Pengetahuan yang paling luas adalah tentang tiga keadaan agregasi: cair, padat, gas, kadang-kadang mereka berpikir tentang plasma, lebih jarang kristal cair. Baru-baru ini, daftar 17 fase materi, yang diambil dari () Stephen Fry yang terkenal, telah menyebar di Internet. Karena itu, kami akan membicarakannya secara lebih rinci, karena. orang harus tahu lebih banyak tentang materi, jika hanya untuk lebih memahami proses yang terjadi di Alam Semesta.

Daftar keadaan agregat materi yang diberikan di bawah ini meningkat dari keadaan terdingin ke terpanas, dan seterusnya. dapat dilanjutkan. Pada saat yang sama, harus dipahami bahwa dari keadaan gas (No. 11), yang paling "diperluas", di kedua sisi daftar, tingkat kompresi zat dan tekanannya (dengan beberapa reservasi untuk yang belum dijelajahi tersebut keadaan hipotetis sebagai kuantum, sinar, atau simetris lemah) meningkat Setelah teks grafik visual transisi fase materi diberikan.

1. kuantum- keadaan agregasi materi, dicapai ketika suhu turun ke nol mutlak, sebagai akibatnya ikatan internal hilang dan materi hancur menjadi quark bebas.

2. Kondensat Bose-Einstein- keadaan agregat materi, yang didasarkan pada boson yang didinginkan hingga suhu mendekati nol mutlak (kurang dari sepersejuta derajat di atas nol mutlak). Dalam keadaan sangat dingin seperti itu, sejumlah besar atom menemukan diri mereka dalam keadaan kuantum seminimal mungkin, dan efek kuantum mulai memanifestasikan dirinya pada tingkat makroskopik. Kondensat Bose-Einstein (sering disebut sebagai "Kondensat Bose" atau hanya "belakang") terjadi ketika Anda mendinginkan elemen kimia ke suhu yang sangat rendah (biasanya tepat di atas nol mutlak, minus 273 derajat Celcius). , adalah suhu teoretis. di mana semuanya berhenti bergerak).
Di sinilah hal-hal aneh mulai terjadi. Proses yang biasanya hanya dapat diamati pada tingkat atom sekarang terjadi pada skala yang cukup besar untuk diamati dengan mata telanjang. Misalnya, jika Anda memasukkan "punggung" ke dalam gelas kimia dan memberikan suhu yang diinginkan, zat tersebut akan mulai merangkak naik ke dinding dan akhirnya keluar dengan sendirinya.
Rupanya, di sini kita berhadapan dengan upaya sia-sia oleh materi untuk menurunkan energinya sendiri (yang sudah berada di level terendah dari semua level yang mungkin).
Memperlambat atom menggunakan peralatan pendingin menghasilkan keadaan kuantum tunggal yang dikenal sebagai kondensat Bose, atau Bose-Einstein. Fenomena ini diprediksi pada tahun 1925 oleh A. Einstein, sebagai hasil dari generalisasi karya S. Bose, di mana mekanika statistik dibangun untuk partikel, mulai dari foton tak bermassa hingga atom bermassa (naskah Einstein, yang dianggap hilang, ditemukan di perpustakaan Universitas Leiden pada tahun 2005). Hasil usaha Bose dan Einstein adalah konsep gas Bose yang mematuhi statistik Bose-Einstein, yang menggambarkan distribusi statistik partikel identik dengan putaran bilangan bulat, yang disebut boson. Boson, yang, misalnya, merupakan partikel dasar individu - foton, dan seluruh atom, dapat berada satu sama lain dalam keadaan kuantum yang sama. Einstein menyarankan bahwa atom pendingin - boson ke suhu yang sangat rendah akan menyebabkan mereka pergi (atau, dengan kata lain, mengembun) ke keadaan kuantum serendah mungkin. Hasil kondensasi seperti itu adalah munculnya bentuk materi baru.
Transisi ini terjadi di bawah suhu kritis, yaitu untuk gas tiga dimensi homogen yang terdiri dari partikel yang tidak berinteraksi tanpa derajat kebebasan internal.

3. Kondensat fermionik- keadaan agregasi suatu zat, mirip dengan penyangga, tetapi berbeda dalam strukturnya. Ketika mendekati nol mutlak, atom berperilaku berbeda tergantung pada besarnya momentum sudut mereka sendiri (spin). Boson memiliki putaran bilangan bulat, sedangkan fermion memiliki putaran yang merupakan kelipatan 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermion mematuhi prinsip pengecualian Pauli, yang menyatakan bahwa dua fermion tidak dapat memiliki keadaan kuantum yang sama. Untuk boson, tidak ada larangan seperti itu, dan karena itu mereka memiliki kesempatan untuk eksis dalam satu keadaan kuantum dan dengan demikian membentuk apa yang disebut kondensat Bose-Einstein. Proses pembentukan kondensat ini bertanggung jawab untuk transisi ke keadaan superkonduktor.
Elektron memiliki spin 1/2 dan karena itu merupakan fermion. Mereka bergabung menjadi pasangan (disebut pasangan Cooper), yang kemudian membentuk kondensat Bose.
Ilmuwan Amerika berusaha mendapatkan sejenis molekul dari atom fermion dengan pendinginan yang dalam. Perbedaan dari molekul nyata adalah bahwa tidak ada ikatan kimia antara atom-atom - mereka hanya bergerak bersama dengan cara yang berkorelasi. Ikatan antar atom ternyata lebih kuat daripada ikatan antar elektron pada pasangan Cooper. Untuk pasangan fermion yang terbentuk, putaran total tidak lagi kelipatan 1/2, oleh karena itu, mereka sudah berperilaku seperti boson dan dapat membentuk kondensat Bose dengan keadaan kuantum tunggal. Selama percobaan, gas dengan atom kalium-40 didinginkan hingga 300 nanokelvin, sementara gas tersebut ditutup dalam apa yang disebut perangkap optik. Kemudian medan magnet eksternal diterapkan, dengan bantuan yang memungkinkan untuk mengubah sifat interaksi antara atom - alih-alih tolakan yang kuat, daya tarik yang kuat mulai diamati. Saat menganalisis pengaruh medan magnet, adalah mungkin untuk menemukan nilai di mana atom mulai berperilaku seperti pasangan elektron Cooper. Pada tahap percobaan berikutnya, para ilmuwan mengusulkan untuk mendapatkan efek superkonduktivitas untuk kondensat fermionik.

