В физике состояние материи — это одна из различных форм, в которых может существовать материя . В повседневной жизни наблюдаются четыре состояния вещества: твердое , жидкое , газообразное и плазма . Известно, что существует множество промежуточных состояний, таких как жидкий кристалл , а некоторые состояния существуют только в экстремальных условиях, например, конденсаты Бозе-Эйнштейна и фермионные конденсаты (при сильном холоде), нейтронно-вырожденная материя (при экстремальной плотности) и кварк-эйнштейновские конденсаты. глюонная плазма (при чрезвычайно высокой энергии ). Список экзотических состояний материи см. в статье Список состояний материи .
Исторически различие проводится на основе качественных различий свойств. Материя в твердом состоянии сохраняет фиксированный объем (при условии отсутствия изменений температуры или давления воздуха) и форму, при этом составляющие частицы ( атомы , молекулы или ионы ) расположены близко друг к другу и зафиксированы на месте. Вещество в жидком состоянии сохраняет фиксированный объем (при условии отсутствия изменений температуры или давления воздуха), но имеет переменную форму, которая приспосабливается к своему контейнеру. Его частицы все еще расположены близко друг к другу, но движутся свободно. Материя в газообразном состоянии имеет переменный объем и форму, приспосабливаясь к своему контейнеру. Его частицы не расположены близко друг к другу и не зафиксированы на месте. Материя в состоянии плазмы 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, но одно и то же соединение может образовывать разные фазы, находящиеся в одном и том же состоянии. Например, лед — это твердое состояние воды, но существует несколько фаз льда с разной кристаллической структурой , которые образуются при разных давлениях и температурах.
В твердом теле составляющие частицы (ионы, атомы или молекулы) плотно упакованы вместе. Силы между частицами настолько сильны, что частицы не могут свободно двигаться, а могут только вибрировать. В результате твердое тело имеет устойчивую, определенную форму и определенный объем. Твердые тела могут изменить свою форму только под действием внешней силы, например, при разрушении или разрезании.
В кристаллических твердых телах частицы (атомы, молекулы или ионы) упакованы в регулярно упорядоченном, повторяющемся порядке. Существуют 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 температуре 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. [1]
Стекла и другие некристаллические аморфные твердые вещества без дальнего порядка не являются основными состояниями термического равновесия ; поэтому ниже они описываются как неклассические состояния материи.
Твердые вещества могут превращаться в жидкости при плавлении, а жидкости — в твердые вещества при замерзании. Твердые вещества также могут превращаться непосредственно в газы в процессе сублимации , а газы также могут превращаться непосредственно в твердые вещества в результате осаждения .
Жидкость — это почти несжимаемая жидкость , которая принимает форму сосуда, но сохраняет (почти) постоянный объем, не зависящий от давления. Объем определен, если температура и давление постоянны. Когда твердое вещество нагревается выше точки плавления , оно становится жидким, поскольку 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 сосудом. 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, является ее критической температурой . [2]
Газ – это сжимаемая жидкость. Газ не только будет соответствовать форме своего контейнера, но и расширится, заполняя контейнер.
В газе молекулы обладают достаточной кинетической энергией , поэтому влияние межмолекулярных сил невелико (или равно нулю для идеального газа ), а типичное расстояние между соседними молекулами намного превышает размер молекулы. Газ не имеет определенной формы и объема, но занимает весь сосуд, в котором он заключен. Жидкость можно превратить 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 за счет сжатия 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 (SCF) — это газ, температура и давление которого выше критической температуры и критического давления соответственно. В этом состоянии исчезает различие между жидкостью и газом. 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, например, в звездах, предполагается, что по существу все электроны «свободны» и что плазма очень высокой энергии представляет собой, по сути, голые ядра, плавающие в море электронов. При этом образуется так называемая полностью ионизированная плазма.
Состояние плазмы часто неправильно понимают, и, хотя оно не существует свободно в нормальных условиях на Земле, оно довольно часто генерируется молнией , электрическими искрами , флуоресцентными лампами , неоновыми лампами или плазменными телевизорами . Корона Солнца , некоторые виды пламени и звезды — все это примеры освещенной материи в состоянии плазмы. Плазма, безусловно, является наиболее распространенным из четырех фундаментальных состояний, поскольку 99% всей обычной материи во Вселенной — это плазма, из которой состоят все звезды . [4] [5] [6]
Состояние вещества характеризуется также фазовыми переходами . Фазовый переход указывает на изменение структуры и можно распознать по резкому изменению свойств. Отдельное состояние материи можно определить как любой набор состояний , отличающийся от любого другого набора состояний фазовым переходом . Можно сказать, что вода имеет несколько различных твердых состояний. [7] Появление сверхпроводимости связано с фазовым переходом, поэтому существуют сверхпроводящие состояния. Точно так же ферромагнитные состояния разграничены фазовыми переходами и обладают отличительными свойствами. Когда изменение состояния происходит поэтапно, промежуточные этапы называются мезофазами . Такие фазы были использованы благодаря внедрению технологии жидких кристаллов . [8] [9]
Состояние или фаза данного набора веществ может меняться в зависимости от условий давления и температуры , переходя в другие фазы, когда эти условия изменяются в пользу их существования; например, твердый переход в жидкость при повышении температуры. Вблизи абсолютного нуля вещество существует в твердом состоянии . Когда к этому веществу добавляется тепло, оно плавится в жидкость при температуре плавления , кипит в газ при температуре кипения , а при достаточно сильном нагревании переходит в состояние плазмы , в котором электроны настолько заряжены, что покидают свои родительские атомы.
