Состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма

Введение

Формы, такие как твердое, жидкое и газообразное, которые может принимать вещество.

В физике состояние вещества – это одна из различных форм, в которых может существовать вещество. В повседневной жизни наблюдаются четыре состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Известно множество промежуточных состояний, таких как жидкий кристалл, а некоторые состояния существуют только в экстремальных условиях, например, конденсаты Бозе-Эйнштейна и фермионные конденсаты (при экстремально низких температурах), нейтронная вырожденная материя (при экстремальной плотности) и кварк-глюонная плазма (при чрезвычайно высокой энергии). Список экзотических состояний вещества представлен в статье «Список состояний вещества». Исторически различие проводится на основе качественных различий в свойствах. Вещество в твердом состоянии сохраняет фиксированный объем (при условии неизменности температуры и давления) и форму, при этом составляющие частицы (атомы, молекулы или ионы) расположены близко друг к другу и зафиксированы в определенном положении. Вещество в жидком состоянии сохраняет фиксированный объем (при условии неизменности температуры и давления), но имеет переменную форму, приспосабливаясь к форме сосуда. Его частицы остаются близко друг к другу, но способны свободно перемещаться. Вещество в газообразном состоянии имеет переменный объем и форму, адаптируясь к форме сосуда. Его частицы не связаны друг с другом и не зафиксированы в определенном положении. Вещество 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 вещества, однако одно соединение может образовывать различные фазы, находящиеся в одном и том же состоянии вещества. Например, лед – это твердое состояние воды, но существуют различные фазы льда с разными кристаллическими структурами, которые образуются при различных давлениях и температурах.

Твердое вещество

В твердом веществе составляющие его частицы (ионы, атомы или молекулы) плотно упакованы. Силы между частицами настолько велики, что частицы не могут свободно перемещаться, а лишь вибрировать. В результате твердое тело обладает устойчивой, определенной формой и определенным объемом. Изменить форму твердого тела можно только посредством внешней силы, например, при разрушении или разрезании. В кристаллических твердых телах частицы (атомы, молекулы или ионы) расположены в регулярно упорядоченном, повторяющемся узоре. Существуют различные кристаллические структуры, и одно и то же вещество может иметь более одной структуры (или твердой фазы). Например, железо имеет объемноцентрированную кубическую структуру при температурах ниже 912 °C (1674 °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. Стекло и другие некристаллические аморфные твердые тела, лишенные дальнего порядка, не являются состояниями термодинамического равновесия; поэтому они описываются ниже как неклассические состояния материи. Твердые вещества могут переходить в жидкое состояние путем плавления, а жидкости – в твердое состояние путем замерзания. Твердые вещества также могут непосредственно переходить в газообразное состояние посредством сублимации, а газы – непосредственно в твердое состояние посредством конденсации.

Жидкий

Жидкость — это почти несжимаемая жидкость, принимающая форму своего сосуда, но сохраняющая (почти) постоянный объём независимо от давления. Объём определён, если температура и давление постоянны. При нагревании твёрдого вещества выше температуры плавления оно становится жидкостью, при условии, что давление выше тройной точки вещества. Межмолекулярные (или межатомные, или межъионные) силы остаются важными, но молекулы обладают достаточной энергией для движения относительно друг друга, и структура подвижна. Это означает, что форма жидкости не является фиксированной, а определяется формой сосуда. Объём обычно больше, чем у соответствующего твёрдого вещества, наиболее известным исключением является вода, H₂O. Наивысшая температура, при которой данная жидкость может существовать, называется её критической температурой.

Газ

Газ – это сжимаемая среда. Газ не только принимает форму сосуда, но и расширяется, заполняя его объем. В газе молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы влияние межмолекулярных сил было незначительным (или равным нулю для идеального газа), а типичное расстояние между соседними молекулами значительно превышает размер молекул. Газ не имеет определенной формы и объема, но занимает весь доступный ему сосуд. Жидкость может быть превращена в газ путем нагрева при постоянном давлении до температуры кипения или путем понижения давления при постоянной температуре. При температурах ниже критической температуры газ также называют паром, и его можно сжижить только сжатием, без охлаждения. Пар может находиться в равновесии с жидкостью (или твердым веществом), при этом давление газа равно давлению насыщенного пара жидкости (или твердого вещества). Сверхкритическая жидкость (SCF) – это газ, температура и давление которого превышают критическую температуру и критическое давление соответственно. В этом состоянии различия между жидкостью и газом исчезают. Сверхкритическая жидкость обладает физическими свойствами газа, но ее высокая плотность в некоторых случаях придает ей свойства растворителя, что находит полезное применение. Например, сверхкритический диоксид углерода используется для экстракции кофеина при производстве кофе без кофеина.