4. Materi superfluida- keadaan di mana zat hampir tidak memiliki viskositas, dan ketika mengalir, zat itu tidak mengalami gesekan dengan permukaan padat. Konsekuensi dari ini, misalnya, adalah efek yang menarik seperti "merambat" helium superfluida spontan dari bejana di sepanjang dindingnya melawan gravitasi. Tentu saja, tidak ada pelanggaran hukum kekekalan energi di sini. Dengan tidak adanya gaya gesekan, hanya gaya gravitasi yang bekerja pada helium, gaya interaksi interatomik antara helium dan dinding bejana dan antara atom helium. Jadi, kekuatan interaksi antar atom melebihi semua kekuatan lain yang digabungkan. Akibatnya, helium cenderung menyebar sebanyak mungkin ke semua permukaan yang mungkin, dan karena itu "berjalan" di sepanjang dinding bejana. Pada tahun 1938, ilmuwan Soviet Pyotr Kapitsa membuktikan bahwa helium dapat eksis dalam keadaan superfluida.
Perlu dicatat bahwa banyak sifat helium yang tidak biasa telah diketahui selama beberapa waktu. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, unsur kimia ini telah "memanjakan" kita dengan efek yang menarik dan tidak terduga. Jadi, pada tahun 2004, Moses Chan dan Eun-Syong Kim dari University of Pennsylvania menggelitik dunia ilmiah dengan mengklaim bahwa mereka telah berhasil memperoleh keadaan helium yang benar-benar baru - padatan superfluida. Dalam keadaan ini, beberapa atom helium dalam kisi kristal dapat mengalir di sekitar yang lain, dan dengan demikian helium dapat mengalir melalui dirinya sendiri. Efek "superhardness" secara teoritis diprediksi kembali pada tahun 1969. Dan pada tahun 2004 - seolah-olah konfirmasi eksperimental. Namun, eksperimen kemudian dan sangat aneh menunjukkan bahwa semuanya tidak sesederhana itu, dan, mungkin, interpretasi fenomena seperti itu, yang sebelumnya diambil untuk superfluiditas helium padat, tidak benar.
Eksperimen ilmuwan yang dipimpin oleh Humphrey Maris dari Brown University di Amerika Serikat itu sederhana dan elegan. Para ilmuwan menempatkan tabung reaksi terbalik ke dalam tangki tertutup helium cair. Bagian dari helium di dalam tabung reaksi dan di dalam tangki dibekukan sedemikian rupa sehingga batas antara cair dan padat di dalam tabung reaksi lebih tinggi daripada di dalam tangki. Dengan kata lain, ada helium cair di bagian atas tabung, helium padat di bagian bawah, dengan lancar mengalir ke fase padat tangki, di mana sedikit helium cair dituangkan - lebih rendah dari tingkat cairan di dalam tabung. tabung reaksi. Jika helium cair mulai merembes melalui padatan, maka perbedaan level akan berkurang, dan kemudian kita dapat berbicara tentang helium superfluida padat. Dan pada prinsipnya, dalam tiga dari 13 percobaan, perbedaan level memang berkurang.

5. Materi super keras- keadaan agregasi di mana materi transparan dan dapat "mengalir" seperti cairan, tetapi sebenarnya tidak memiliki viskositas. Cairan seperti itu telah dikenal selama bertahun-tahun dan disebut superfluida. Faktanya adalah bahwa jika superfluida diaduk, itu akan bersirkulasi hampir selamanya, sedangkan cairan normal pada akhirnya akan tenang. Dua superfluida pertama diciptakan oleh para peneliti menggunakan helium-4 dan helium-3. Mereka didinginkan hampir ke nol mutlak - hingga minus 273 derajat Celcius. Dan dari helium-4, ilmuwan Amerika berhasil mendapatkan tubuh superhard. Mereka mengompres helium beku dengan tekanan lebih dari 60 kali, dan kemudian gelas berisi zat itu dipasang pada piringan yang berputar. Pada suhu 0,175 derajat Celcius, piringan tiba-tiba mulai berputar lebih bebas, yang menurut para ilmuwan, menunjukkan bahwa helium telah menjadi superbody.

6. Padat- keadaan agregasi materi, dicirikan oleh stabilitas bentuk dan sifat gerakan termal atom, yang membuat getaran kecil di sekitar posisi kesetimbangan. Keadaan stabil padatan adalah kristal. Membedakan zat padat dengan ikatan ionik, kovalen, logam, dan jenis ikatan antar atom lainnya, yang menentukan variasi sifat fisiknya. Sifat listrik dan beberapa sifat zat padat lainnya terutama ditentukan oleh sifat gerak elektron terluar atom-atomnya. Menurut sifat listriknya, zat padat dibagi menjadi dielektrik, semikonduktor, dan logam; menurut sifat magnetiknya, zat padat dibagi menjadi diamagnet, paramagnet, dan benda dengan struktur magnet yang teratur. Penyelidikan sifat-sifat benda padat telah menyatu menjadi bidang besar—fisika benda padat, yang perkembangannya dirangsang oleh kebutuhan teknologi.

7. Padatan amorf- keadaan agregasi zat yang kental, ditandai dengan isotropi sifat fisik karena susunan atom dan molekul yang tidak teratur. Dalam padatan amorf, atom bergetar di sekitar titik yang terletak secara acak. Berbeda dengan keadaan kristal, transisi dari amorf padat ke cair terjadi secara bertahap. Berbagai zat berada dalam keadaan amorf: gelas, resin, plastik, dll.

