καταστάσεις της ύλης

Οι καταστάσεις της ύλης είναι μορφές στις οποίες υπάρχει η ύλη. Οι τέσσερις καταστάσεις της ύλης που παρατηρούνται στην καθημερινή ζωή είναι στερεά, υγρά και αέρια. Υπάρχουν και άλλες καταστάσεις της ύλης, αν και απαιτούν ειδικές συνθήκες. Ακολουθεί μια ματιά στις καταστάσεις της ύλης, τις ιδιότητές τους και τα ονόματα των μεταβάσεων φάσης μεταξύ τους.

Τι είναι η κατάσταση της ύλης;

Η ύλη είναι οτιδήποτε έχει μάζα και καταλαμβάνει χώρο. Αποτελείται από υποατομικά σωματίδια, άτομα, ιόντα και ενώσεις. Μερικές φορές αυτά τα σωματίδια είναι στενά συνδεδεμένα και κοντά μεταξύ τους, ενώ άλλες φορές τα σωματίδια είναι χαλαρά συνδεδεμένα και ευρέως διαχωρισμένα. Οι καταστάσεις της ύλης περιγράφουν τις ιδιότητες που εμφανίζει η ύλη. Βασικά, η κατάσταση της ύλης μιας ουσίας εξαρτάται από το πόση ενέργεια έχουν τα σωματίδια της.

Μπορούμε να αλλάξουμε την ενέργεια της ύλης αλλάζοντας τη θερμοκρασία ή την πίεσή της, προκαλώντας τη μετάβαση της ύλης από τη μια κατάσταση στην άλλη. Όμως, όταν η ύλη αλλάζει κατάσταση, η ταυτότητά της παραμένει η ίδια. Έτσι, αν πάρετε πάγο, τον λιώσετε και μετά τον βράσετε, η κατάσταση της ύλης του αλλάζει, αλλά είναι πάντα νερό.

Κατάλογος των καταστάσεων της ύλης

Οι τέσσερις θεμελιώδεις καταστάσεις της ύλης είναι στερεά, υγρά, αέρια και πλάσμα. Όμως, οι επιστήμονες ανακαλύπτουν νέες καταστάσεις ύλης που υπάρχουν κάτω από ακραίες συνθήκες.

Στερεά

Ένα στερεό είναι μια κατάσταση ύλης με καθορισμένο σχήμα και όγκο. Άτομα, ιόντα και μόρια σε μια στερεή συσκευασία σφιχτά μεταξύ τους και μπορεί να σχηματίσουν κρυστάλλους. Παραδείγματα στερεών περιλαμβάνουν πέτρες, πάγο, διαμάντι και ξύλο.

Υγρό

Ένα υγρό είναι μια κατάσταση ύλης με καθορισμένο όγκο, αλλά χωρίς καθορισμένο σχήμα. Με άλλα λόγια, τα υγρά παίρνουν το σχήμα του δοχείου τους. Τα σωματίδια σε ένα υγρό έχουν περισσότερη ενέργεια από ότι σε ένα στερεό, επομένως είναι πιο μακριά και λιγότερο οργανωμένα (πιο τυχαία). Παραδείγματα υγρών περιλαμβάνουν νερό, χυμό και φυτικό λάδι.

Αέριο

Ένα αέριο είναι μια κατάσταση ύλης που δεν έχει καθορισμένο όγκο ή καθορισμένο σχήμα. Όπως ένα υγρό, ένα αέριο παίρνει το σχήμα ενός δοχείου. Σε αντίθεση με ένα υγρό, ένα αέριο διαστέλλεται ή συστέλλεται εύκολα για να γεμίσει ολόκληρο τον όγκο του δοχείου. Τα σωματίδια σε ένα αέριο έχουν περισσότερη ενέργεια από ότι στα στερεά ή τα υγρά. Τείνουν να είναι πιο μακριά και πιο τυχαία από ό,τι σε ένα υγρό. Παραδείγματα αερίων περιλαμβάνουν αέρα, υδρατμούς και ήλιο.

Πλάσμα

Το πλάσμα είναι μια κατάσταση ύλης παρόμοια με ένα αέριο, εκτός από το ότι όλα τα σωματίδια φέρουν ηλεκτρικό φορτίο. Επίσης, το πλάσμα τείνει να υπάρχει σε πολύ χαμηλή πίεση, επομένως τα σωματίδια βρίσκονται ακόμη πιο μακριά από ό,τι σε ένα αέριο. Το πλάσμα μπορεί να αποτελείται από ιόντα, ηλεκτρόνια ή πρωτόνια. Παραδείγματα πλάσματος περιλαμβάνουν τον κεραυνό, το σέλας, τον Ήλιο και το εσωτερικό μιας πινακίδας νέον.