Плазма

Газ обычно превращается в плазму одним из двух способов: либо из-за огромной разности потенциалов между двумя точками, либо путем воздействия на него чрезвычайно высоких температур. Нагрев вещества до высоких температур приводит к отрыву электронов от атомов, что вызывает появление свободных электронов. Это создает так называемую частично ионизированную плазму. При очень высоких температурах, таких как те, что существуют в звездах, считается, что практически все электроны "свободны", и что высокоэнергетическая плазма по сути состоит из обнаженных ядер, плавающих в море электронов. Это формирует так называемую полностью ионизированную плазму. Плазменное состояние часто неправильно понимают, и хотя оно не существует в свободном виде в обычных условиях на Земле, оно довольно часто возникает при молниях, электрических искрах, в люминесцентных лампах, неоновых лампах или плазменных телевизорах. Корона Солнца, некоторые виды пламени и звезды – все это примеры светящегося вещества в плазменном состоянии. Плазма – самое распространенное из четырех основных состояний вещества, поскольку 99% всей обычной материи во Вселенной находится в состоянии плазмы, составляя все звезды.

Фазовые переходы

Для состояния материи также характерны фазовые переходы. Фазовый переход указывает на изменение структуры и может быть распознан резким изменением свойств. Отдельное состояние материи может быть определено как любой набор состояний, отличающийся от любого другого набора состояний фазовым переходом. Можно сказать, что вода имеет несколько различных твердых состояний. Появление сверхпроводимости связано с фазовым переходом, поэтому существуют сверхпроводящие состояния. Аналогичным образом, ферромагнитные состояния характеризуются фазовыми переходами и обладают отличительными свойствами. Когда изменение состояния происходит ступенчато, промежуточные этапы называются мезофазами. Такие фазы нашли применение в технологии жидких кристаллов. Состояние или фаза данного вещества может изменяться в зависимости от условий давления и температуры, переходя в другие фазы по мере изменения этих условий в пользу их существования; например, переход твердого вещества в жидкое при повышении температуры. Вблизи абсолютного нуля вещество существует в твердом состоянии. При добавлении тепла к этому веществу оно плавится в жидкость в точке плавления, кипит в газ в точке кипения, и при достаточно сильном нагреве переходит в состояние плазмы, в котором электроны настолько энергичны, что покидают свои атомы. Формы материи, не состоящие из молекул и организованные другими силами, также могут рассматриваться как различные состояния материи. Примерами служат сверхтекучие жидкости (например, фермионный конденсат) и кварк-глюонная плазма. В химическом уравнении состояние вещества может быть обозначено как (s) для твердого вещества, (l) для жидкого вещества и (g) для газа. Водный раствор обозначается (aq). Вещество в плазменном состоянии редко используется (если вообще используется) в химических уравнениях, поэтому не существует стандартного символа для его обозначения. В редких случаях, когда плазма используется, она обозначается как (p).

Стекло

Стекло — некоррекристаллический или аморфный твердый материал, демонстрирующий стеклование при нагревании в направлении жидкого состояния. Стекло может быть получено из различных классов материалов: неорганических сетей (например, оконное стекло, состоящее из силикатов и добавок), металлических сплавов, ионных расплавов, водных растворов, молекулярных жидкостей и полимеров. Термодинамически стекло находится в метастабильном состоянии по отношению к своему кристаллическому аналогу, однако скорость перехода в кристаллическое состояние практически равна нулю.

Кристаллы с некоторой степенью нарушения

Пластический кристалл — это молекулярное твердое тело с дальним позиционным порядком, но с сохранением вращательной свободы для составляющих его молекул; в ориентационном стекле эта степень свободы фиксируется в затушенном неупорядоченном состоянии. Аналогично, в спиновом стекле фиксируется магнитный беспорядок.

Состояния жидких кристаллов

Жидкокристаллические состояния обладают свойствами, промежуточными между подвижными жидкостями и упорядоченными твердыми телами. Как правило, они способны течь как жидкость, но при этом проявляют дальний порядок. Например, нематическая фаза состоит из вытянутых, похожих на стержни молекул, таких как пара-азоксианизол, который является нематиком в определенном диапазоне температур. В этом состоянии молекулы текут как жидкость, но все они ориентированы 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, посвященной этим состояниям. Некоторые из них имеют важное технологическое значение, например, в жидкокристаллических дисплеях.