8. Kristal cair- ini adalah keadaan agregasi spesifik suatu zat di mana ia secara bersamaan menunjukkan sifat-sifat kristal dan cairan. Kita harus segera membuat reservasi bahwa tidak semua zat bisa berada dalam keadaan kristal cair. Namun, beberapa zat organik dengan molekul kompleks dapat membentuk keadaan agregasi tertentu - kristal cair. Keadaan ini dilakukan selama pencairan kristal zat tertentu. Ketika mereka meleleh, fase kristal cair terbentuk, yang berbeda dari cairan biasa. Fase ini ada dalam kisaran dari suhu leleh kristal hingga suhu yang lebih tinggi, ketika dipanaskan hingga kristal cair berubah menjadi cairan biasa.
Bagaimana kristal cair berbeda dari cairan dan kristal biasa dan bagaimana kemiripannya dengan mereka? Seperti cairan biasa, kristal cair memiliki fluiditas dan berbentuk wadah di mana ia ditempatkan. Dalam hal ini berbeda dari kristal yang diketahui semua orang. Namun, terlepas dari sifat ini, yang menyatukannya dengan cairan, ia memiliki karakteristik sifat kristal. Ini adalah urutan dalam ruang molekul yang membentuk kristal. Benar, urutan ini tidak selengkap pada kristal biasa, tetapi, bagaimanapun, itu secara signifikan mempengaruhi sifat-sifat kristal cair, yang membedakannya dari cairan biasa. Urutan spasial yang tidak lengkap dari molekul-molekul yang membentuk kristal cair memanifestasikan dirinya dalam kenyataan bahwa dalam kristal cair tidak ada keteraturan lengkap dalam pengaturan spasial pusat gravitasi molekul, meskipun mungkin ada keteraturan parsial. Ini berarti bahwa mereka tidak memiliki kisi kristal yang kaku. Oleh karena itu, kristal cair, seperti cairan biasa, memiliki sifat fluiditas.
Sifat wajib kristal cair, yang membawa mereka lebih dekat ke kristal biasa, adalah adanya keteraturan dalam orientasi spasial molekul. Urutan orientasi seperti itu dapat memanifestasikan dirinya, misalnya, dalam kenyataan bahwa semua sumbu panjang molekul dalam sampel kristal cair diorientasikan dengan cara yang sama. Molekul-molekul ini harus memiliki bentuk memanjang. Selain urutan sumbu molekul yang paling sederhana, urutan orientasi molekul yang lebih kompleks dapat diwujudkan dalam kristal cair.
Tergantung pada jenis urutan sumbu molekul, kristal cair dibagi menjadi tiga jenis: nematic, smectic dan cholesteric.
Penelitian tentang fisika kristal cair dan aplikasinya saat ini sedang dilakukan secara luas di semua negara paling maju di dunia. Penelitian dalam negeri terkonsentrasi baik di lembaga penelitian akademis dan industri dan memiliki tradisi panjang. Karya-karya V.K. Frederiks ke V.N. Tsvetkov. Dalam beberapa tahun terakhir, studi cepat kristal cair, peneliti Rusia juga memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pengembangan teori kristal cair secara umum dan, khususnya, optik kristal cair. Jadi, karya-karya I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov dan banyak peneliti Soviet lainnya dikenal luas oleh komunitas ilmiah dan berfungsi sebagai dasar untuk sejumlah aplikasi teknis yang efektif dari kristal cair.
Keberadaan kristal cair sudah sangat lama diketahui, yaitu pada tahun 1888, yaitu hampir seabad yang lalu. Meskipun para ilmuwan telah menemukan keadaan materi ini sebelum tahun 1888, secara resmi ditemukan kemudian.
Yang pertama menemukan kristal cair adalah ahli botani Austria Reinitzer. Menyelidiki zat baru cholesteryl benzoate yang disintesis olehnya, ia menemukan bahwa pada suhu 145 ° C, kristal zat ini meleleh, membentuk cairan keruh yang sangat menghamburkan cahaya. Dengan pemanasan lanjutan, setelah mencapai suhu 179 ° C, cairan menjadi jernih, yaitu, mulai berperilaku optik seperti cairan biasa, seperti air. Kolesterol benzoat menunjukkan sifat yang tidak terduga pada fase keruh. Meneliti fase ini di bawah mikroskop polarisasi, Reinitzer menemukan bahwa ia memiliki birefringence. Ini berarti bahwa indeks bias cahaya, yaitu kecepatan cahaya dalam fase ini, bergantung pada polarisasi.

9. Cairan- keadaan agregasi suatu zat, menggabungkan fitur keadaan padat (kekekalan volume, kekuatan tarik tertentu) dan keadaan gas (variabilitas bentuk). Cairan dicirikan oleh keteraturan jarak pendek dalam susunan partikel (molekul, atom) dan perbedaan kecil dalam energi kinetik dari gerakan termal molekul dan energi potensial interaksinya. Gerakan termal molekul cair terdiri dari osilasi di sekitar posisi kesetimbangan dan lompatan yang relatif jarang dari satu posisi setimbang ke posisi setimbang lainnya, yang dikaitkan dengan fluiditas cairan.

10. Cairan superkritis(GFR) adalah keadaan agregasi suatu zat, di mana perbedaan antara fase cair dan gas menghilang. Setiap zat pada suhu dan tekanan di atas titik kritis adalah cairan superkritis. Sifat-sifat zat dalam keadaan superkritis adalah perantara antara sifat-sifatnya dalam fase gas dan cair. Dengan demikian, SCF memiliki densitas tinggi, dekat dengan cairan, dan viskositas rendah, seperti gas. Koefisien difusi dalam hal ini memiliki nilai antara antara cair dan gas. Zat dalam keadaan superkritis dapat digunakan sebagai pengganti pelarut organik dalam proses laboratorium dan industri. Air superkritis dan karbon dioksida superkritis telah menerima minat dan distribusi terbesar sehubungan dengan sifat-sifat tertentu.
Salah satu sifat terpenting dari keadaan superkritis adalah kemampuan untuk melarutkan zat. Dengan mengubah suhu atau tekanan fluida, seseorang dapat mengubah sifat-sifatnya dalam rentang yang luas. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mendapatkan cairan yang sifatnya dekat dengan cairan atau gas. Dengan demikian, daya larut cairan meningkat dengan meningkatnya kepadatan (pada suhu konstan). Karena densitas meningkat dengan meningkatnya tekanan, mengubah tekanan dapat mempengaruhi daya larut fluida (pada suhu konstan). Dalam kasus suhu, ketergantungan sifat fluida agak lebih rumit - pada kerapatan konstan, daya larut fluida juga meningkat, tetapi di dekat titik kritis, sedikit peningkatan suhu dapat menyebabkan penurunan tajam dalam kerapatan, dan, karenanya, melarutkan kekuatan. Fluida superkritis bercampur satu sama lain tanpa batas, sehingga ketika titik kritis campuran tercapai, sistem akan selalu fase tunggal. Perkiraan suhu kritis campuran biner dapat dihitung sebagai rata-rata aritmatika dari parameter kritis zat Tc(campuran) = (fraksi mol A) x TcA + (fraksi mol B) x TcB.

11. Gas- (Gaz Prancis, dari kekacauan Yunani - kekacauan), keadaan agregat materi, di mana energi kinetik dari gerakan termal partikelnya (molekul, atom, ion) secara signifikan melebihi energi potensial interaksi di antara mereka, dan oleh karena itu partikel bergerak bebas, mengisi secara seragam tanpa adanya medan eksternal, seluruh volume disediakan untuk mereka.

