Stan materii
W fizyce stan materii jest jedną z odrębnych form, w jakich może istnieć materia . W życiu codziennym można zaobserwować cztery stany skupienia materii: stały , ciekły , gazowy i plazmowy . Wiadomo, że istnieje wiele stanów pośrednich, takich jak ciekły kryształ , a niektóre stany istnieją tylko w ekstremalnych warunkach, takich jak kondensaty Bosego-Einsteina (w ekstremalnie niskich temperaturach), materia zdegenerowana neutronami (w ekstremalnych gęstościach) i plazma kwarkowo-gluonowa (przy ekstremalnie wysokiej energii ). Aby uzyskać pełną listę wszystkich egzotycznych stanów materii, zobacz listę stanów materii .
Historycznie rzecz biorąc, rozróżnienie opiera się na jakościowych różnicach we właściwościach. Materia w stanie stałym zachowuje stałą objętość (zakładając brak zmian temperatury lub ciśnienia powietrza) i kształt, z cząstkami składowymi ( atomami , cząsteczkami lub jonami ) blisko siebie i unieruchomionymi. Materia w stanie ciekłym zachowuje stałą objętość (zakładając brak zmian temperatury lub ciśnienia powietrza), ale ma zmienny kształt, który dostosowuje się do pojemnika. Jego cząsteczki wciąż są blisko siebie, ale poruszają się swobodnie. Materia w stanie gazowym ma zarówno zmienną objętość, jak i kształt, dostosowując się do swojego pojemnika. Jego cząstki nie są ani blisko siebie, ani unieruchomione. Materia w stanie plazmy ma zmienną objętość i kształt, zawiera obojętne atomy oraz znaczną liczbę jonów i elektrony , z których oba mogą się swobodnie poruszać.
Termin „ faza ” jest czasami używany jako synonim stanu materii, ale możliwe jest, że jeden związek tworzy różne fazy, które znajdują się w tym samym stanie skupienia. Na przykład lód jest wodą w stanie stałym, ale istnieje wiele faz lodu o różnych strukturach krystalicznych , które powstają przy różnych ciśnieniach i temperaturach.
Cztery podstawowe stany
Solidny
W ciele stałym cząstki składowe (jony, atomy lub cząsteczki) są ściśle upakowane. Siły między cząsteczkami są tak silne, że cząstki nie mogą się swobodnie poruszać, a jedynie wibrować. W rezultacie ciało stałe ma stabilny, określony kształt i określoną objętość. Ciała stałe mogą zmienić swój kształt tylko pod wpływem siły zewnętrznej, na przykład podczas łamania lub cięcia.
W krystalicznych ciałach stałych cząstki (atomy, cząsteczki lub jony) są upakowane w regularnie uporządkowany, powtarzający się wzór. Istnieje wiele różnych struktur krystalicznych , a ta sama substancja może mieć więcej niż jedną strukturę (lub fazę stałą). Na przykład żelazo ma strukturę sześcienną skupioną na ciele w temperaturach poniżej 912 ° C (1674 ° F), a strukturę sześcienną skoncentrowaną na twarzy między 912 a 1394 ° C (2541 ° F). Lód ma piętnaście znanych struktur krystalicznych lub piętnaście faz stałych, które istnieją w różnych temperaturach i ciśnieniach.
Szkła i inne niekrystaliczne, amorficzne ciała stałe bez uporządkowania dalekiego zasięgu nie są stanami podstawowymi równowagi termicznej ; dlatego są one opisane poniżej jako nieklasyczne stany materii.
Ciała stałe można przekształcić w ciecze przez stopienie, a ciecze w ciała stałe przez zamrożenie. Ciała stałe mogą również zmieniać się bezpośrednio w gazy w procesie sublimacji , a gazy mogą również przechodzić bezpośrednio w ciała stałe w wyniku osadzania się .