Микрофазное разделение

Кополимеры могут подвергаться микрофазовому разделению, формируя разнообразный спектр периодических наноструктур, как показано на примере блочного сополимера стирен-бутадиен-стирен, изображенного справа. Микрофазовое разделение можно понять, проводя аналогию с фазовым разделением между маслом и водой. Из-за химической несовместимости между блоками, блочные сополимеры претерпевают подобное фазовое разделение. Однако, поскольку блоки ковалентно связаны друг с другом, они не могут разделяться макроскопически, как вода и масло, и поэтому вместо этого образуют структуры нанометрового масштаба. В зависимости от относительной длины каждого блока и общей топологии полимера, можно получить множество морфологий, каждая из которых представляет собой отдельную фазу вещества. Ионные жидкости также демонстрируют микрофазовое разделение. Анион и катион не обязательно совместимы и в противном случае разделились бы, но электростатическое притяжение препятствует их разделению. Их анионы и катионы, по-видимому, диффундируют внутри компартментированных слоев или мицелл, а не свободно, как в однородной жидкости.

Магнитно упорядоченные состояния

Атомы переходных металлов часто обладают магнитными моментами из-за нескомпенсированных спинов электронов, которые остаются неспаренными и не образуют химические связи. В некоторых твердых телах магнитные моменты на разных атомах упорядочены и могут формировать ферромагнетик, антиферромагнетик или ферримагнетик. В ферромагнетике, например, в твердом железе, магнитный момент каждого атома выровнен в одном направлении (в пределах магнитной области). Если домены также выровнены, твердое тело становится постоянным магнитом, сохраняющим магнитные свойства даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Намагниченность исчезает при нагревании магнита до точки Кюри, которая для железа составляет 768 °C (1414 °F). Антиферромагнетик характеризуется двумя подрешетками равных и противоположно направленных магнитных моментов, которые компенсируют друг друга, приводя к нулевой результирующей намагниченности. Например, в оксиде никеля(II) (NiO) половина атомов никеля имеет моменты, ориентированные в одном направлении, а другая половина – в противоположном. В ферримагнетике две подрешетки магнитных моментов направлены противоположно, но имеют разную величину, поэтому компенсация неполная и существует ненулевая результирующая намагниченность. Примером является магнетит (FeO), содержащий ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ с различными магнитными моментами. Квантовая спиновая жидкость (КСЖ) – это неупорядоченное состояние в системе взаимодействующих квантовых спинов, сохраняющее свое неупорядоченное состояние при очень низких температурах, в отличие от других неупорядоченных состояний. Это не жидкость в физическом смысле, а твердое тело, магнитный порядок которого по своей природе неупорядочен. Название "жидкость" обусловлено аналогией с молекулярным беспорядком в обычной жидкости. КСЖ не является ни ферромагнетиком, где магнитные домены ориентированы параллельно, ни антиферромагнетиком, где магнитные домены ориентированы антипараллельно; вместо этого магнитные домены ориентированы случайным образом. Это может быть реализовано, например, за счет геометрически фрустрированных магнитных моментов, которые не могут быть равномерно ориентированы параллельно или антипараллельно. При охлаждении и переходе в основное состояние домен должен "выбрать" ориентацию, но если возможные состояния сопоставимы по энергии, то одна из ориентаций будет выбрана случайным образом. Следовательно, несмотря на сильный ближний порядок, дальний магнитный порядок отсутствует.

Сверхпроводник

Сверхпроводники – это материалы, обладающие нулевым электрическим сопротивлением и, следовательно, идеальной проводимостью. Это особое физическое состояние, возникающее при низких температурах, при котором сопротивление скачкообразно возрастает до конечного значения в четко определенной температуре перехода для каждого сверхпроводника. Сверхпроводник также полностью вытесняет магнитные поля из своего объема, явление, известное как эффект Мейснера или идеальный диамагнетизм.

Сверхжидкость

Близко к абсолютному нулю некоторые жидкости образуют второе жидкое состояние, описываемое как сверхтекучая жидкость, поскольку она обладает нулевой вязкостью (или бесконечной текучестью, то есть течет без трения). Это было обнаружено в 1937 году для гелия, который становится сверхтекучим ниже так называемой лямбда-температуры. В этом состоянии он будет стремиться "вытекать" из своего сосуда. Он также обладает бесконечной теплопроводностью, поэтому в сверхтекучей жидкости не может образоваться градиент температуры. При помещении сверхтекучей жидкости во вращающийся сосуд образуются квантованные вихри. Эти свойства объясняются теорией, согласно которой наиболее распространенный изотоп гелия-4 образует бозе-эйнштейновский конденсат (см. следующий раздел) в сверхтекучем состоянии. В последнее время сверхтекучие фермионные конденсаты были получены при еще более низких температурах из редкого изотопа гелия-3 и лития-6.