12. Plasma- (dari plasma Yunani - kuno, berbentuk), keadaan materi, yang merupakan gas terionisasi, di mana konsentrasi muatan positif dan negatif adalah sama (semu netral). Sebagian besar materi di Alam Semesta berada dalam keadaan plasma: bintang, nebula galaksi, dan medium antarbintang. Di dekat Bumi, plasma ada dalam bentuk angin matahari, magnetosfer, dan ionosfer. Plasma suhu tinggi (T ~ 106 - 108 K) dari campuran deuterium dan tritium sedang diselidiki dengan tujuan menerapkan fusi termonuklir terkendali. Plasma suhu rendah (T 105K) digunakan dalam berbagai perangkat pelepasan gas (laser gas, perangkat ion, generator MHD, obor plasma, mesin plasma, dll.), serta dalam teknologi (lihat Metalurgi plasma, Pengeboran plasma, teknologi plasma).

13. Materi yang merosot- adalah tahap peralihan antara plasma dan neutronium. Ini diamati pada katai putih dan memainkan peran penting dalam evolusi bintang. Ketika atom berada di bawah kondisi suhu dan tekanan yang sangat tinggi, mereka kehilangan elektronnya (mereka berubah menjadi gas elektron). Dengan kata lain, mereka sepenuhnya terionisasi (plasma). Tekanan gas tersebut (plasma) ditentukan oleh tekanan elektron. Jika densitas sangat tinggi, semua partikel dipaksa untuk mendekati satu sama lain. Elektron dapat berada dalam keadaan dengan energi tertentu, dan dua elektron tidak dapat memiliki energi yang sama (kecuali jika spinnya berlawanan). Jadi, dalam gas padat, semua tingkat energi yang lebih rendah ternyata diisi dengan elektron. Gas seperti itu disebut degenerasi. Dalam keadaan ini, elektron menunjukkan tekanan elektron merosot yang melawan gaya gravitasi.

14. Neutronium— keadaan agregasi di mana materi lewat di bawah tekanan sangat tinggi, yang belum dapat dicapai di laboratorium, tetapi ada di dalam bintang neutron. Selama transisi ke keadaan neutron, elektron materi berinteraksi dengan proton dan berubah menjadi neutron. Akibatnya, materi dalam keadaan neutron seluruhnya terdiri dari neutron dan memiliki kerapatan orde nuklir. Suhu zat dalam hal ini tidak boleh terlalu tinggi (dalam energi yang setara, tidak lebih dari seratus MeV).
Dengan peningkatan suhu yang kuat (ratusan MeV ke atas), dalam keadaan neutron, berbagai meson mulai lahir dan musnah. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, dekoneksi terjadi, dan materi masuk ke keadaan plasma quark-gluon. Itu tidak lagi terdiri dari hadron, tetapi dari quark dan gluon yang terus-menerus lahir dan menghilang.

15. Plasma kuark-gluon(kromoplasma) adalah keadaan agregat materi dalam fisika energi tinggi dan fisika partikel elementer, di mana materi hadronik masuk ke keadaan yang mirip dengan keadaan di mana elektron dan ion berada dalam plasma biasa.
Biasanya materi dalam hadron berada dalam keadaan yang disebut tidak berwarna ("putih"). Artinya, quark dengan warna berbeda saling mengimbangi. Keadaan serupa ada dalam materi biasa - ketika semua atom netral secara listrik, yaitu,
muatan positif di dalamnya dikompensasi oleh yang negatif. Pada suhu tinggi, ionisasi atom dapat terjadi, sementara muatan dipisahkan, dan zat menjadi, seperti yang mereka katakan, "semu netral". Artinya, seluruh awan materi secara keseluruhan tetap netral, dan partikel individualnya berhenti menjadi netral. Agaknya, hal yang sama dapat terjadi dengan materi hadronik - pada energi yang sangat tinggi, warna dilepaskan dan membuat zat "semu tidak berwarna".
Agaknya, materi Semesta berada dalam keadaan plasma quark-gluon pada saat-saat pertama setelah Big Bang. Sekarang plasma quark-gluon dapat dibentuk untuk waktu yang singkat dalam tumbukan partikel berenergi sangat tinggi.
Plasma kuark-gluon diperoleh secara eksperimental di akselerator RHIC di Brookhaven National Laboratory pada tahun 2005. Suhu plasma maksimum 4 triliun derajat Celcius diperoleh di sana pada Februari 2010.

16. Zat aneh- keadaan agregasi, di mana materi dikompresi ke nilai batas kepadatan, itu bisa ada dalam bentuk "sup quark". Satu sentimeter kubik materi di negara bagian ini akan memiliki berat miliaran ton; selain itu, ia akan mengubah zat normal apa pun yang bersentuhan dengannya menjadi bentuk "aneh" yang sama dengan pelepasan sejumlah besar energi.
Energi yang dapat dilepaskan selama transformasi substansi inti bintang menjadi "zat aneh" akan menyebabkan ledakan "quark nova" yang sangat kuat - dan, menurut Leahy dan Wyed, justru ledakan ini yang diamati para astronom pada bulan September 2006.
Proses pembentukan zat ini dimulai dengan supernova biasa, di mana bintang masif berubah. Sebagai hasil dari ledakan pertama, sebuah bintang neutron terbentuk. Namun, menurut Leahy dan Wyed, itu tidak berlangsung lama - karena rotasinya tampaknya diperlambat oleh medan magnetnya sendiri, ia mulai menyusut lebih banyak lagi, dengan pembentukan gumpalan "benda aneh", yang menyebabkan bahkan lebih kuat daripada dalam ledakan supernova normal, pelepasan energi - dan lapisan luar zat bintang neutron sebelumnya, terbang ke ruang sekitarnya dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya.