Συμπύκνωμα Bose-Einstein

Το συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) ονομάζεται μερικές φορές η πέμπτη κατάσταση της ύλης. Στο συμπύκνωμα Bose-Einstein, τα άτομα και τα ιόντα σταματούν να συμπεριφέρονται ως ξεχωριστά σωματίδια και καταρρέουν σε μια ενιαία κβαντική κατάσταση που μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας μια μοναδική κυματοσυνάρτηση. Αυτή η κατάσταση της ύλης επαληθεύτηκε πειραματικά το 1995 από τον Eric Cornell και τον Carl Wieman. Το συμπύκνωμα Bose-Einstein είναι «πιο κρύο» από ένα συνηθισμένο στερεό και μπορεί να σχηματιστεί πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Υπερρευστό

Το υπερρευστό είναι μια δεύτερη υγρή κατάσταση που σχηματίζεται από ορισμένους τύπους ύλης. Ένα υπερρευστό εμφανίζει μηδενικό ιξώδες. Υπερρευστότητα παρατηρήθηκε για το ήλιο το 1937. Επειδή μπορούσε να ρέει χωρίς τριβή, το υπερρευστό ήλιο σκαρφάλωσε στα τοιχώματα του δοχείου του και έσταζε πάνω από τις πλευρές. Όπως το συμπύκνωμα Bose-Einstein, η υπερρευστότητα εμφανίζεται κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Φερμιονικό συμπύκνωμα

Ένα φερμιονικό συμπύκνωμα είναι μια κατάσταση ύλης παρόμοια με ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein, εκτός από το ότι αποτελείται από φερμιόνια, όπως κουάρκ και λεπτόνια. Κανονικά, η αρχή του αποκλεισμού Pauli απαγορεύει τα φερμιόνια να εισέλθουν στην ίδια κβαντική κατάσταση. Σε ένα φερμιονικό συμπύκνωμα, ένα ζεύγος φερμιονίων συμπεριφέρεται ως μποζόνιο, επιτρέποντας σε πολλά ζεύγη να εισέλθουν στην ίδια κβαντική κατάσταση.

Ύλη Rydberg

Η ύλη Rydberg είναι ένας τύπος πλάσματος που σχηματίζεται όταν τα διεγερμένα ιόντα συμπυκνώνονται.

Φωτονική ύλη

Η φωτονική ύλη είναι η κατάσταση της ύλης που σχηματίζεται όταν τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με ένα αέριο με τέτοιο τρόπο ώστε τα φωτόνια να έχουν εμφανή μάζα και να μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους. Τα φωτόνια με φαινομενική μάζα μπορούν ακόμη και να σχηματίσουν φωτονικά «μόρια».

Συμπύκνωση χρώματος-γυαλιού

Το συμπύκνωμα έγχρωμου γυαλιού είναι μια κατάσταση ύλης που προτείνεται να υπάρχει όταν οι ατομικοί πυρήνες ταξιδεύουν κοντά στην ταχύτητα του υγρού. Λόγω της ταχύτητάς τους, ο πυρήνας φαίνεται συμπιεσμένος κατά την κατεύθυνση της κίνησής του. Αυτό κάνει τα γκλουόνια του πυρήνα να εμφανίζονται ως ένα είδος τοιχώματος ή περιοχής με αυξημένη πυκνότητα.

Άλλες καταστάσεις της ύλης

Υπάρχουν και άλλες προτεινόμενες καταστάσεις της ύλης, όπως η ύλη κουάρκ, η εκφυλισμένη ύλη, το σταγονίδιο, η κβαντική κατάσταση Hall, το υπεργυαλί, το υπερστερεό και το υγρό με δίχτυα χορδών.

Μεταβάσεις φάσης μεταξύ καταστάσεων ύλης

Οι αλλαγές στη θερμοκρασία και την πίεση προκαλούν την αλλαγή της ύλης από τη μια κατάσταση στην άλλη. Αυτή η αλλαγή ονομάζεται μετάβαση φάσης ή αλλαγή φάσης. Παραδείγματα μεταπτώσεων φάσης συμπεριλαμβανομένης της τήξης του πάγου (ένα στερεό) σε νερό (ένα υγρό) και του βρασμού του νερού σε υδρατμούς (ένα αέριο). Ακολουθούν τα ονόματα των μεταπτώσεων φάσης μεταξύ στερεών, υγρών, αερίων και πλάσματος:

Λήξη :Μετάβαση φάσης από στερεό σε υγρό.
Πάγωμα :Μετάβαση φάσης από υγρό σε στερεό.
Ατμοποίηση :Μετάβαση φάσης από υγρό σε αέριο.
Συμπύκνωση :Μετάβαση φάσης από αέριο σε υγρό.
Εξάχνωση :Μετάβαση φάσης από στερεό σε αέριο.
Κατάθεση :Μετάβαση φάσης από αέριο σε στερεό.
Ιοντισμός :Μετάβαση φάσης από αέριο στο πλάσμα.
Αποϊοντισμός ή ανασυνδυασμός :Μετάβαση φάσης από πλάσμα σε αέριο.

Αναφορές

Goodstein, D.L. (1985). Κατάσταση ύλης . Ντόβερ Φίνιξ. ISBN 978-0-486-49506-4.
Murthy, G.; et al. (1997). «Υπερρευστά και υπερστερεά σε απογοητευμένα δισδιάστατα πλέγματα». Φυσική ανασκόπηση Β . 55 (5):3104. doi:10.1103/PhysRevB.55.3104
Sutton, Α.Ρ. (1993). Ηλεκτρονική Δομή Υλικών . Εκδόσεις Oxford Science. ISBN 978-0-19-851754-2.
Wahab, M.A. (2005). Φυσική στερεάς κατάστασης:Δομή και ιδιότητες των υλικών . Alpha Science. ISBN 978-1-84265-218-3.
White, F. (2003). Ρευστομηχανική . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-240217-9.