В физике состояние материи — это одна из различных форм, в которых может существовать материя . В повседневной жизни можно наблюдать четыре состояния материи: твёрдое , жидкое , газообразное и плазменное . Известно, что существует множество промежуточных состояний, например, жидкий кристалл , а некоторые состояния существуют только в экстремальных условиях, например, конденсаты Бозе-Эйнштейна и фермионные конденсаты (при экстремальном холоде), нейтронно-вырожденное вещество (при экстремальной плотности) и кварк-глюонная плазма (при экстремально высокой энергии ).
Исторически различие основано на качественных различиях в свойствах. Материя в твердом состоянии сохраняет фиксированный объем (при условии отсутствия изменений температуры или давления воздуха) и форму, при этом составляющие ее частицы ( атомы , молекулы или ионы ) находятся близко друг к другу и зафиксированы на месте. Материя в жидком состоянии сохраняет фиксированный объем (при условии отсутствия изменений температуры или давления воздуха), но имеет изменчивую форму, которая адаптируется к своему контейнеру. Ее частицы по-прежнему находятся близко друг к другу, но свободно движутся. Материя в газообразном состоянии имеет как переменный объем, так и форму, приспосабливая и то, и другое к своему контейнеру. Ее частицы не находятся ни близко друг к другу, ни зафиксированы на месте. Материя в плазменном состоянии имеет переменный объем и форму и содержит нейтральные атомы, а также значительное количество ионов и электронов , и те, и другие могут свободно перемещаться.
Термин фаза иногда используется как синоним состояния вещества, но одно соединение может образовывать различные фазы, которые находятся в одном и том же состоянии вещества. Например, лед — это твердое состояние воды, но существует несколько фаз льда с различными кристаллическими структурами , которые образуются при разных давлениях и температурах.
В твердом теле составляющие его частицы (ионы, атомы или молекулы) плотно упакованы. Силы между частицами настолько велики, что частицы не могут свободно двигаться, а могут только вибрировать. В результате твердое тело имеет стабильную, 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 упорядоченном, повторяющемся узоре. 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 (1674 °F) и гранецентрированную кубическую структуру между 912 и 1394 °C (2541 °F). У льда есть пятнадцать известных кристаллических структур или пятнадцать твердых фаз, которые существуют при различных температурах и давлениях. [1]
Стекла и другие некристаллические, аморфные твердые тела без дальнего порядка не являются основными состояниями теплового равновесия ; поэтому ниже они описываются как неклассические состояния вещества.
Твердые тела могут быть преобразованы в жидкости путем плавления, а жидкости могут быть преобразованы в твердые тела путем замораживания. Твердые тела могут также напрямую превращаться в газы посредством процесса сублимации , а газы также могут напрямую превращаться в твердые тела посредством осаждения .
Жидкость — это почти несжимаемая жидкость , которая принимает форму своего контейнера, но сохраняет (почти) постоянный объем независимо от давления. Объем определен, если температура и давление постоянны. Когда твердое тело нагревается выше точки плавления , оно становится жидким, учитывая, что давление выше тройной точки вещества. Межмолекулярные (или межатомные, или межионные) силы по-прежнему важны, но молекулы обладают достаточной энергией, чтобы двигаться относительно друг друга, и структура подвижна. Это означает, что форма жидкости не определена, а определяется ее контейнером. Объем обычно больше, чем у соответствующего твердого тела, наиболее известным исключением является вода , H 2 O. Самая высокая температура, при которой может существовать данная жидкость, — это ее критическая температура . [2]
Газ — это сжимаемая жидкость. Газ не только принимает форму своего контейнера, но и расширяется, заполняя контейнер.
В газе молекулы обладают достаточной кинетической энергией , так что эффект межмолекулярных сил мал (или равен нулю для идеального газа ), 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 точки кипения или же путем снижения давления при постоянной температуре.