Формы материи, не состоящие из молекул и организованные разными силами, также можно считать разными состояниями материи. Примерами являются сверхтекучие жидкости (например, фермионный конденсат ) и кварк-глюонная плазма .
В химическом уравнении состояние вещества химических веществ может быть показано как (s) для твердого тела, (l) для жидкости и (g) для газа. Водный раствор обозначается (aq). Материя в состоянии плазмы редко используется (если вообще используется) в химических уравнениях, поэтому не существует стандартного символа для ее обозначения. В редких уравнениях, в которых используется плазма, она обозначается как (p).
Стекло — это некристаллический или аморфный твердый материал, который при нагревании переходит в жидкое состояние, при этом происходит стеклование . Стекла могут быть изготовлены из совершенно разных классов материалов: неорганических сеток (таких как 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 коэффициент конверсии практически равен нулю.
Пластиковый кристалл представляет собой молекулярное твердое тело с дальним позиционным порядком, но составляющие его молекулы сохраняют свободу вращения; в ориентационном стекле эта степень свободы заморожена в закаленном неупорядоченном состоянии.
Аналогично в спиновом стекле заморожен магнитный беспорядок.
Состояния жидких кристаллов обладают промежуточными свойствами между подвижными жидкостями и упорядоченными твердыми телами. Как правило, они способны течь как жидкость, но демонстрируют дальний порядок. Например, нематическая фаза состоит из длинных стержнеобразных молекул, таких как параазоксианизол , который является нематическим в диапазоне температур 118–136 ° C (244–277 ° F). [10] В этом состоянии молекулы текут, как в жидкости, но все они направлены в одном направлении (внутри каждого домена) и не могут свободно вращаться. Подобно твердому кристаллу, 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 жидкокристаллических дисплеях .
Атомы переходных металлов часто имеют магнитные моменты из-за суммарного спина электронов, которые остаются неспаренными и не образуют химических связей. В некоторых твердых телах магнитные моменты разных атомов упорядочены и могут образовывать ферромагнетик, антиферромагнетик или ферримагнетик.
В ферромагнетике , например, в твердом железе , магнитный момент каждого атома ориентирован в одном направлении (внутри магнитного домена ). Если домены также выровнены, твердое тело представляет собой постоянный магнит , который является магнитным даже в отсутствие 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 нейтрализуют друг друга, так что результирующая намагниченность равна нулю . Например, в оксиде никеля (II) (NiO) половина атомов никеля имеет моменты, ориентированные в одном направлении, а половина - в противоположном.
В ферримагнетике две сети магнитных моментов противоположны, но неравны, так что компенсация неполная и существует ненулевая суммарная намагниченность. Примером может служить магнетит (Fe 3 O 4 ), содержащий 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 по своей природе неупорядочен. Название «жидкость» происходит по аналогии с молекулярным беспорядком в обычной жидкости. QSL 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, с помощью геометрически нарушенных магнитных моментов, которые не могут быть направлены равномерно параллельно или антипараллельно. При охлаждении и переходе в 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, дальнего магнитного порядка не существует.
Сополимеры могут подвергаться микрофазовому разделению с образованием разнообразного набора периодических наноструктур, как показано на примере блок-сополимера стирола, бутадиена и стирола, показанного справа. Микрофазное разделение можно понимать по аналогии с разделением фаз между нефтью и водой. Из-за химической несовместимости блоков блок-сополимеры подвергаются аналогичному фазовому расслоению. Однако, поскольку блоки ковалентно связаны друг с другом, они не могут макроскопически разделяться, как вода и масло, и поэтому вместо этого блоки образуют структуры нанометрового размера . В зависимости от относительной длины каждого блока и общей топологии блоков полимера можно получить множество морфологий, каждая из которых представляет собой собственную фазу вещества.
