратный бета-распад, что приводит к сверхплотному скоплению нейтронов. Обычно свободные нейтроны вне атомного ядра будет разлагаться с периодом полураспада чуть менее 15 минут, но в нейтронной звезде распад догоняет обратный распад. Холодное вырожденное вещество также присутствует на таких планетах, как Юпитер и в еще более массивном коричневые карлики, которые, как ожидается, будут иметь ядро ​​с металлический водород. Из-за вырождения более массивные коричневые карлики не намного больше. В металлах электроны можно моделировать как вырожденный газ, движущийся в решетке невырожденных положительных ионов.

Кварковая материя

В обычном холоде кварки, фундаментальные частицы ядерной материи, удерживаются сильная сила в адроны которые состоят из 2–4 кварков, таких как протоны и нейтроны. 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 встречаются при чрезвычайно высоких плотностях или температурах, и нет известных способов получения их в равновесии в лаборатории; в обычных условиях всякая кварковая материя немедленно подвергается радиоактивному распаду.

Странное дело это тип кварковая материя Предполагается, что он существует внутри некоторых нейтронных звезд вблизи Предел Толмана – Оппенгеймера – Волкова. (примерно 2–3 солнечные массы ), хотя прямых доказательств его существования нет. В странной материи часть доступной энергии проявляется как странные кварки, более тяжелый аналог обычного вниз кварк. После образования он может быть стабильным в состояниях с более низкой энергией, хотя это неизвестно.

Кварк-глюонная плазма очень высокотемпературная фаза, в которой кварки стать свободными и способными двигаться независимо, а не быть постоянно связанными частицами в море глюоны, субатомные частицы, передающие сильная сила который связывает кварки вместе. Это аналогично освобождению электронов от атомов в плазме. Это состояние кратковременно достигается при столкновении тяжелых ионов сверхвысоких энергий в ускорители частиц, и позволяет ученым наблюдать свойства отдельных кварков, а не только теоретизировать. Кварк-глюонная плазма была открыта на ЦЕРН в 2000 году. В отличие от плазмы, которая течет как газ, взаимодействия внутри QGP сильны, и она течет как жидкость.

Предполагается, что при высоких плотностях, но относительно низких температурах кварки образуют кварковую жидкость, природа которой в настоящее время неизвестна. Он образует отчетливую цвет-аромат заблокирован (CFL) фаза при еще более высоких плотностях. Эта фаза сверхпроводящий за цветную плату. Эти фазы могут происходить в нейтронные звезды но в настоящее время они теоретические.

Цветной стеклянный конденсат

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.

Состояния с очень высокой энергией

Различные теории предсказывают новые состояния вещества при очень высоких энергиях. Неизвестное государство создало барионная асимметрия во Вселенной, но о нем мало что известно. В теория струн, а Температура Хагедорна предсказывается для суперструн примерно на 10³⁰ K, где обильно воспроизводятся суперструны. В Планковская температура (10³² K) гравитация становится значительной силой между отдельными частицами. Никакая современная теория не может описать эти состояния, и они не могут быть получены с помощью каких-либо предсказуемых экспериментов. Однако эти состояния важны в космология потому что Вселенная могла пройти через эти состояния в Большой взрыв.

В гравитационная сингулярность предсказано общая теория относительности существовать в центре черная дыра является нет фаза материи; это вовсе не материальный объект (хотя масса-энергия вещества способствовала его созданию), а скорее свойство пространство-время. Поскольку пространство-время там разрушается, сингулярность не следует рассматривать как локализованную структуру, а как глобальную топологическую особенность пространства-времени.^[14] Утверждалось, что элементарные частицы принципиально не материальны, но являются локализованными свойствами пространства-времени.^[15]. В квантовой гравитации сингулярности могут фактически отмечать переходы в новую фазу материи.^[16]

Другие предлагаемые состояния

Сверхтвердый

Сверхтвердое тело - это пространственно упорядоченный материал (то есть твердое тело или кристалл) со сверхтекучими свойствами. Подобно сверхтекучей жидкости, 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.^[17]

Струнно-чистая жидкость

В жидкости, состоящей из струнных сеток, атомы имеют явно нестабильное расположение, как жидкость, но по-прежнему имеют постоянный общий узор, 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 по некоторому шаблону, который требует, чтобы у некоторых электронов были соседи с таким же спином. Это порождает любопытные свойства, а также поддерживает некоторые необычные предположения о фундаментальных условиях самой Вселенной.

Superglass

Сверхстекло - это фаза материи, характеризующаяся в то же время сверхтекучесть и замороженная аморфная структура.

Смотрите также

• Скрытые состояния материи
• Классический элемент
• Физика конденсированного состояния
• Кривая охлаждения
• Фаза (материя)
• Переохлаждение
• Перегрев

Фазовые переходы материи ()

		К
		Твердый	Жидкость	Газ	Плазма
Из	Твердый		Плавление	Сублимация
	Жидкость	Замораживание		Испарение
	Газ	Отложение	Конденсация		Ионизация
	Плазма			Рекомбинация

Примечания и ссылки

внешняя ссылка

• 2005-06-22, Новости Массачусетского технологического института: физики Массачусетского технологического института создают новую форму материи Читат: «... Они стали первыми, кто создал новый тип материи, атомный газ, обладающий высокотемпературной сверхтекучестью».
• 2003-10-10, Science Daily: металлическая фаза для бозонов предполагает новое состояние материи
• 2004-01-15, ScienceDaily: Вероятное открытие новой сверхтвердой фазы материи Читат: «... Мы, по-видимому, впервые наблюдали твердый материал с характеристиками сверхтекучей жидкости ... но поскольку все его частицы находятся в одинаковом квантовом состоянии, он остается твердым, даже если составляющие его частицы непрерывно течет ... "
• 2004-01-29, ScienceDaily: Ученые NIST / Университета Колорадо создают новую форму материи: фермионный конденсат
• Короткие видеоролики, демонстрирующие состояния материи, твердых тел, жидкостей и газов, подготовленные профессором Дж. М. Мюрреллом, Университет Сассекса.