При температурах ниже критической температуры газ также называется паром и может быть сжижен только сжатием без охлаждения. Пар может существовать в равновесии с жидкостью (или твердым телом), и в этом случае давление газа равно давлению пара жидкости (или твердого тела).
Сверхкритическая жидкость (СКФ) — это газ, температура и давление которого выше критической температуры и критического давления соответственно. В этом состоянии различие между жидкостью и газом исчезает. Сверхкритическая жидкость имеет физические свойства газа, но ее высокая плотность в некоторых случаях придает свойства растворителя, что приводит к полезным применениям. Например, сверхкритический диоксид углерода используется для извлечения кофеина при производстве кофе без кофеина . [3]
Газ обычно преобразуется в плазму одним из двух способов: 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, что приводит к появлению свободных электронов. 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 очень высокоэнергетическая плазма по существу представляет собой голые ядра, плавающие в море электронов. Это образует так называемую полностью ионизированную плазму.
Состояние плазмы часто понимается неправильно, и хотя оно не существует свободно в нормальных условиях на Земле, оно довольно часто генерируется молнией , электрическими искрами , флуоресцентными лампами , неоновыми лампами или в плазменных телевизорах . Корона Солнца , некоторые виды пламени и звезды являются примерами освещенной материи в состоянии плазмы. Плазма, безусловно, является наиболее распространенным из четырех основных состояний, поскольку 99% всей обычной материи во Вселенной является плазмой, поскольку она составляет все звезды . [4] [5] [6]
Состояние вещества также характеризуется фазовыми переходами . Фазовый переход указывает на изменение структуры и может быть распознан по резкому изменению свойств. Отдельное состояние вещества можно определить как любой набор состояний, отличающийся от любого другого набора состояний фазовым переходом . Можно сказать, что вода имеет несколько отдельных твердых состояний. [7] Появление сверхпроводимости связано с фазовым переходом, поэтому существуют сверхпроводящие состояния. Аналогично, ферромагнитные состояния разграничиваются фазовыми переходами и имеют отличительные свойства. Когда изменение состояния происходит поэтапно, промежуточные стадии называются мезофазами . Такие фазы были использованы с введением технологии жидких кристаллов . [8] [9]
Состояние или фаза данного набора материи может изменяться в зависимости от условий давления и температуры , переходя в другие фазы, когда эти условия изменяются в пользу их существования; например, твердое тело переходит в жидкость при повышении температуры. Вблизи абсолютного нуля вещество существует как твердое тело . При добавлении тепла к этому веществу оно плавится в жидкость при своей точке плавления , закипает в газ при своей точке кипения и, если нагреть его достаточно высоко, перейдет в состояние плазмы , в котором электроны настолько заряжены, что покидают свои родительские атомы.
Формы материи, которые не состоят из молекул и организованы различными силами, также могут считаться различными состояниями материи. Сверхтекучие жидкости (например, фермионный конденсат ) и кварк-глюонная плазма являются примерами.
В химическом уравнении состояние вещества химикатов может быть показано как (s) для твердого тела, (l) для жидкости и (g) для газа. Водный раствор обозначается (aq), например,
Материя в состоянии плазмы редко используется (если вообще используется) в химических уравнениях, поэтому стандартного символа для ее обозначения нет. В редких уравнениях, где используется плазма, она обозначается как (p).
Стекло — это некристаллический или аморфный твердый материал, который при нагревании переходит в жидкое состояние, проявляя стеклование. Стекла могут быть изготовлены из совершенно разных классов материалов: неорганических сетей (например, оконное стекло, изготовленное из силиката плюс добавки), металлических сплавов, ионных расплавов , водных растворов , молекулярных жидкостей и полимеров . Термодинамически стекло находится в метастабильном состоянии по отношению к своему кристаллическому аналогу. Однако скорость превращения практически равна нулю.
Пластичный кристалл представляет собой молекулярное твердое тело с дальним позиционным порядком, но с составляющими его молекулами, сохраняющими вращательную свободу; в ориентационном стекле эта степень свободы заморожена в закаленном неупорядоченном состоянии.