17. Materi yang sangat simetris- ini adalah zat yang dikompresi sedemikian rupa sehingga partikel mikro di dalamnya berlapis satu sama lain, dan tubuh itu sendiri runtuh ke dalam lubang hitam. Istilah "simetri" dijelaskan sebagai berikut: Mari kita ambil keadaan agregat materi yang diketahui semua orang dari bangku sekolah - padat, cair, gas. Untuk kepastian, pertimbangkan kristal tak terbatas yang ideal sebagai padatan. Ini memiliki tertentu, yang disebut simetri diskrit sehubungan dengan terjemahan. Ini berarti bahwa jika kisi kristal digeser dengan jarak yang sama dengan interval antara dua atom, tidak ada yang berubah di dalamnya - kristal akan bertepatan dengan dirinya sendiri. Jika kristal dicairkan, maka simetri cairan yang dihasilkan akan berbeda: itu akan meningkat. Dalam kristal, hanya titik-titik yang berjauhan satu sama lain pada jarak tertentu, yang disebut simpul kisi kristal, di mana atom identik berada, yang setara.
Cairan itu homogen di seluruh volumenya, semua titiknya tidak dapat dibedakan satu sama lain. Ini berarti bahwa cairan dapat dipindahkan oleh jarak sembarang (dan bukan hanya jarak tertentu, seperti dalam kristal) atau diputar oleh sudut sembarang (yang tidak dapat dilakukan dalam kristal sama sekali) dan itu akan bertepatan dengan dirinya sendiri. Derajat simetrinya lebih tinggi. Gas bahkan lebih simetris: cairan menempati volume tertentu di dalam bejana dan ada asimetri di dalam bejana, di mana ada cairan, dan titik-titik di mana tidak ada. Gas, di sisi lain, menempati seluruh volume yang disediakan untuknya, dan dalam pengertian ini semua titiknya tidak dapat dibedakan satu sama lain. Namun demikian, di sini akan lebih tepat untuk berbicara bukan tentang poin, tetapi tentang elemen kecil, tetapi makroskopis, karena pada tingkat mikroskopis masih ada perbedaan. Di beberapa titik waktu ada atom atau molekul, sementara yang lain tidak. Simetri hanya diamati rata-rata, baik dalam beberapa parameter volume makroskopik, atau dalam waktu.
Tetapi masih belum ada simetri instan pada tingkat mikroskopis. Jika zat dikompresi dengan sangat kuat, pada tekanan yang tidak dapat diterima dalam kehidupan sehari-hari, dikompresi sehingga atom-atom dihancurkan, cangkangnya saling menembus, dan inti mulai bersentuhan, simetri muncul pada tingkat mikroskopis. Semua inti adalah sama dan saling menekan, tidak hanya ada jarak antar atom, tetapi juga antar inti, dan zat menjadi homogen (zat asing).
Tetapi ada juga tingkat submikroskopis. Inti terdiri dari proton dan neutron yang bergerak di dalam inti. Ada juga beberapa ruang di antara mereka. Jika Anda terus mengompres sehingga inti juga hancur, nukleon akan saling menekan dengan kuat. Kemudian, pada tingkat submikroskopis, simetri akan muncul, yang bahkan tidak ada di dalam inti biasa.
Dari apa yang telah dikatakan, seseorang dapat melihat kecenderungan yang cukup pasti: semakin tinggi suhu dan semakin tinggi tekanan, semakin simetris zat tersebut. Berdasarkan pertimbangan tersebut, zat yang dimampatkan secara maksimal disebut sangat simetris.

18. Materi simetris lemah- keadaan yang berlawanan dengan materi yang sangat simetris dalam sifat-sifatnya, yang hadir di Alam Semesta paling awal pada suhu yang mendekati suhu Planck, mungkin 10-12 detik setelah Big Bang, ketika gaya kuat, lemah, dan elektromagnetik adalah kekuatan super tunggal . Dalam keadaan ini, materi dikompresi sedemikian rupa sehingga massanya diubah menjadi energi, yang mulai mengembang, yaitu, mengembang tanpa batas. Masih belum mungkin untuk mencapai energi untuk produksi eksperimental negara adidaya dan transfer materi ke fase ini di bawah kondisi terestrial, meskipun upaya semacam itu dilakukan di Large Hadron Collider untuk mempelajari alam semesta awal. Karena tidak adanya interaksi gravitasi dalam komposisi gaya super yang membentuk zat ini, gaya super tidak cukup simetris dibandingkan dengan gaya supersimetris, yang berisi keempat jenis interaksi. Oleh karena itu, keadaan agregasi ini menerima nama seperti itu.

19. Materi radiasi- ini, pada kenyataannya, bukan lagi zat, tetapi energi dalam bentuknya yang paling murni. Namun, keadaan agregasi hipotetis inilah yang akan diambil oleh benda yang telah mencapai kecepatan cahaya. Itu juga dapat diperoleh dengan memanaskan tubuh ke suhu Planck (1032K), yaitu dengan mendispersikan molekul zat dengan kecepatan cahaya. Sebagai berikut dari teori relativitas, ketika kecepatan mencapai lebih dari 0,99 s, massa tubuh mulai tumbuh jauh lebih cepat daripada dengan akselerasi "normal", di samping itu, tubuh memanjang, memanas, yaitu mulai memancar dalam spektrum inframerah. Saat melintasi ambang 0,999 s, tubuh berubah secara radikal dan memulai transisi fase cepat hingga status berkas. Sebagai berikut dari rumus Einstein, diambil secara lengkap, massa tumbuh zat akhir terdiri dari massa yang terpisah dari tubuh dalam bentuk radiasi termal, sinar-X, optik dan lainnya, yang energinya masing-masing adalah dijelaskan oleh istilah berikutnya dalam rumus. Jadi, sebuah benda yang mendekati kecepatan cahaya akan mulai memancar di semua spektrum, bertambah panjang dan melambat dalam waktu, menipis hingga panjang Planck, yaitu, setelah mencapai kecepatan c, benda akan berubah menjadi panjang dan kurus yang tak terhingga. sinar yang bergerak dengan kecepatan cahaya dan terdiri dari foton yang tidak memiliki panjang, dan massanya yang tak terbatas akan sepenuhnya berubah menjadi energi. Karena itu, zat semacam itu disebut radiasi.

Semua zat dapat berada dalam keadaan agregasi yang berbeda - padat, cair, gas, dan plasma. Pada zaman kuno, diyakini: dunia terdiri dari bumi, air, udara dan api. Keadaan agregat zat sesuai dengan pembagian visual ini. Pengalaman menunjukkan bahwa batas-batas antara keadaan agregat sangat arbitrer. Gas pada tekanan rendah dan suhu rendah dianggap ideal, molekul di dalamnya sesuai dengan titik material yang hanya dapat bertumbukan sesuai dengan hukum tumbukan elastis. Gaya interaksi antar molekul pada saat tumbukan dapat diabaikan, tumbukan itu sendiri terjadi tanpa kehilangan energi mekanik. Tetapi dengan bertambahnya jarak antar molekul, interaksi molekul juga harus diperhitungkan. Interaksi ini mulai mempengaruhi transisi dari keadaan gas ke cair atau padat. Berbagai macam interaksi dapat terjadi antar molekul.

