Ποιες είναι οι καταστάσεις της ύλης;
Τα πάντα γύρω σας αποτελούνται από ύλη στις διάφορες καταστάσεις της, από το τηλέφωνο στο χέρι μέχρι την καρέκλα από κάτω σας. Ακόμα κι εσύ είσαι φτιαγμένος από ύλη. Η ύλη υπάρχει σε έως και οκτώ διαφορετικές καταστάσεις, αν και μόνο τέσσερις από αυτές εμφανίζονται φυσικά. Ποιες είναι οι διαφορετικές καταστάσεις της ύλης και πού μπορείτε να τις δείτε στην καθημερινή σας ζωή;
Τι είναι η ύλη;
Γνωρίζουμε ότι τα πάντα είναι φτιαγμένα από ύλη, αλλά τι είναι η ύλη; Για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα, πρέπει να δούμε τα υλικά που αποτελούν τα πάντα στο σύμπαν - τα υποατομικά σωματίδια. Όλα όσα μπορούμε να δούμε, να ακούσουμε, να μυρίσουμε, να γευτούμε και να αγγίξουμε αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία — πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Κάθε άτομο έχει έναν πυρήνα με θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα φορτισμένα νετρόνια. Αυτά τα άτομα έχουν επίσης κελύφη που περιβάλλουν τον πυρήνα και είναι γεμάτα με αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που μπορούν να μετακινηθούν από άτομο σε άτομο. Η κίνηση αυτών των ατόμων καθορίζει την κατάσταση της ύλης. Πώς μοιάζει καθεμία από αυτές τις καταστάσεις;
Ακίνητα Στερεά
Αρχικά, θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα στερεά. Όταν κάνουμε μεγέθυνση σε ατομικό επίπεδο, βλέπουμε ότι τα άτομα που αποτελούν τα στερεά αντικείμενα στο σπίτι σας και στον κόσμο γύρω σας δεν κινούνται πολύ — ή καθόλου. Είναι απίστευτα πυκνά, με σφιχτά συσκευασμένα σωματίδια που δεν έχουν χώρο να κουνηθούν. Αυτό δεν σημαίνει ότι τα άτομα στα στερεά δεν κινούνται καθόλου. Αντίθετα, αυτά τα άτομα δονούνται. Αλλά επειδή υπάρχουν τόσα πολλά από αυτά σε ένα μικρό χώρο, δεν μπορούν να ταξιδέψουν. Πολλά στοιχεία μετατρέπονται σε στερεά όταν φτάσουν σε αρκετά χαμηλή θερμοκρασία. Ο πάγος, για παράδειγμα, είναι η στερεά μορφή του νερού που εμφανίζεται σε θερμοκρασίες κάτω από 32° F.
Μεταβλητά υγρά
Στη συνέχεια, έχουμε τη δεύτερη κατάσταση της ύλης - τα υγρά. Εάν πίνετε ένα ποτήρι νερό, σόδα ή οποιοδήποτε άλλο ρόφημα, τότε έχετε ένα υγρό στο φλιτζάνι σας. Έχουν όγκο και παίρνουν το σχήμα οποιουδήποτε δοχείου τα βάζετε. Αυτή η μορφή τείνει να είναι η μέση κατάσταση της ύλης. Τα αέρια μπορεί να γίνουν υγρά καθώς κρυώνουν. Τα στερεά μπορεί να γίνουν υγρά καθώς θερμαίνονται. Τα άτομα στα υγρά μπορούν να επιταχυνθούν και να επιβραδυνθούν ανάλογα με τη θερμοκρασία τους, αλλά δεν θα συμπυκνωθούν αρκετά για να σχηματίσουν στερεά εκτός εάν υπάρξουν δραματικές αλλαγές στη θερμοκρασία. Τα υγρά είναι λιγότερο πυκνά από τα στερεά και τα άτομα μπορούν να κινούνται ελεύθερα, αλλά είναι δύσκολο να συμπιεστούν.
Άμορφα αέρια
Καθώς τα άτομα επιταχύνονται, μετακινούνται στην τρίτη κατάσταση της ύλης - το αέριο. Αυτά τα σωματίδια έχουν πολλή κινητική ενέργεια και ταξιδεύουν απίστευτα γρήγορα. Τα αέρια δεν έχουν σχήμα και επίσης στερούνται όγκου, οπότε αν τα απελευθερώσετε από το δοχείο τους, τα αέρια άτομα θα διαλυθούν στην ατμόσφαιρα. Σε αντίθεση με τα υγρά, μπορείτε να συμπιέσετε αέρια. Θα βρείτε συμπιεσμένα αέρια - από οξυγόνο και άζωτο έως προπάνιο και άλλα καύσιμα - σε δεξαμενές σε κάθε είδους διαφορετικές καταστάσεις. Πάρε μια βαθιά ανάσα. Ο αέρας που αναπνέετε αποτελείται από πολλά αέρια. Η ατμόσφαιρά μας αποτελείται από 78% άζωτο, 21% οξυγόνο, 0,9% αργό και ίχνη άλλων αερίων. Ο ατμός που σφυρίζει από ένα βραστήρα είναι νερό στην αέρια μορφή του.