Płyn
Ciecz jest cieczą prawie nieściśliwą , która dopasowuje się do kształtu pojemnika, ale zachowuje (prawie) stałą objętość niezależnie od ciśnienia. Objętość jest określona, jeśli temperatura i ciśnienie są stałe. Gdy ciało stałe jest podgrzewane powyżej temperatury topnienia , staje się płynne, biorąc pod uwagę, że ciśnienie jest wyższe niż punkt potrójny substancji. Siły międzycząsteczkowe (lub międzyatomowe lub międzyjonowe) są nadal ważne, ale cząsteczki mają wystarczającą energię, aby poruszać się względem siebie, a struktura jest ruchoma. Oznacza to, że kształt cieczy nie jest określony, ale jest określony przez jej pojemnik. Objętość jest zwykle większa niż objętość odpowiedniego ciała stałego, najlepiej znanym wyjątkiem jest woda , H 2 O. Najwyższą temperaturą, w której dana ciecz może istnieć, jest jej temperatura krytyczna .
Gaz
Gaz jest płynem ściśliwym. Gaz nie tylko dostosuje się do kształtu swojego pojemnika, ale także rozszerzy się, aby wypełnić pojemnik.
W gazie cząsteczki mają wystarczającą energię kinetyczną , aby wpływ sił międzycząsteczkowych był mały (lub zerowy dla gazu doskonałego ), a typowa odległość między sąsiednimi cząsteczkami jest znacznie większa niż rozmiar cząsteczki. Gaz nie ma określonego kształtu ani objętości, ale zajmuje całe naczynie, w którym się znajduje. Ciecz można przekształcić w gaz, ogrzewając ją pod stałym ciśnieniem do temperatury wrzenia lub zmniejszając ciśnienie w stałej temperaturze.
W temperaturach poniżej temperatury krytycznej gaz jest również nazywany parą i może zostać skroplony przez samą kompresję bez chłodzenia. Para może istnieć w równowadze z cieczą (lub ciałem stałym), w którym to przypadku ciśnienie gazu jest równe prężności pary cieczy (lub ciała stałego).
Płyn nadkrytyczny (SCF) to gaz, którego temperatura i ciśnienie są odpowiednio powyżej temperatury krytycznej i ciśnienia krytycznego . W tym stanie zanika rozróżnienie między cieczą a gazem. Płyn nadkrytyczny ma właściwości fizyczne gazu, ale jego wysoka gęstość nadaje w niektórych przypadkach właściwości rozpuszczalnika, co prowadzi do użytecznych zastosowań. Na przykład dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym jest używany do ekstrakcji kofeiny w produkcji kawy bezkofeinowej .
Osocze
.jpg)
Podobnie jak gaz, plazma nie ma określonego kształtu ani objętości. W przeciwieństwie do gazów plazma przewodzi prąd elektryczny, wytwarza pola magnetyczne i prądy elektryczne oraz silnie reaguje na siły elektromagnetyczne. Dodatnio naładowane jądra pływają w „morzu” swobodnie poruszających się dysocjacyjnych elektronów, podobnie do sposobu, w jaki takie ładunki istnieją w metalu przewodzącym, gdzie to „morze” elektronów pozwala materii w stanie plazmy przewodzić elektryczność.
Gaz jest zwykle przekształcany w plazmę na jeden z dwóch sposobów, albo z ogromnej różnicy napięcia między dwoma punktami, albo przez wystawienie go na działanie ekstremalnie wysokich temperatur. Podgrzanie materii do wysokich temperatur powoduje, że elektrony opuszczają atomy, co skutkuje obecnością wolnych elektronów. Tworzy to tak zwaną częściowo zjonizowaną plazmę. W bardzo wysokich temperaturach, takich jak te obecne w gwiazdach, zakłada się, że zasadniczo wszystkie elektrony są „swobodne”, a plazma o bardzo wysokiej energii to zasadniczo nagie jądra pływające w morzu elektronów. Tworzy to tak zwaną w pełni zjonizowaną plazmę.
Stan plazmy jest często źle rozumiany i chociaż nie występuje swobodnie w normalnych warunkach na Ziemi, jest dość powszechnie generowany przez wyładowania atmosferyczne , iskry elektryczne , świetlówki , neony lub telewizory plazmowe . Korona słoneczna , niektóre rodzaje płomieni i gwiazdy to przykłady oświetlonej materii w stanie plazmy.