Kekuatan interaksi antarmolekul tidak memiliki saturasi, berbeda dari kekuatan interaksi kimia atom, yang mengarah pada pembentukan molekul. Mereka dapat menjadi elektrostatik ketika berinteraksi antara partikel bermuatan. Pengalaman menunjukkan bahwa interaksi mekanika kuantum, yang bergantung pada jarak dan orientasi timbal balik molekul, dapat diabaikan pada jarak antar molekul lebih dari 10 -9 m. Dalam gas yang dijernihkan, dapat diabaikan atau dapat diasumsikan bahwa potensial energi interaksi praktis nol. Pada jarak kecil, energi ini kecil, pada , gaya tarik-menarik saling bekerja

di - saling tolak-menolak dan memaksa

tarik-menarik dan tolak-menolak molekul seimbang dan F = 0. Di sini gaya ditentukan oleh hubungannya dengan energi potensial, tetapi partikel bergerak, memiliki cadangan energi kinetik tertentu

Wah. Biarkan satu molekul menjadi tidak bergerak, dan yang lain bertabrakan dengannya, memiliki pasokan energi seperti itu. Ketika molekul-molekul saling mendekat, gaya tarik-menarik melakukan kerja positif dan energi potensial interaksi mereka berkurang hingga suatu jarak.Pada saat yang sama, energi kinetik (dan kecepatan) meningkat. Ketika jarak menjadi lebih kecil, gaya tarik menarik akan digantikan oleh gaya tolak menolak. Usaha yang dilakukan oleh molekul melawan gaya-gaya ini adalah negatif.

Molekul akan mendekati molekul yang tidak bergerak sampai energi kinetiknya benar-benar diubah menjadi potensial. Jarak minimum d, Molekul yang dapat saling mendekati disebut diameter molekul efektif. Setelah berhenti, molekul akan mulai bergerak menjauh di bawah aksi gaya tolak-menolak dengan kecepatan yang meningkat. Setelah melewati jarak lagi, molekul akan jatuh ke wilayah gaya tarik menarik, yang akan memperlambat pemindahannya. Diameter efektif tergantung pada stok awal energi kinetik, yaitu nilai ini tidak konstan. Pada jarak yang sama dengan energi potensial interaksi memiliki nilai yang sangat besar atau "penghalang" yang mencegah konvergensi pusat-pusat molekul pada jarak yang lebih pendek. Rasio energi potensial rata-rata interaksi dengan energi kinetik rata-rata menentukan keadaan agregat materi: untuk gas untuk cairan, untuk padatan

Media kental adalah cairan dan padatan. Di dalamnya, atom dan molekul terletak dekat, hampir bersentuhan. Jarak rata-rata antara pusat molekul dalam zat cair dan zat padat adalah sekitar (2 -5) 10 -10 m, massa jenisnya kira-kira sama. Jarak antar atom melebihi jarak di mana awan elektron menembus satu sama lain sedemikian rupa sehingga gaya tolak muncul. Sebagai perbandingan, dalam gas dalam kondisi normal, jarak rata-rata antar molekul adalah sekitar 33 10 -10 m.

PADA cairan interaksi antarmolekul lebih jelas, gerakan termal molekul memanifestasikan dirinya dalam osilasi lemah di sekitar posisi kesetimbangan dan bahkan melompat dari satu posisi ke posisi lain. Oleh karena itu, mereka hanya memiliki keteraturan jarak pendek dalam susunan partikel, yaitu konsistensi dalam susunan partikel terdekat saja, dan karakteristik fluiditas.

padatan dicirikan oleh kekakuan struktur, memiliki volume dan bentuk yang ditentukan secara tepat, yang berubah jauh lebih sedikit di bawah pengaruh suhu dan tekanan. Dalam padatan, keadaan amorf dan kristal dimungkinkan. Ada juga zat antara - kristal cair. Tetapi atom-atom dalam padatan sama sekali tidak bergerak, seperti yang mungkin dipikirkan orang. Masing-masing berfluktuasi sepanjang waktu di bawah pengaruh gaya elastis yang muncul di antara tetangga. Sebagian besar unsur dan senyawa memiliki struktur kristal di bawah mikroskop.

Jadi, butiran garam terlihat seperti kubus yang ideal. Dalam kristal, atom tetap pada simpul kisi kristal dan hanya dapat bergetar di dekat simpul kisi. Kristal merupakan padatan sejati, dan padatan seperti plastik atau aspal menempati posisi perantara, seolah-olah, antara padatan dan cairan. Tubuh amorf, seperti cairan, memiliki urutan jarak pendek, tetapi kemungkinan melompat kecil. Jadi, kaca dapat dianggap sebagai cairan yang sangat dingin, yang memiliki viskositas yang meningkat. Kristal cair memiliki fluiditas cairan, tetapi mempertahankan keteraturan susunan atom dan memiliki sifat anisotropi.

Ikatan kimia atom (dan seterusnya) dalam kristal adalah sama seperti dalam molekul. Struktur dan kekakuan benda padat ditentukan oleh perbedaan gaya elektrostatis yang mengikat atom-atom penyusun benda tersebut. Mekanisme yang mengikat atom menjadi molekul dapat mengarah pada pembentukan struktur periodik padat, yang dapat dianggap sebagai makromolekul. Seperti molekul ionik dan kovalen, ada kristal ionik dan kovalen. Kisi-kisi ionik dalam kristal disatukan oleh ikatan ionik (lihat Gambar 7.1). Struktur garam meja sedemikian rupa sehingga setiap ion natrium memiliki enam tetangga - ion klorida. Distribusi ini sesuai dengan energi minimum, yaitu, ketika konfigurasi seperti itu terbentuk, energi maksimum dilepaskan. Oleh karena itu, ketika suhu turun di bawah titik leleh, kecenderungan untuk membentuk kristal murni diamati. Dengan peningkatan suhu, energi kinetik termal cukup untuk memutuskan ikatan, kristal akan mulai meleleh, dan struktur akan runtuh. Polimorfisme kristal adalah kemampuan untuk membentuk keadaan dengan struktur kristal yang berbeda.

Ketika distribusi muatan listrik dalam atom netral berubah, interaksi yang lemah antara tetangga dapat terjadi. Ikatan ini disebut ikatan molekul atau van der Waals (seperti dalam molekul hidrogen). Tetapi gaya tarik-menarik elektrostatik juga dapat timbul antara atom-atom netral, maka tidak terjadi penataan ulang pada kulit-kulit elektron atom. Tolakan timbal balik selama pendekatan kulit elektron menggeser pusat gravitasi muatan negatif relatif terhadap muatan positif. Masing-masing atom menginduksi dipol listrik yang lain, dan ini menyebabkan daya tarik mereka. Ini adalah aksi gaya antarmolekul atau gaya van der Waals, yang memiliki radius aksi yang besar.