Ионные жидкости также демонстрируют микрофазовое разделение. Анион и катион не обязательно совместимы и в противном случае они бы рассосались, но притяжение электрического заряда предотвращает их разделение. Их анионы и катионы, по-видимому, диффундируют внутри разделенных слоев или мицелл, а не свободно, как в однородной жидкости. [11]
Сверхпроводники — это материалы, которые имеют нулевое удельное электрическое сопротивление и, следовательно, идеальную проводимость. Это особое физическое состояние, которое существует при низкой температуре, и удельное сопротивление скачкообразно возрастает до конечного значения при четко определенной температуре перехода для каждого сверхпроводника. [12]
Сверхпроводник также исключает все магнитные поля из своей внутренней части — явление, известное как эффект Мейсснера или идеальный диамагнетизм . [12] Сверхпроводящие магниты используются в качестве электромагнитов в аппаратах магнитно-резонансной томографии .
Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году и в течение 75 лет было известно только в некоторых металлах и металлических сплавах при температурах ниже 30 К. В 1986 году так называемая высокотемпературная сверхпроводимость была открыта в некоторых керамических оксидах, а сейчас наблюдается в температуры до 164 К. [13]
Вблизи абсолютного нуля некоторые жидкости образуют второе жидкое состояние, называемое сверхтекучим , 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 при температуре ниже лямбда -температуры 2,17 К (-270,98 ° C; -455,76 ° F). В этом состоянии он попытается «вылезти» из контейнера. [14] Он также обладает бесконечной теплопроводностью , поэтому в сверхтекучей жидкости не может образоваться температурный градиент . Помещение сверхтекучей жидкости во вращающийся контейнер приведет к образованию квантованных вихрей .
Эти свойства объясняются теорией о том, что обычный изотоп гелий-4 образует конденсат Бозе-Эйнштейна (см. следующий раздел) в сверхтекучем состоянии. Совсем недавно сверхтекучие фермионные конденсаты были образованы при еще более низких температурах за счет редкого изотопа гелия-3 и лития-6 . [15]
В 1924 году Альберт Эйнштейн и Сатьендра Нат Бозе предсказали «конденсат Бозе-Эйнштейна» (БЭК), который иногда называют пятым состоянием материи. В БЭК материя перестает вести себя как независимые частицы и коллапсирует в одно квантовое состояние, которое можно описать одной однородной волновой функцией.
В газовой фазе конденсат Бозе-Эйнштейна в течение многих лет оставался непроверенным теоретическим предсказанием. В 1995 году исследовательские группы Эрика Корнелла и Карла Вимана из JILA в Университете Колорадо в Боулдере экспериментально получили первый такой конденсат. Конденсат Бозе-Эйнштейна «холоднее», чем твердое тело. Это может произойти, когда атомы имеют очень похожие (или одинаковые) квантовые уровни , при температурах, очень близких к абсолютному нулю , -273,15 °C (-459,67 °F).
Фермионный конденсат подобен конденсату Бозе-Эйнштейна, но состоит из фермионов . Принцип исключения Паули не позволяет фермионам переходить в одно и то же квантовое состояние, но пара фермионов может вести себя как бозон, и несколько таких пар могут затем без ограничений переходить в одно и то же квантовое состояние.
Квантовое состояние Холла порождает квантованное напряжение Холла , измеряемое в направлении, перпендикулярном потоку тока. Квантовое спиновое состояние Холла — это теоретическая фаза, которая может проложить путь к разработке электронных устройств, которые рассеивают меньше энергии и генерируют меньше тепла. Это результат состояния материи Квантового Зала.
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 имеет массу. В этом отличие от фотонов, движущихся в пустом пространстве, которые не имеют массы покоя и не могут взаимодействовать.
Под чрезвычайно высоким давлением, как в ядрах мертвых звезд, обычная материя подвергается переходу в ряд экзотических состояний материи, известных под общим названием « вырожденная материя» , которые поддерживаются главным образом квантово-механическими эффектами. В физике термин «вырожденный» относится к двум состояниям, имеющим одинаковую энергию и, следовательно, взаимозаменяемым. Вырожденная материя поддерживается принципом 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 в ней просто не остается импульсных состояний. 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 звезд -белых карликов . Электроны остаются связанными с атомами, но могут переходить к соседним атомам. Нейтронно-вырожденная материя встречается в нейтронных звездах . Огромное гравитационное давление сжимает атомы настолько сильно, что электроны вынуждены объединяться с протонами посредством обратного бета-распада, что приводит к образованию сверхплотного скопления нейтронов. Обычно свободные нейтроны вне атомного ядра распадаются с периодом полураспада примерно 10 минут, но в нейтронной звезде распад сменяется обратным распадом. Холодная дегенеративная материя также присутствует на таких планетах, как Юпитер , и в еще более массивных коричневых карликах , которые, как ожидается, будут иметь ядро из металлического водорода . Из-за вырождения более массивные коричневые карлики не намного крупнее. 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 , состоящие из 2–4 кварков, таких как протоны и нейтроны. Кварковая материя или квантово-хромодинамическая (КХД) материя представляет собой группу фаз, в которых преодолевается сильное взаимодействие, и кварки освобождаются от ограничений и могут свободно перемещаться. Фазы кварковой материи возникают при чрезвычайно высоких плотностях или температурах, и не существует известных способов получения их в равновесии в лаборатории; в обычных условиях любая образовавшаяся кварковая материя немедленно подвергается радиоактивному распаду.