Аналогично в спиновом стекле магнитный беспорядок заморожен.
Жидкокристаллические состояния обладают свойствами, промежуточными между подвижными жидкостями и упорядоченными твердыми телами. Как правило, они способны течь как жидкость, но проявляя дальний порядок. Например, нематическая фаза состоит из длинных стержнеобразных молекул, таких как пара-азоксианизол , который является нематическим в диапазоне температур 118–136 °C (244–277 °F). [10] В этом состоянии молекулы текут как в жидкости, но все они указывают в одном направлении (внутри каждого домена) 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. Несколько типов имеют технологическое значение, например, в жидкокристаллических дисплеях .
Сополимеры могут подвергаться микрофазному разделению, образуя разнообразный массив периодических наноструктур, как показано на примере блок-сополимера стирола-бутадиена-стирола, показанного справа. Микрофазное разделение можно понять по аналогии с разделением фаз между маслом и водой. Из-за химической несовместимости между блоками блок-сополимеры подвергаются аналогичному разделению фаз. Однако, поскольку блоки ковалентно связаны друг с другом, они не могут расслаиваться макроскопически, 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 собственную фазу вещества.
Ионные жидкости также демонстрируют микрофазное разделение. Анион и катион не обязательно совместимы и в противном случае расслаивались бы, но притяжение электрического заряда не позволяет им разделиться. Их анионы и катионы, по-видимому, диффундируют внутри компартментализированных слоев или мицелл, а не свободно, как в однородной жидкости. [11]
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 выровнен в одном направлении (внутри магнитного домена ). Если домены также выровнены, твердое тело является постоянным магнитом , который является магнитным даже при отсутствии 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 чистая намагниченность равна нулю. Например, в оксиде никеля (II) ( NiO) половина атомов никеля имеет моменты, выровненные в одном направлении, а половина — в противоположном.
В ферримагнетике две сети магнитных моментов противоположны, но не равны, так что компенсация неполная и существует ненулевая чистая намагниченность. Примером является магнетит (Fe 3 O 4 ), который содержит ионы Fe 2+ и Fe 3+ с разными магнитными моментами.
Квантовая спиновая жидкость (КСЖ) — 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 изначально неупорядочен. Название «жидкость» происходит от аналогии с молекулярным беспорядком в обычной жидкости. КСЖ не является ни ферромагнетиком , где магнитные домены параллельны, ни антиферромагнетиком , где магнитные домены антипараллельны; вместо этого магнитные домены ориентированы случайным образом. Это может быть реализовано, например, геометрически фрустрированными магнитными моментами, которые не могут быть направлены равномерно параллельно или антипараллельно. При охлаждении и установлении состояния домен должен «выбрать» ориентацию, но если возможные состояния схожи по энергии, одно из них будет выбрано случайным образом. Следовательно, несмотря на сильный ближний порядок, дальний магнитный порядок отсутствует.
Сверхпроводники — это материалы, которые имеют нулевое электрическое сопротивление , и, следовательно, идеальную проводимость. Это особое физическое состояние, которое существует при низкой температуре, и сопротивление увеличивается скачкообразно до конечного значения при четко определенной температуре перехода для каждого сверхпроводника. [12]
Сверхпроводник также исключает все магнитные поля из своего внутреннего пространства, явление, известное как эффект Мейсснера или совершенный диамагнетизм . [12] Сверхпроводящие магниты используются в качестве электромагнитов в магнитно-резонансных томографах .
Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году и в течение 75 лет было известно только для некоторых металлов и металлических сплавов при температурах ниже 30 К. В 1986 году так называемая высокотемпературная сверхпроводимость была обнаружена в некоторых керамических оксидах и теперь наблюдается при температурах до 164 К. [13]
Вблизи абсолютного нуля некоторые жидкости образуют второе жидкое состояние, описываемое как сверхтекучее , поскольку оно имеет нулевую вязкость (или бесконечную текучесть; т. е. течет без трения). Это было обнаружено в 1937 году для гелия , который образует сверхтекучую жидкость ниже лямбда-температуры 2,17 К (−270,98 °C; −455,76 °F). В этом состоянии он будет пытаться «вылезти» из своего контейнера. [14] Он также имеет бесконечную теплопроводность , так что в сверхтекучей жидкости не может образоваться никакой температурный градиент . Помещение сверхтекучей жидкости во вращающийся контейнер приведет к образованию квантованных вихрей .