Karena atom hidrogen sangat kecil dan elektronnya mudah dipindahkan, ia sering tertarik pada dua atom sekaligus, membentuk ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen juga bertanggung jawab atas interaksi molekul air satu sama lain. Ini menjelaskan banyak sifat unik air dan es (Gambar 7.4).

Ikatan kovalen(atau atom) dicapai karena interaksi internal atom netral. Contoh ikatan semacam itu adalah ikatan dalam molekul metana. Bentuk karbon yang sangat terikat adalah berlian (empat atom hidrogen digantikan oleh empat atom karbon).

Jadi, karbon, yang dibangun di atas ikatan kovalen, membentuk kristal dalam bentuk berlian. Setiap atom dikelilingi oleh empat atom membentuk tetrahedron biasa. Tetapi masing-masing dari mereka secara bersamaan adalah simpul dari tetrahedron tetangga. Dalam kondisi lain, atom karbon yang sama mengkristal menjadi grafit. Dalam grafit, mereka juga dihubungkan oleh ikatan atom, tetapi mereka membentuk bidang sel sarang lebah heksagonal yang mampu memotong. Jarak antara atom yang terletak di simpul segi enam adalah 0,142 nm. Lapisan terletak pada jarak 0,335 nm, mis. terikat lemah, sehingga grafit bersifat plastis dan lunak (Gbr. 7.5). Pada tahun 1990, ada ledakan dalam pekerjaan penelitian, yang disebabkan oleh pesan tentang penerimaan zat baru - fullerit, terdiri dari molekul karbon - fullerene. Bentuk karbon ini bersifat molekuler; Unsur terkecil bukanlah atom, melainkan molekul. Dinamai setelah arsitek R. Fuller, yang pada tahun 1954 menerima paten untuk struktur bangunan dari segi enam dan segi lima yang membentuk belahan bumi. Molekul dari 60 atom karbon dengan diameter 0,71 nm ditemukan pada tahun 1985, kemudian molekul ditemukan, dll. Semuanya memiliki permukaan yang stabil,

tetapi molekul C 60 dan Dengan 70 . Adalah logis untuk mengasumsikan bahwa grafit digunakan sebagai bahan baku untuk sintesis fullerene. Jika demikian, maka jari-jari fragmen heksagonal harus 0,37 nm. Tapi ternyata sama dengan 0,357 nm. Perbedaan 2% ini disebabkan oleh fakta bahwa atom karbon terletak pada permukaan bola di simpul 20 segi enam biasa yang diwarisi dari grafit dan 12 pentahedron biasa, mis. desainnya menyerupai bola sepak. Ternyata ketika "menjahit" menjadi bola tertutup, beberapa segi enam datar berubah menjadi pentahedron. Pada suhu kamar, molekul C 60 mengembun menjadi struktur di mana setiap molekul memiliki 12 tetangga yang berjarak 0,3 nm. Pada T= 349 K, terjadi transisi fase orde pertama - kisi disusun ulang menjadi kisi kubik. Kristal itu sendiri adalah semikonduktor, tetapi ketika logam alkali ditambahkan ke film kristal C 60, superkonduktivitas terjadi pada suhu 19 K. Jika satu atau lain atom dimasukkan ke dalam molekul berongga ini, itu dapat digunakan sebagai dasar untuk menciptakan media penyimpanan dengan kepadatan informasi yang sangat tinggi: kepadatan perekaman akan mencapai 4-10 12 bit/cm2. Sebagai perbandingan, film dari bahan feromagnetik memberikan kerapatan rekaman orde 10 7 bit / cm 2, dan cakram optik, mis. teknologi laser, - 10 8 bit/cm 2 . Karbon ini juga memiliki sifat unik lainnya yang sangat penting dalam kedokteran dan farmakologi.

memanifestasikan dirinya dalam kristal logam ikatan logam, ketika semua atom dalam logam menyumbangkan elektron valensi mereka "untuk penggunaan kolektif". Mereka terikat lemah pada inti atom dan dapat dengan bebas bergerak di sepanjang kisi kristal. Sekitar 2/5 dari unsur kimia adalah logam. Dalam logam (kecuali merkuri), ikatan terbentuk ketika orbital kosong atom logam tumpang tindih dan elektron terlepas karena pembentukan kisi kristal. Ternyata kation kisi diselimuti gas elektron. Ikatan logam terjadi ketika atom saling mendekati pada jarak kurang dari ukuran awan elektron terluar. Dengan konfigurasi ini (prinsip Pauli), energi elektron eksternal meningkat, dan inti tetangga mulai menarik elektron eksternal ini, mengaburkan awan elektron, mendistribusikannya secara merata di atas logam dan mengubahnya menjadi gas elektron. Inilah bagaimana elektron konduksi muncul, yang menjelaskan konduktivitas listrik logam yang tinggi. Dalam kristal ionik dan kovalen, elektron terluar praktis terikat, dan konduktivitas padatan ini sangat rendah, mereka disebut isolator.

Energi internal cairan ditentukan oleh jumlah energi internal subsistem makroskopik di mana ia dapat dibagi secara mental, dan energi interaksi subsistem ini. Interaksi dilakukan melalui gaya molekul dengan jarak sekitar 10 -9 m. Untuk makrosistem, energi interaksi sebanding dengan bidang kontak, sehingga kecil, seperti fraksi lapisan permukaan, tetapi ini tidak perlu. Ini disebut energi permukaan dan harus diperhitungkan dalam masalah yang berkaitan dengan tegangan permukaan. Biasanya, cairan menempati volume yang lebih besar dengan berat yang sama, yaitu, memiliki kerapatan yang lebih rendah. Tetapi mengapa volume es dan bismut berkurang saat mencair dan bahkan setelah titik leleh mempertahankan tren ini untuk beberapa waktu? Ternyata zat-zat ini dalam keadaan cair lebih padat.

Dalam cairan, setiap atom ditindaklanjuti oleh tetangganya dan berosilasi dalam sumur potensial anisotropik yang mereka buat. Tidak seperti benda padat, sumur ini tidak dalam, karena tetangga yang jauh hampir tidak berpengaruh. Lingkungan terdekat partikel dalam cairan berubah, yaitu, cairan mengalir. Ketika suhu tertentu tercapai, cairan mendidih; selama mendidih, suhu tetap konstan. Energi yang masuk dihabiskan untuk memutuskan ikatan, dan ketika mereka benar-benar putus, cairan berubah menjadi gas.