Przejścia fazowe
Stan materii charakteryzuje się również przemianami fazowymi . Przemiana fazowa wskazuje na zmianę struktury i można ją rozpoznać po nagłej zmianie właściwości. Odrębny stan materii można zdefiniować jako dowolny zbiór stanów różniący się od dowolnego innego zbioru stanów przejściem fazowym . Można powiedzieć, że woda ma kilka różnych stanów stałych. Pojawienie się nadprzewodnictwa wiąże się z przejściem fazowym, więc występują nadprzewodzące . Podobnie ferromagnetyk stany są odgraniczone przejściami fazowymi i mają charakterystyczne właściwości. Kiedy zmiana stanu zachodzi etapami, etapy pośrednie nazywane są mezofazami . Takie fazy zostały wykorzystane przez wprowadzenie ciekłokrystalicznej .
Stan lub faza danego zestawu materii może zmieniać się w zależności od warunków ciśnienia i temperatury , przechodząc do innych faz, gdy te warunki zmieniają się, aby sprzyjać ich istnieniu; na przykład ciało stałe przechodzi w ciecz wraz ze wzrostem temperatury. W pobliżu zera bezwzględnego substancja istnieje jako ciało stałe . Gdy ciepło jest dodawane do tej substancji, topi się ona w cieczy w temperaturze topnienia , wrze w gaz w temperaturze wrzenia , a jeśli zostanie podgrzana wystarczająco wysoko, wejdzie do plazmy stan, w którym elektrony są tak pobudzone, że opuszczają atomy macierzyste.
Formy materii, które nie składają się z cząsteczek i są zorganizowane przez różne siły, można również uznać za różne stany materii. Przykładami są nadcieki (takie jak kondensat fermionowy ) i plazma kwarkowo-gluonowa .
W równaniu chemicznym stan materii substancji chemicznych można przedstawić jako (s) dla ciała stałego, (l) dla cieczy i (g) dla gazu. Roztwór wodny jest oznaczony (aq). Materia w stanie plazmy jest rzadko (jeśli w ogóle) używana w równaniach chemicznych, więc nie ma standardowego symbolu, który by ją oznaczał. W rzadkich równaniach, w których używa się plazmy, jest ona symbolizowana jako (p).
Stany nieklasyczne
Szkło
Szkło to niekrystaliczny lub amorficzny materiał stały, który po podgrzaniu do stanu ciekłego wykazuje zeszklenie . Szkła mogą być wykonane z całkiem różnych klas materiałów: sieci nieorganiczne (takie jak szkło okienne, wykonane z krzemianu z dodatkami), stopy metali, stopione jony , roztwory wodne , ciecze molekularne i polimery . Termodynamicznie szkło jest w stanie metastabilnym w stosunku do swojego krystalicznego odpowiednika. Współczynnik konwersji jest jednak praktycznie zerowy.
Kryształy z pewnym stopniem nieuporządkowania
Plastikowy kryształ to molekularne ciało stałe o uporządkowaniu pozycyjnym dalekiego zasięgu, ale z cząsteczkami składowymi zachowującymi swobodę rotacji; w orientalnym szkle ten stopień swobody jest zamrożony w wygaszonym nieuporządkowanym stanie.
Podobnie w wirującym szkle zaburzenie magnetyczne jest zamrożone.
Stany ciekłokrystaliczne
Stany ciekłokrystaliczne mają właściwości pośrednie między ruchomymi cieczami a uporządkowanymi ciałami stałymi. Ogólnie rzecz biorąc, są w stanie płynąć jak ciecz, ale wykazują uporządkowanie dalekiego zasięgu. Na przykład faza nematyczna składa się z cząsteczek przypominających długie pręty, takich jak para-azoksyanizol , który jest nematyczny w zakresie temperatur 118–136 ° C (244–277 ° F). W tym stanie cząsteczki płyną jak w cieczy, ale wszystkie skierowane są w tym samym kierunku (w każdej domenie) i nie mogą się swobodnie obracać. Podobnie jak krystaliczne ciało stałe, ale w przeciwieństwie do cieczy, ciekłe kryształy reagują na światło spolaryzowane.