Εμπρηστικό πλάσμα
Η τελευταία φυσική κατάσταση της ύλης δεν είναι κάτι που θα βρείτε συχνά σε αυτόν τον πλανήτη. Ωστόσο, γίνεται πιο συνηθισμένο μόλις φύγετε από την ατμόσφαιρα. Σύμφωνα με επιστήμονες στο Εργαστήριο Τζέφερσον, μπορεί να είναι η πιο άφθονη μορφή ύλης στο σύμπαν. Αν κοιτάξετε ψηλά στον νυχτερινό ουρανό, οι περισσότερες από τις μικρές κουκκίδες που βλέπετε είναι παραδείγματα της τέταρτης κατάστασης της ύλης. Αστέρια είναι απλώς καίγοντας μπάλες πλάσματος που κρέμονται στο κενό. Υπάρχουν τρόποι για την παραγωγή μικρών ποσοτήτων πλάσματος εδώ στη Γη, αλλά δεν είναι πάντα η ασφαλέστερη επιλογή. Η έκθεση τροφίμων όπως τα σταφύλια σε ακτινοβολία μικροκυμάτων θα δημιουργήσει πλάσμα στον φούρνο μικροκυμάτων σας — αλλά πιθανότατα θα καταστρέψετε τη συσκευή κατά τη διαδικασία.
Μεταβαλλόμενες καταστάσεις:Μεταβάσεις φάσης
Οι τέσσερις κύριες καταστάσεις της ύλης δεν μένουν πάντα ίδιες. Οι μεταβάσεις φάσης συμβαίνουν όταν μια κατάσταση της ύλης μεταβαίνει σε μια άλλη. Υπάρχουν οκτώ βασικοί τρόποι με τους οποίους μπορεί να συμβεί αυτό.
Όταν εφαρμόζετε θερμότητα σε ένα στερεό και αυτό γίνεται υγρό, αυτό είναι γνωστό ως τήξη . Δεν χρειάζεστε υψηλές θερμοκρασίες για να λιώσετε κάτι - ο πάγος είναι ένα στερεό που λιώνει σε υγρό νερό λίγο πάνω από τους 32°F. Στην αντίθετη πλευρά του νομίσματος, έχετε πάγωμα όταν ένα υγρό γίνεται στερεό. Όλα τα υγρά εκτός από το υγρό ήλιο στερεοποιούνται όταν κρυώσουν αρκετά ώστε να φτάσουν στο σημείο πήξης τους.
Επιστρέψαμε στη ζέστη τώρα. Η εφαρμογή θερμότητας σε ένα υγρό μέχρι να μεταφερθεί σε αέρια κατάσταση είναι μια μετάβαση φάσης γνωστή ως εξάτμιση . Ο ατμός που κάνει το βραστήρα σας να σφυρίζει είναι το τέλειο παράδειγμα ατμίσματος. Όταν αυτός ο ατμός μετατρέπεται ξανά σε υγρό, είναι γνωστό ως συμπύκνωση . Αυτό συμβαίνει συνήθως όταν ο ατμός έρχεται σε επαφή με κάτι αρκετά κρύο ώστε να τον επαναφέρει σε υγρή κατάσταση.
Μερικές φορές είναι δυνατό να παραλείψετε εντελώς το μεσαίο στάδιο των μεταβάσεων φάσης. Είναι δυνατόν ένα αέριο να γίνει στερεό ή ένα στερεό να γίνει αέριο. Το πρώτο ονομάζεται απόθεση και χρησιμοποιείται συχνότερα για τη δημιουργία κατόπτρων με ασήμι, όπου ο ατμός αργύρου αιωρείται σε ένα θάλαμο μέχρι να εφαρμοστεί ομοιόμορφα σε μια επιφάνεια. Το τελευταίο ονομάζεται εξάχνωση , που βλέπουμε πιο συχνά σε ξηρό πάγο. Ο ξηρός πάγος είναι το παγωμένο διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο είναι πολύ δύσκολο να περάσει σε υγρή κατάσταση υπό κανονικές συνθήκες. Όταν αρχίζει να λιώνει, παρακάμπτει εντελώς το υγρό στάδιο, επιστρέφοντας απευθείας στην αέρια κατάσταση. Η εξάχνωση είναι επίσης αυτό που συμβαίνει μέσα στα ψυγεία — η εισαγωγή ενός κενού στα κατεψυγμένα τρόφιμα καθώς θερμαίνονται αργά επιτρέπει στο νερό μέσα να εξαχνωθεί, δημιουργώντας τα τέλεια τρόφιμα επιβίωσης για μακροχρόνια αποθήκευση.