Конденсат Бозе-Эйнштейна

В 1924 году Альберт Эйнштейн и Сатьендра Натх Боз предсказали "конденсат Бозе-Эйнштейна" (BEC), иногда называемый пятым состоянием материи. В конденсате Бозе-Эйнштейна материя перестает вести себя как отдельные частицы и коллапсирует в единое квантовое состояние, которое можно описать единой, однородной волновой функцией. В газообразном состоянии конденсат Бозе-Эйнштейна оставался непроверенным теоретическим предсказанием на протяжении многих лет. В 1995 году исследовательские группы Эрика Корнелла и Карла Вимана из JILA при Университете Колорадо в Боулдере экспериментально получили первый такой конденсат. Конденсат Бозе-Эйнштейна "холоднее", чем твердое тело. Это может происходить, когда атомы находятся на очень близких (или одинаковых) квантовых уровнях при температурах, близких к абсолютному нулю.

Фермионный конденсат

Фермионный конденсат аналогичен конденсату Бозе-Эйнштейна, но состоит из фермионов. Принцип исключения Паули запрещает фермионам занимать одно и то же квантовое состояние, однако пара фермионов может вести себя как бозон, и множество таких пар могут затем одновременно занимать одно и то же квантовое состояние без каких-либо ограничений.

Дегенеративная материя

Под чрезвычайно высоким давлением, как в ядрах мертвых звезд, обычная материя переходит в ряд экзотических состояний материи, известных как вырожденная материя, которые поддерживаются главным образом квантово-механическими эффектами. В физике термин "вырожденный" относится к двум состояниям, обладающим одинаковой энергией и, следовательно, взаимозаменяемым. 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, поскольку просто не остается доступных импульсных состояний. В результате вырожденные звезды коллапсируют до очень высоких плотностей. Более массивные вырожденные звезды меньше, поскольку гравитационная сила возрастает, но давление не увеличивается пропорционально. Вырожденная электронная материя содержится внутри белых карликов. Электроны остаются связанными с атомами, но способны переходить в соседние атомы. Нейтронно-вырожденная материя встречается в нейтронных звездах. Огромное гравитационное давление сжимает атомы настолько сильно, что электроны вынуждены объединяться с протонами посредством обратного бета-распада, образуя сверхплотную совокупность нейтронов. Обычно свободные нейтроны вне атомного ядра распадаются с периодом полураспада около 10 минут, но в нейтронной звезде этот распад подавляется обратным распадом. Холодная вырожденная материя также присутствует на планетах, таких как Юпитер, и на еще более массивных коричневых карликах, которые, как ожидается, имеют ядро из металлического водорода. Из-за вырождения более массивные коричневые карлики не значительно больше. В металлах электроны можно моделировать как вырожденный газ, движущийся в решетке недегенерированных положительных ионов.

Кварковая материя

В обычной холодной материи кварки, фундаментальные частицы ядерной материи, удержаны сильным взаимодействием в адроны, состоящие из 2–4 кварков, такие как протоны и нейтроны. Кварковая материя или квантово-хромодинамическая (КХД) материя – это совокупность фаз, в которых сильное взаимодействие преодолевается, и кварки становятся несвязанными и свободными для движения. Фазы кварковой материи возникают при чрезвычайно высоких плотностях или температурах, и не существует известных способов получить их в состоянии равновесия в лабораторных условиях; в обычных условиях любая образовавшаяся кварковая материя немедленно подвергается радиоактивному распаду. Странная материя – это тип кварковой материи, существование которого предполагается внутри некоторых нейтронных звезд вблизи предела Толмана — Оппенгеймера — Волкова (примерно 2–3 солнечных масс), хотя прямых доказательств её существования нет. В странной материи часть доступной энергии проявляется в виде странных кварков, более тяжёлых аналогов обычного d-кварка. Она может быть стабильной в состояниях с более низкой энергией после образования, хотя это и неизвестно. Кварк-глюонная плазма – это фаза с очень высокой температурой, в которой кварки становятся свободными и способны двигаться независимо, а не оставаться постоянно связанными в частицы, в среде глюонов – субатомных частиц, переносящих сильное взаимодействие, связывающее кварки. Это аналогично освобождению электронов из атомов в плазме. Это состояние удаётся кратковременно достичь в столкновениях тяжёлых ионов с чрезвычайно высокой энергией в ускорителях частиц, что позволяет учёным наблюдать свойства отдельных кварков. Теории, предсказывающие существование кварк-глюонной плазмы, были разработаны в конце 1970-х и начале 1980-х годов, и она была впервые обнаружена в лаборатории ЦЕРН в 2000 году. В отличие от плазмы, которая течёт как газ, взаимодействия внутри КГП сильны, и она течёт как жидкость. При высокой плотности, но относительно низкой температуре кварки, как предполагается, образуют кварковую жидкость, природа которой в настоящее время неизвестна. При ещё более высоких плотностях формируется чёткая фаза блокировки цвета и вкуса (CFL). Эта фаза является сверхпроводящей по цветному заряду. Эти фазы могут существовать в нейтронных звёздах, но в настоящее время они носят теоретический характер.