Inne rodzaje ciekłych kryształów opisano w głównym artykule na temat tych stanów. Kilka typów ma znaczenie technologiczne, na przykład w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych .
Uporządkowane magnetycznie
metali przejściowych często mają momenty magnetyczne z powodu wypadkowego spinu elektronów, które pozostają niesparowane i nie tworzą wiązań chemicznych. W niektórych ciałach stałych momenty magnetyczne na różnych atomach są uporządkowane i mogą tworzyć ferromagnes, antyferromagnes lub ferrimagnes.
W ferromagnetyku — na przykład stałym żelazie — moment magnetyczny każdego atomu jest ustawiony w tym samym kierunku (w domenie magnetycznej ). Jeśli domeny są również wyrównane, ciało stałe jest magnesem trwałym , który jest magnetyczny nawet przy braku zewnętrznego pola magnetycznego . Namagnesowanie znika, gdy magnes jest podgrzewany do punktu Curie , który dla żelaza wynosi 768 ° C (1414 ° F).
Antyferromagnes ma dwie sieci równych i przeciwnych momentów magnetycznych, które znoszą się nawzajem, tak że namagnesowanie netto wynosi zero . Na przykład w tlenku niklu (II) (NiO ) połowa atomów niklu ma momenty ustawione w jednym kierunku, a połowa w przeciwnym.
W ferrimagnetyku dwie sieci momentów magnetycznych są przeciwne, ale nierówne, więc anulowanie jest niepełne i występuje niezerowe namagnesowanie netto. Przykładem jest magnetyt (Fe 3 O 4 ), który zawiera jony Fe 2+ i Fe 3+ o różnych momentach magnetycznych.
Kwantowa ciecz wirowa (QSL) to stan nieuporządkowany w układzie oddziałujących ze sobą spinów kwantowych, który zachowuje swój nieuporządkowanie do bardzo niskich temperatur, w przeciwieństwie do innych stanów nieuporządkowanych. Nie jest to ciecz w sensie fizycznym, ale ciało stałe, którego porządek magnetyczny jest z natury nieuporządkowany. Nazwa „ciecz” wynika z analogii z zaburzeniem molekularnym w konwencjonalnej cieczy. QSL nie jest ani ferromagnesem , gdzie domeny magnetyczne są równoległe, ani antyferromagnesem , gdzie domeny magnetyczne są antyrównoległe; zamiast tego domeny magnetyczne są zorientowane losowo. Można to zrealizować np geometrycznie sfrustrowane momenty magnetyczne, które nie mogą być równomiernie równoległe lub antyrównoległe. Podczas ochładzania i ustalania stanu domena musi „wybrać” orientację, ale jeśli możliwe stany są podobne pod względem energii, jeden zostanie wybrany losowo. W konsekwencji, pomimo silnego porządku krótkiego zasięgu, nie ma porządku magnetycznego dalekiego zasięgu.
Separacja mikrofazowa
Kopolimery mogą ulegać separacji mikrofazowej, tworząc różnorodny układ okresowych nanostruktur, jak pokazano na przykładzie kopolimeru blokowego styren-butadien-styren pokazanego po prawej stronie. Separację mikrofaz można rozumieć analogicznie do separacji faz między olejem a wodą. Ze względu na niezgodność chemiczną między blokami kopolimery blokowe podlegają podobnemu rozdziałowi faz. Ponieważ jednak bloki są ze sobą związane kowalencyjnie , nie mogą się makroskopowo rozdzielić, tak jak woda i olej, dlatego zamiast tego tworzą się bloki o wielkości nanometra Struktury. W zależności od względnych długości każdego bloku i ogólnej topologii bloków polimeru można uzyskać wiele morfologii, z których każda ma własną fazę materii.