Странная материя — это тип кварковой материи , которая, как предполагается, существует внутри некоторых нейтронных звезд, близких к пределу Толмана–Оппенгеймера–Волкова (приблизительно 2–3 массы Солнца ), хотя прямых доказательств ее существования нет. В странной материи часть доступной энергии проявляется в виде странных кварков , более тяжелого аналога обычного даун-кварка . После образования он может быть стабильным в состояниях с более низкой энергией, хотя это неизвестно.
Кварк-глюонная плазма — это очень высокотемпературная фаза, в которой кварки становятся свободными и способны двигаться независимо, а не быть постоянно связанными в частицы, в море глюонов , субатомных частиц, которые передают сильную силу , связывающую кварки вместе. Это аналогично освобождению электронов из атомов в плазме. Это состояние на короткое время достижимо при столкновениях тяжелых ионов чрезвычайно высоких энергий в ускорителях частиц и позволяет ученым наблюдать свойства отдельных кварков. Теории, предсказывающие существование кварк-глюонной плазмы, были разработаны в конце 1970-х – начале 1980-х годов [16] и впервые она была обнаружена в лаборатории ЦЕРН в 2000 году . [17] [18] В отличие от плазмы, которая течет как газ, взаимодействия внутри КГП сильные и он 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 фазу с блокировкой цветного вкуса (CFL) при еще более высоких плотностях. Эта фаза является сверхпроводящей для цветового заряда. Эти фазы могут возникать в нейтронных звездах , но в настоящее время они являются теоретическими.
Конденсат цветного стекла — это тип материи, которая, согласно теории, существует в атомных ядрах, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Согласно теории относительности Эйнштейна, ядро высокой энергии кажется сжатым по длине в направлении своего движения. В результате глюоны внутри ядра кажутся неподвижному наблюдателю «глюонной стенкой», движущейся со скоростью, близкой к скорости света. Видно, что при очень высоких энергиях плотность глюонов в этой стенке сильно возрастает. 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 условия на RHIC и, возможно, на а также Большой адронный коллайдер.
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 примерно при 10–30 К , когда суперструны рождаются в больших количествах. При температуре Планка (10 32 К) гравитация становится значительной силой между отдельными частицами. Ни одна современная теория не может описать эти состояния, и их невозможно получить с помощью какого-либо обозримого эксперимента. Однако эти состояния важны в космологии , поскольку Вселенная могла пройти через эти состояния во время Большого взрыва .
Гравитационная сингулярность, существование которой предсказывает общая теория относительности в центре черной дыры , не является фазой материи; это вообще не материальный объект (хотя масса-энергия материи способствовала его созданию), а скорее свойство пространства-времени . Поскольку здесь пространство-время разрушается, сингулярность следует рассматривать не как локализованную структуру, а как глобальную топологическую особенность пространства-времени. [19] Утверждалось, что элементарные частицы по своей сути не материальны, а представляют собой локализованные свойства пространства-времени. [20] В квантовой гравитации сингулярности могут фактически обозначать переходы в новую фазу материи. [21]
Супертвёрдое тело — это пространственно упорядоченный материал (то есть твёрдое тело или кристалл) со сверхтекучими свойствами. Подобно сверхтекучему телу, сверхтело способно двигаться без трения, но сохраняет жесткую форму. Хотя сверхтвердое тело является твердым телом, оно обладает столь многими характерными свойствами, отличными от других твердых тел, что многие утверждают, что это другое состояние материи. [22]
В струнно-сетчатой жидкости расположение атомов, по-видимому, нестабильно, как в жидкости, но в целом они по-прежнему постоянны, как в твердом теле. В нормальном твердом состоянии атомы вещества выстраиваются в виде сетки, так что спин любого электрона противоположен спину всех электронов, соприкасающихся с ним. Но в струнно-сетчатой жидкости атомы расположены определенным образом, что требует, чтобы у некоторых электронов были соседи с одинаковым спином. Это порождает любопытные свойства, а также подтверждает некоторые необычные предположения о фундаментальных условиях самой Вселенной.
Суперстекло — это фаза вещества, характеризующаяся одновременно сверхтекучестью и замороженной аморфной структурой.
Металлы, такие как калий, в цепочечно расплавленном состоянии оказываются одновременно в жидком и твердом состоянии. Это результат воздействия высокой температуры и давления, в результате чего цепи калия растворяются в жидкости, а кристаллы остаются твердыми. [23]