Конденсат цветного стекла

Конденсат цветного стекла — это тип материи, теоретически существующий в атомных ядрах, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Согласно теории относительности Эйнштейна, высокоэнергетическое ядро выглядит сжатым вдоль направления своего движения. В результате, глюоны внутри ядра кажутся неподвижному наблюдателю "глюонной стеной", движущейся со скоростью, близкой к скорости света. При очень высоких энергиях плотность глюонов в этой стене значительно возрастает. В отличие от кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении таких стен, конденсат цветного стекла описывает сами эти стены и является внутренним свойством частиц, которое можно наблюдать только в условиях высоких энергий, таких как в RHIC и, возможно, в Большом адронном коллайдере.

Очень высокие энергетические состояния

Различные теории предсказывают новые состояния материи при очень высоких энергиях. Неизвестное состояние породило барионную асимметрию во Вселенной, но о нём известно крайне мало. В теории струн для суперструн предсказывается температура Хагедорна, около 1030 К, при которой суперструны производятся в огромном количестве. При температуре Планка (1032 К) гравитация становится существенной силой между отдельными частицами. Ни одна из существующих теорий не способна описать эти состояния, и их невозможно воспроизвести ни в одном обозримом эксперименте. Тем не менее, эти состояния важны для космологии, поскольку Вселенная могла пройти через них в момент Большого взрыва.

Сверхтвердый

Супертвердое тело — это пространственно упорядоченный материал (то есть твердое вещество или кристалл), обладающий свойствами сверхтекучести. Подобно сверхтекучей жидкости, супертвердое тело способно двигаться без трения, при этом сохраняя свою жесткую форму. Несмотря на то, что супертвердое тело является твердым, оно демонстрирует такое количество характерных свойств, отличных от других твердых тел, что многие считают его отдельным состоянием материи.

Жидкость для сетей

В жидкостях, состоящих из цепей, атомы, по-видимому, имеют неустойчивое расположение, как в жидкости, но при этом сохраняют общую упорядоченность, как в твердом теле. В нормальном твердом состоянии атомы вещества выстраиваются в решетчатый узор, так что спин любого электрона противоположен спину всех соседних электронов. Однако в жидкостях, состоящих из цепей, атомы расположены в определенном узоре, который требует, чтобы у некоторых электронов были соседи с одинаковым спином. Это приводит к необычным свойствам и подтверждает некоторые нестандартные гипотезы о фундаментальных условиях существования самой Вселенной.

Суперстекло

Суперстекло — это фаза материи, одновременно обладающая сверхтекучестью и замороженной аморфной структурой.

Цепь плавления

Металлы, такие как калий, в расплавленном состоянии, организованном в цепочки, одновременно находятся в жидком и твердом состоянии. Это происходит из-за воздействия высоких температуры и давления, в результате чего цепочки в калии переходят в жидкое состояние, а кристаллы остаются твердыми.

Состояние квантового Холла

Квантовое состояние Холла приводит к квантованному напряжению Холла, измеряемому в направлении, перпендикулярном направлению тока. Квантовое спиновое состояние Холла – это теоретическая фаза, которая может открыть путь к разработке электронных устройств с меньшими энергетическими потерями и тепловыделением. Это состояние является производным от квантового состояния Холла.

Фотоническая материя

Фотоническая материя – это явление, при котором фотоны, взаимодействуя с газом, приобретают кажущуюся массу и могут взаимодействовать друг с другом, даже формируя фотонные "молекулы". Массу фотонам придает газ, обладающий массой. Это отличается от поведения фотонов в пустом пространстве, где они не имеют массы покоя и не способны взаимодействовать.