Ciecze jonowe wykazują również separację mikrofaz. Anion i kation niekoniecznie są kompatybilne iw przeciwnym razie rozpadłyby się, ale przyciąganie ładunku elektrycznego zapobiega ich rozdzieleniu. Wydaje się, że ich aniony i kationy dyfundują w podzielonych na przedziały warstwach lub micelach zamiast swobodnie, jak w jednorodnej cieczy.
Stany niskotemperaturowe
Nadprzewodnik
Nadprzewodniki to materiały, które mają zerową rezystywność elektryczną , a zatem doskonałe przewodnictwo. Jest to odrębny stan fizyczny, który występuje w niskiej temperaturze, a rezystywność wzrasta w sposób nieciągły do skończonej wartości przy ściśle określonej temperaturze przejścia dla każdego nadprzewodnika.
Nadprzewodnik wyklucza również wszystkie pola magnetyczne ze swojego wnętrza, co jest zjawiskiem znanym jako efekt Meissnera lub doskonały diamagnetyzm . Magnesy nadprzewodzące są stosowane jako elektromagnesy w maszynach do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego .
odkryto tak zwane nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe w niektórych tlenkach ceramicznych , które obecnie obserwuje się w temperatury do 164 K.
Nadciekły
W pobliżu zera bezwzględnego niektóre ciecze tworzą drugi stan ciekły określany jako nadciekły , ponieważ mają zerową lepkość (lub nieskończoną płynność, tj. płynięcie bez tarcia). Zostało to odkryte w 1937 roku dla helu , który tworzy nadciekłość poniżej temperatury lambda 2,17 K (-270,98 ° C; -455,76 ° F). W tym stanie będzie próbował „wspiąć się” ze swojego pojemnika. Ma również nieskończoną przewodność cieplną , dzięki czemu w cieczy nadciekłej nie może powstać żaden gradient temperatury . Umieszczenie nadpłynu w obracającym się pojemniku spowoduje skwantowane wiry .
Właściwości te wyjaśnia teoria, że powszechny izotop hel-4 tworzy kondensat Bosego-Einsteina (patrz następna sekcja) w stanie nadciekłym. Niedawno kondensat fermionowy został utworzony w jeszcze niższych temperaturach przez rzadki izotop hel-3 i lit-6 .
Kondensat Bosego-Einsteina
W 1924 roku Albert Einstein i Satyendra Nath Bose przewidzieli „kondensat Bosego-Einsteina” (BEC), czasami nazywany piątym stanem materii. W BEC materia przestaje zachowywać się jak niezależne cząstki i zapada się w pojedynczy stan kwantowy, który można opisać za pomocą jednej, jednolitej funkcji falowej.
W fazie gazowej kondensat Bosego-Einsteina przez wiele lat pozostawał niezweryfikowaną prognozą teoretyczną. W 1995 roku grupy badawcze Erica Cornella i Carla Wiemana z JILA na University of Colorado w Boulder wyprodukowały eksperymentalnie pierwszy taki kondensat. Kondensat Bosego-Einsteina jest „zimniejszy” niż ciało stałe. Może wystąpić, gdy atomy mają bardzo podobne (lub takie same) poziomy kwantowe , w temperaturach bardzo bliskich zeru absolutnemu , -273,15 ° C (-459,67 ° F).
Kondensat fermionowy
Kondensat fermionowy jest podobny do kondensatu Bosego-Einsteina, ale składa się z fermionów . Zasada wykluczenia Pauliego zapobiega wejściu fermionów w ten sam stan kwantowy, ale para fermionów może zachowywać się jak bozon, a wiele takich par może następnie wejść w ten sam stan kwantowy bez ograniczeń.
Cząsteczka Rydberga
Jednym z metastabilnych stanów silnie nieidealnej plazmy są kondensaty wzbudzonych atomów , zwane materią Rydberga . Atomy te mogą również zamienić się w jony i elektrony , jeśli osiągną określoną temperaturę. W kwietniu 2009 roku Nature poinformował o stworzeniu cząsteczek Rydberga z atomu Rydberga i atomu w stanie podstawowym , potwierdzając, że taki stan materii może istnieć. Eksperyment przeprowadzono z użyciem ultrazimnych rubidu .