Эти свойства объясняются теорией, согласно которой распространенный изотоп гелий-4 образует конденсат Бозе-Эйнштейна (см. следующий раздел) в сверхтекучем состоянии. Совсем недавно фермионные конденсатные сверхтекучие жидкости были образованы при еще более низких температурах редким изотопом гелием-3 и литием-6 . [15]
В 1924 году Альберт Эйнштейн и Сатьендра Нат Бозе предсказали «конденсат Бозе–Эйнштейна» (БЭК), иногда называемый пятым состоянием материи. В БЭК материя перестает вести себя как независимые частицы и коллапсирует в единое квантовое состояние, которое можно описать одной 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 получили первый такой конденсат экспериментально. Конденсат Бозе-Эйнштейна «холоднее» твердого тела. Он может возникнуть, 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 затем входить в одно и то же квантовое состояние без ограничений.
Под чрезвычайно высоким давлением, как в ядрах мертвых звезд, обычная материя претерпевает переход в ряд экзотических состояний материи, известных под общим названием вырожденная материя , которые поддерживаются в основном квантово-механическими эффектами. В физике «вырожденная» относится к двум состояниям, которые имеют одинаковую энергию и, таким образом, являются взаимозаменяемыми. 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 просто не остается состояний импульса. Следовательно, вырожденные звезды коллапсируют до очень высоких плотностей. Более массивные вырожденные звезды меньше, потому что гравитационная сила увеличивается, но давление не увеличивается пропорционально.
Электронно-вырожденная материя находится внутри белых карликовых звезд. Электроны остаются связанными с атомами, но способны переходить к соседним атомам. Нейтронно-вырожденная материя находится в нейтронных звездах . 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 распадаются с периодом полураспада примерно 10 минут, но в нейтронной звезде распад опережается обратным распадом. Холодная вырожденная материя также присутствует в таких планетах, как Юпитер , и в еще более массивных коричневых карликах , которые, как ожидается, имеют ядро с металлическим водородом . Из-за вырождения более массивные коричневые карлики не намного больше. В металлах электроны можно смоделировать как вырожденный газ, движущийся в решетке невырожденных положительных ионов.
В обычной холодной материи кварки , фундаментальные частицы ядерной материи, удерживаются сильным взаимодействием в адроны , которые состоят из 2–4 кварков, таких как протоны и нейтроны. Кварковая материя или квантовая хромодинамическая (КХД) материя — это группа фаз, в которых сильное взаимодействие преодолено, а кварки деконцентрированы и могут свободно перемещаться. Фазы кварковой материи происходят при чрезвычайно высоких плотностях или температурах, и нет известных способов получить их в равновесии в лабораторных условиях; в обычных условиях любая образованная 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 (приблизительно 2–3 солнечных массы ), хотя прямых доказательств ее существования нет. В странной материи часть доступной энергии проявляется в виде странных кварков , более тяжелого аналога обычного нижнего кварка . Она может быть стабильной в более низких энергетических состояниях после образования, хотя это неизвестно.
Кварк-глюонная плазма — это очень высокотемпературная фаза, в которой кварки становятся свободными и способны двигаться независимо, а не быть вечно связанными в частицы, в море глюонов , субатомных частиц, которые передают сильную силу , которая связывает кварки вместе. Это аналогично освобождению электронов из атомов в плазме. Это состояние кратковременно достижимо при столкновениях тяжелых ионов чрезвычайно высокой энергии в ускорителях частиц и позволяет ученым наблюдать свойства отдельных кварков. Теории, предсказывающие существование кварк-глюонной плазмы, были разработаны в конце 1970-х и начале 1980-х годов [16] , и она была впервые обнаружена в лаборатории ЦЕРНа в 2000 году. [17] [18] В отличие от плазмы, которая течет как газ, взаимодействия внутри КГП сильны, и она течет как жидкость.