Τώρα παίζουμε ξανά με το πλάσμα. Ιοντισμός εμφανίζεται όταν ένα αέριο αναφλέγεται και γίνεται πλάσμα. Μπορείτε να το δείτε από πρώτο χέρι σε παιχνίδια με μπάλα πλάσματος — γι' αυτό και δεν θα λειτουργούν πια εάν σπάσετε το γυαλί ή αφήσετε τα αέρια να διαφύγουν. Ανασυνδυασμός συμβαίνει όταν το πλάσμα αφήνεται να επιστρέψει στην αέρια του κατάσταση. Οι επιγραφές νέον είναι το τέλειο παράδειγμα ανασυνδυασμού. Όταν το σήμα είναι αναμμένο, ο ηλεκτρισμός αντιδρά με τα ευγενή αέρια για να δημιουργήσει πλάσμα. Όταν είναι απενεργοποιημένο, το πλάσμα αφήνεται να επιστρέψει στην αέρια κατάσταση μέχρι να χρειαστεί ξανά.
Μπόνους:Συμπύκνωμα Bose-Einstein
Έχουμε μελετήσει τις τέσσερις κύριες καταστάσεις της ύλης για αιώνες, αλλά μόλις τη δεκαετία του 1990 ανακαλύψαμε και δημιουργήσαμε την πέμπτη κατάσταση της ύλης σε ένα εργαστήριο. Η διαδικασία δημιουργίας του μπορεί να είναι αρκετά περίπλοκη - δεν συμβαίνει στη φύση. Αρχικά, παίρνετε μερικά καθαρά άτομα του αγαπημένου σας στοιχείου. Μετά τα κρυώνετε λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν. Σε αυτή την απίστευτα χαμηλή θερμοκρασία, τα μεμονωμένα σωματίδια δεν έχουν σχεδόν καθόλου ενέργεια για να κινηθούν. Αυτή η υπερ-ψυγμένη κατάσταση μετατρέπει το στοιχείο σε κάτι πέρα από τη στερεά κατάσταση. Ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein συμβαίνει όταν τα σωματίδια μοιάζουν τόσο πολύ που λειτουργούν σαν ένα γιγάντιο υπεράτομο.
Μπόνους:Μερικές επιπλέον πολιτείες
Καθώς η επιστήμη προχωρά, συνεχίζουμε να βρίσκουμε νέες καταστάσεις ύλης, αν και θα τις βρείτε μόνο σε ένα εργαστήριο ή στα βάθη του διαστήματος. Τα φερμιονικά συμπυκνώματα είναι παρόμοια με τα συμπυκνώματα Bose-Einstein, μειώνοντας τα άτομα σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες για να δημιουργήσουν υπεραγωγούς. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν αυτή την κατάσταση της ύλης το 2003. Καθώς κοιτάζουμε προς τα άστρα, βρίσκουμε δύο διαφορετικές καταστάσεις ύλης. Το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων είναι μια από τις παλαιότερες καταστάσεις της ύλης, που υπάρχει για λίγα μόλις χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και τη γέννηση του σύμπαντος. Οι φυσικοί κατάφεραν τελικά να αναπαράγουν αυτά τα στοιχεία της αρχής του σύμπαντος. Ο Σχετικιστικός Επιταχυντής Βαρέων Ιόντων στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven συγκρούστηκε με ιόντα χρυσού τόσο γρήγορα που πλησίασαν την ταχύτητα του φωτός. Αυτή η κατάσταση της ύλης φθάνει σε θερμοκρασίες σχεδόν 4 τρισεκατομμύρια C. Στη συνέχεια, στον πυρήνα των μεγάλων άστρων, βρήκαμε εκφυλισμένη ύλη — υπερσυμπιεσμένο αέριο που δρα σαν στερεό. Τα εκφυλισμένα αστέρια είναι μικρότερα αλλά περιέχουν μεγαλύτερη μάζα από τα κανονικά αστέρια του ίδιου μεγέθους.
Οι πολλές καταστάσεις της ύλης
Μπορεί να έχετε μάθει για τις τέσσερις φυσικές καταστάσεις της ύλης, αλλά δεν είναι οι μόνες που υπάρχουν στο σύμπαν – και μπορεί να υπάρχουν πολλές ακόμη που δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμη. Ρίξτε μια ματιά γύρω σας — ποια στερεά, υγρά και αέρια μπορείτε να αναγνωρίσετε στον κόσμο γύρω σας;