Stan Hali Kwantowej
Kwantowy stan Halla powoduje powstanie skwantowanego napięcia Halla mierzonego w kierunku prostopadłym do przepływu prądu. Kwantowy spinowy stan Halla to faza teoretyczna, która może utorować drogę do rozwoju urządzeń elektronicznych, które rozpraszają mniej energii i wytwarzają mniej ciepła. Jest to pochodna stanu materii Hali Kwantowej.
Materia fotoniczna
Materia fotoniczna to zjawisko, w którym fotony oddziałujące z gazem rozwijają masę pozorną i mogą oddziaływać ze sobą, tworząc nawet fotoniczne „cząsteczki”. Źródłem masy jest gaz, który jest masywny. Kontrastuje to z fotonami poruszającymi się w pustej przestrzeni, które nie mają masy spoczynkowej i nie mogą oddziaływać.
Dropleton
„Mgła kwantowa” elektronów i dziur, które krążą wokół siebie, a nawet falują jak ciecz, zamiast istnieć jako dyskretne pary.
Stany wysokoenergetyczne
Zdegenerowana materia
Pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem, jak w jądrach martwych gwiazd, zwykła materia przechodzi w serię egzotycznych stanów materii zwanych łącznie materią zdegenerowaną , które są wspierane głównie przez efekty mechaniki kwantowej. W fizyce „zdegenerowany” odnosi się do dwóch stanów, które mają tę samą energię, a zatem są wymienne. Materia zdegenerowana jest wspierana przez zasadę wykluczenia Pauliego , która zapobiega powstawaniu dwóch fermionów cząstek zajmujących ten sam stan kwantowy. W przeciwieństwie do zwykłej plazmy, zdegenerowana plazma rozszerza się nieznacznie po podgrzaniu, ponieważ po prostu nie ma już stanów pędu. W rezultacie zdegenerowane gwiazdy zapadają się do bardzo dużych gęstości. Bardziej masywne zdegenerowane gwiazdy są mniejsze, ponieważ siła grawitacji wzrasta, ale ciśnienie nie rośnie proporcjonalnie.
Materia zdegenerowana elektronowo znajduje się wewnątrz białych karłów. Elektrony pozostają związane z atomami, ale mogą przenosić się na sąsiednie atomy. Materia zdegenerowana neutronowo znajduje się w gwiazdach neutronowych . Ogromne ciśnienie grawitacyjne ściska atomy tak silnie, że elektrony są zmuszane do łączenia się z protonami poprzez odwrotny rozpad beta, co skutkuje supergęstym konglomeratem neutronów. Normalnie wolne neutrony poza jądrem atomowym ulegną rozpadowi z okresem półtrwania około 10 minut, ale w gwieździe neutronowej rozpad jest wyprzedzany przez rozpad odwrotny. Zimna zdegenerowana materia jest również obecna na planetach takich jak Jowisz i jeszcze bardziej masywnych brązowych karłach , które prawdopodobnie będą miały rdzeń z metalicznym wodorem . Ze względu na degenerację bardziej masywne brązowe karły nie są znacząco większe. W metalach elektrony można modelować jako zdegenerowany gaz poruszający się w sieci niezdegenerowanych jonów dodatnich.
materia kwarkowa
W normalnej zimnej materii kwarki , podstawowe cząstki materii jądrowej, są uwięzione przez oddziaływanie silne w hadronach składających się z 2–4 kwarków, takich jak protony i neutrony. Materia kwarkowa lub materia chromodynamiczna kwantowa (QCD) to grupa faz, w których pokonuje się siłę silną, a kwarki są uwalniane i mogą się swobodnie poruszać. Fazy materii kwarków występują w ekstremalnie wysokich gęstościach lub temperaturach i nie ma znanych sposobów ich wytworzenia w równowadze w laboratorium; w zwykłych warunkach każda utworzona materia kwarkowa natychmiast ulega rozpadowi promieniotwórczemu.