При высоких плотностях, но относительно низких температурах кварки теоретически образуют кварковую жидкость, природа которой в настоящее время неизвестна. Она образует отчетливую фазу с цветовым ароматом (CFL) при еще более высоких плотностях. Эта фаза сверхпроводима для цветового заряда. Эти фазы могут встречаться в нейтронных звездах, но в настоящее время они являются теоретическими.
Конденсат цветного стекла — это тип материи, теоретически существующий в атомных ядрах, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Согласно теории относительности Эйнштейна, ядро с высокой энергией кажется сжатым или сжатым вдоль направления своего движения. В результате глюоны внутри ядра кажутся неподвижному наблюдателю «глюонной стенкой», движущейся со скоростью, близкой к скорости света. При очень высоких энергиях плотность глюонов в этой стенке, как видно, значительно 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, таких как в RHIC и, возможно, также в Большом адронном коллайдере.
Различные теории предсказывают новые состояния материи при очень высоких энергиях. Неизвестное состояние создало барионную асимметрию во Вселенной, но о нем мало что известно. В теории струн температура Хагедорна предсказывается для суперструн при температуре около 10 30 К, где суперструны производятся в большом количестве. При температуре Планка (10 32 К) гравитация становится значительной силой между отдельными частицами. Ни одна современная теория не может описать эти состояния, и они не могут быть получены ни одним предсказуемым экспериментом. Однако эти состояния важны в космологии , поскольку Вселенная могла пройти через эти состояния во время Большого взрыва .
Сверхтвердое тело — это пространственно упорядоченный материал (то есть твердое тело или кристалл) со сверхтекучими свойствами. Подобно сверхтекучей жидкости, сверхтвердое тело способно двигаться без трения, но сохраняет жесткую форму. Хотя сверхтвердое тело является твердым телом, оно проявляет так много характерных свойств, отличающихся от других твердых тел, что многие утверждают, что это другое состояние материи. [19]
В жидкости со струнной сеткой атомы, по-видимому, имеют нестабильное расположение, как в жидкости, но все еще постоянны в общей структуре, как в твердом теле. В нормальном твердом состоянии атомы материи выстраиваются в сетчатую структуру, так что спин любого электрона противоположен спину всех электронов, которые его касаются. Но в жидкости со струнной сеткой атомы расположены в некоторой структуре, которая требует, чтобы некоторые электроны имели соседей с таким же спином. Это порождает любопытные свойства, а также поддерживает некоторые необычные предложения о фундаментальных условиях самой вселенной.
Суперстекло — это фаза вещества, характеризующаяся одновременно сверхтекучестью и застывшей аморфной структурой.
Металлы, такие как калий, в цепочечно-расплавленном состоянии, по-видимому, находятся в жидком и твердом состоянии одновременно. Это является результатом воздействия высокой температуры и давления, что приводит к тому, что цепи в калии растворяются в жидкости, в то время как кристаллы остаются твердыми. [20]
Квантовое состояние Холла приводит к квантованному напряжению Холла, измеренному в направлении, перпендикулярном току. Квантовое спиновое состояние Холла — это теоретическая фаза, которая может проложить путь к разработке электронных устройств, рассеивающих меньше энергии и генерирующих меньше тепла. Это производная от квантового состояния Холла.
Фотонная материя — это явление, при котором фотоны, взаимодействующие с газом, приобретают кажущуюся массу и могут взаимодействовать друг с другом, даже образуя фотонные «молекулы». Источником массы является газ, который массивен. Это контрастирует с фотонами, движущимися в пустом пространстве, которые не имеют массы покоя и не могут взаимодействовать.