Dziwna materia to rodzaj materii kwarkowej , o której podejrzewa się, że istnieje wewnątrz niektórych gwiazd neutronowych w pobliżu granicy Tolmana – Oppenheimera – Volkoffa (około 2–3 mas Słońca ), chociaż nie ma bezpośrednich dowodów na jej istnienie. W materii dziwnej część dostępnej energii manifestuje się jako kwarki dziwne , cięższy odpowiednik zwykłego dolnego kwarku . Po utworzeniu może być stabilny w niższych stanach energetycznych, chociaż nie jest to znane.
Plazma kwarkowo-gluonowa to faza o bardzo wysokiej temperaturze, w której kwarki stają się wolne i mogą poruszać się niezależnie, zamiast być wiecznie związane w cząsteczki, w morzu gluonów , cząstek subatomowych, które przenoszą silną siłę , która wiąże kwarki razem. Jest to analogiczne do uwalniania elektronów z atomów w plazmie. Stan ten jest krótko osiągalny w zderzeniach niezwykle wysokoenergetycznych ciężkich jonów w akceleratorach cząstek i pozwala naukowcom obserwować właściwości poszczególnych kwarków, a nie tylko teoretyzować. Plazma kwarkowo-gluonowa została odkryta o godz CERN w 2000 r. W przeciwieństwie do plazmy, która płynie jak gaz, oddziaływania w QGP są silne i płynie jak ciecz.
Teoretyzuje się, że przy dużych gęstościach, ale stosunkowo niskich temperaturach, kwarki tworzą ciecz kwarkową, której natura jest obecnie nieznana. Tworzy wyraźną zablokowaną kolorem i smakiem (CFL) przy jeszcze wyższych gęstościach. Ta faza jest nadprzewodząca dla ładunku kolorowego. Te fazy mogą występować w gwiazdach neutronowych , ale obecnie są teoretyczne.
Kondensat barwnego szkła
Kondensat kolorowego szkła to rodzaj materii, który według teorii istnieje w jądrach atomowych poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. Zgodnie z teorią względności Einsteina wysokoenergetyczne jądro wydaje się być skrócone lub ściśnięte wzdłuż kierunku ruchu. W rezultacie gluony wewnątrz jądra wydają się stacjonarnemu obserwatorowi jako „ściana gluonowa” poruszająca się z prędkością bliską prędkości światła. Przy bardzo wysokich energiach gęstość gluonów w tej ścianie znacznie wzrasta. W przeciwieństwie do plazmy kwarkowo-gluonowej wytwarzanej podczas zderzeń takich ścian, kondensat kolorowego szkła opisuje same ściany i jest nieodłączną właściwością cząstek, którą można zaobserwować tylko w warunkach wysokoenergetycznych, takich jak te w RHIC i prawdopodobnie w także Wielki Zderzacz Hadronów.
Bardzo wysokie stany energetyczne
Różne teorie przewidują nowe stany materii przy bardzo wysokich energiach. Nieznany stan stworzył asymetrię barionową we wszechświecie, ale niewiele o tym wiadomo. W teorii strun przewiduje się , że temperatura Hagedorna dla superstrun wynosi około 10 30 K, gdzie superstruny są obficie produkowane. W temperaturze Plancka (10 32 K) grawitacja staje się znaczącą siłą między poszczególnymi cząstkami. Żadna współczesna teoria nie może opisać tych stanów i nie można ich wytworzyć za pomocą żadnego przewidywalnego eksperymentu. Jednak te stany są ważne w kosmologii , ponieważ wszechświat mógł przechodzić przez te stany w Wielkim Wybuchu .
Osobliwość grawitacyjna przewidziana przez ogólną teorię względności w centrum czarnej dziury nie jest fazą materii; wcale nie jest obiektem materialnym (chociaż masa-energia materii przyczyniła się do jego powstania), ale raczej właściwością czasoprzestrzeni . Ponieważ czasoprzestrzeń się tam załamuje, osobliwości nie należy traktować jako zlokalizowanej struktury, ale jako globalną, topologiczną cechę czasoprzestrzeni. Argumentowano, że cząstki elementarne również zasadniczo nie są materialne, ale są zlokalizowanymi właściwościami czasoprzestrzeni. W grawitacji kwantowej osobliwości mogą w rzeczywistości oznaczać przejścia do nowej fazy materii.
Inne proponowane stany
Super solidny
Supersolid to uporządkowany przestrzennie materiał (to znaczy ciało stałe lub kryształ) o właściwościach nadciekłych. Podobnie jak nadciekły, supersolid może poruszać się bez tarcia, ale zachowuje sztywny kształt. Chociaż supersolid jest ciałem stałym, wykazuje tak wiele charakterystycznych właściwości różniących się od innych ciał stałych, że wielu twierdzi, że jest to inny stan materii.
Ciecz z siatki drucianej
W cieczy w sieci strunowej atomy mają najwyraźniej niestabilny układ, jak ciecz, ale nadal mają spójny ogólny wzór, jak ciało stałe. W normalnym stanie stałym atomy materii ustawiają się w układzie siatki, tak że spin dowolnego elektronu jest przeciwny do spinu wszystkich stykających się z nim elektronów. Ale w cieczy w sieci strun atomy są ułożone w pewien wzór, który wymaga, aby niektóre elektrony miały sąsiadów o tym samym spinie. Daje to początek ciekawym właściwościom, a także wspiera niektóre niezwykłe propozycje dotyczące podstawowych warunków samego wszechświata.
Superszkło
Superszkło to faza materii charakteryzująca się jednocześnie nadciekłością i zamrożoną amorficzną strukturą.
Dowolna definicja
Chociaż podjęto wiele prób stworzenia jednolitego opisu, ostatecznie definicje istniejących stanów materii i punktu, w którym stany się zmieniają, są arbitralne. Niektórzy autorzy sugerowali, że stany materii lepiej traktować jako widmo między ciałem stałym a plazmą, zamiast sztywno je definiować.
Zobacz też
- Ukryte stany materii
- Element klasyczny
- Fizyka materii skondensowanej
- Krzywa chłodzenia
- Faza (materia)
- Przechłodzenie
- Przegrzanie
|
Do
Z
|
Solidny | Płyn | Gaz | Osocze |
|---|---|---|---|---|
| Solidny | Topienie | Sublimacja | ||
| Płyn | Zamrażanie | Odparowanie | ||
| Gaz | Zeznanie | Kondensacja | Jonizacja | |
| Osocze | Rekombinacja |
Uwagi i odniesienia
Linki zewnętrzne
- 2005-06-22, Wiadomości MIT: Fizycy z MIT tworzą nową formę materii Citat: "...Oni jako pierwsi stworzyli nowy rodzaj materii, gaz atomów wykazujący nadciekłość w wysokiej temperaturze."
- 2003-10-10, Science Daily: Faza metaliczna dla bozonów implikuje nowy stan materii
- 2004-01-15, ScienceDaily: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase of Matter Cytat: "... Najwyraźniej po raz pierwszy zaobserwowaliśmy materiał stały o właściwościach nadciekłych... jego cząsteczki są w identycznym stanie kwantowym, pozostaje ciałem stałym, mimo że jego cząstki składowe nieustannie płyną…”
- 2004-01-29, ScienceDaily: Naukowcy z NIST/University of Colorado tworzą nową formę materii: kondensat fermionowy
- Krótkie filmy przedstawiające stany materii, ciała stałe, ciecze i gazy prof. JM Murrella z University of Sussex
|
Stany skupienia ( lista )
| ||
|---|---|---|
| Państwo |  |
|
| Niski poziom energii | ||
| Wysokiej energii | ||
| Inne stany | ||
| Przejścia |
|
|
| Wielkie ilości | ||
| koncepcje | ||
| Stany materii |  |
|
|---|---|---|
| Zjawiska fazowe | ||
| Fazy elektroniczne | ||
| Zjawiska elektroniczne | ||
| Fazy magnetyczne | ||
| kwazicząstki | ||
| Miękka materia | ||
| Naukowcy | ||
| Kontrola władz : krajowa |
|---|