Massa jenis zat cair jauh lebih besar daripada massa jenis gas pada tekanan dan suhu yang sama. Jadi, volume air saat mendidih hanya 1/1600 dari volume uap air yang massanya sama. Volume cairan sedikit bergantung pada tekanan dan suhu. Dalam kondisi normal (20 °C dan tekanan 1,013 10 5 Pa), air menempati volume 1 liter. Dengan penurunan suhu hingga 10 ° C, volume hanya akan berkurang 0,0021, dengan peningkatan tekanan - dengan faktor dua.

Meskipun belum ada model ideal cairan yang sederhana, struktur mikronya telah dipelajari secara memadai dan memungkinkan untuk menjelaskan sebagian besar sifat makroskopisnya secara kualitatif. Fakta bahwa kohesi molekul dalam cairan lebih lemah daripada dalam padatan diperhatikan oleh Galileo; dia terkejut bahwa tetesan air besar menumpuk di daun kubis dan tidak menyebar ke daun. Merkuri yang tumpah atau tetesan air pada permukaan yang berminyak berbentuk bola-bola kecil karena daya rekatnya. Jika molekul suatu zat ditarik oleh molekul zat lain, maka disebut membasahi, misalnya, lem dan kayu, minyak dan logam (meskipun tekanannya sangat besar, minyak tertahan di bantalan). Tapi air naik dalam tabung tipis, yang disebut kapiler, dan naik lebih tinggi, tabung lebih tipis. Tidak ada penjelasan lain selain efek membasahi air dan gelas. Gaya pembasahan antara kaca dan air lebih besar daripada antara molekul air. Dengan merkuri, efeknya terbalik: pembasahan merkuri dan kaca lebih lemah daripada gaya kohesif antara atom merkuri. Galileo memperhatikan bahwa jarum yang diolesi minyak dapat mengapung di atas air, meskipun ini bertentangan dengan hukum Archimedes. Saat jarum melayang,

tetapi perhatikan sedikit defleksi permukaan air, cenderung lurus, seolah-olah. Gaya kohesif antara molekul air cukup untuk mencegah jarum jatuh ke dalam air. Lapisan permukaan, seperti film, melindungi air, ini tegangan permukaan, yang cenderung memberi bentuk air permukaan terkecil - bulat. Tetapi jarum tidak lagi mengapung di permukaan alkohol, karena ketika alkohol ditambahkan ke air, tegangan permukaan berkurang, dan jarum tenggelam. Sabun juga mengurangi tegangan permukaan, sehingga busa sabun panas, menembus celah dan celah, lebih baik dalam menghilangkan kotoran, terutama minyak, sementara air murni hanya akan menggulung menjadi tetesan.

Plasma adalah keadaan agregat keempat materi, yang merupakan gas dari kumpulan partikel bermuatan yang berinteraksi pada jarak yang jauh. Dalam hal ini, jumlah muatan positif dan negatif kira-kira sama, sehingga plasma netral secara listrik. Dari empat elemen, plasma sesuai dengan api. Untuk mengubah gas menjadi keadaan plasma, perlu untuk: mengalami ionisasi melepaskan elektron dari atom. Ionisasi dapat dilakukan dengan pemanasan, dengan aksi pelepasan listrik atau dengan radiasi keras. Materi di alam semesta sebagian besar dalam keadaan terionisasi. Pada bintang, ionisasi disebabkan secara termal, pada nebula yang dijernihkan dan gas antarbintang, oleh radiasi ultraviolet dari bintang. Matahari kita juga terdiri dari plasma, radiasinya mengionisasi lapisan atas atmosfer bumi, yang disebut ionosfir, kemungkinan komunikasi radio jarak jauh tergantung pada kondisinya. Dalam kondisi terestrial, plasma jarang terjadi - dalam lampu neon atau busur listrik. Di laboratorium dan teknologi, plasma paling sering diproduksi oleh pelepasan listrik. Di alam, ini dilakukan oleh kilat. Selama ionisasi oleh pelepasan, longsoran elektron muncul, mirip dengan proses reaksi berantai. Untuk mendapatkan energi termonuklir, metode injeksi digunakan: ion gas yang dipercepat hingga kecepatan yang sangat tinggi disuntikkan ke dalam perangkap magnet, menarik elektron dari lingkungan, membentuk plasma. Ionisasi tekanan juga digunakan - gelombang kejut. Metode ionisasi ini ditemukan di bintang superpadat dan, mungkin, di inti bumi.

Setiap gaya yang bekerja pada ion dan elektron menyebabkan arus listrik. Jika tidak terhubung dengan medan eksternal dan tidak tertutup di dalam plasma, itu terpolarisasi. Plasma mematuhi hukum gas, tetapi ketika medan magnet diterapkan, yang mengatur pergerakan partikel bermuatan, plasma menunjukkan sifat yang sama sekali tidak biasa untuk gas. Dalam medan magnet yang kuat, partikel mulai berputar di sekitar garis gaya, dan di sepanjang medan magnet mereka bergerak bebas. Dikatakan bahwa gerakan heliks ini menggeser struktur garis medan dan medan tersebut "membeku" ke dalam plasma. Plasma yang dijernihkan digambarkan oleh sistem partikel, sedangkan plasma yang lebih padat dijelaskan oleh model fluida.

Konduktivitas listrik plasma yang tinggi adalah perbedaan utamanya dari gas. Konduktivitas plasma dingin di permukaan Matahari (0,8 10 -19 J) mencapai konduktivitas logam, dan pada suhu termonuklir (1,6 10 -15 J) plasma hidrogen menghantarkan arus 20 kali lebih baik daripada tembaga dalam kondisi normal. Karena plasma mampu menghantarkan arus, model cairan penghantar sering diterapkan padanya. Ini dianggap sebagai media kontinu, meskipun kompresibilitas membedakannya dari cairan biasa, tetapi perbedaan ini hanya dimanifestasikan dalam aliran yang kecepatannya lebih besar dari kecepatan suara. Perilaku cairan konduktif dipelajari dalam ilmu yang disebut hidrodinamika magnet. Di ruang angkasa, plasma apa pun adalah konduktor yang ideal, dan hukum medan beku banyak digunakan. Model cairan konduktor memungkinkan untuk memahami mekanisme kurungan plasma oleh medan magnet. Dengan demikian, aliran plasma dikeluarkan dari Matahari, mempengaruhi atmosfer Bumi. Aliran itu sendiri tidak memiliki medan magnet, tetapi medan asing tidak dapat menembusnya sesuai dengan hukum pembekuan. Aliran plasma surya mendorong medan magnet antarplanet asing keluar dari sekitar Matahari. Rongga magnet muncul, di mana medannya lebih lemah. Ketika aliran plasma sel darah ini mendekati Bumi, mereka bertabrakan dengan medan magnet Bumi dan dipaksa untuk mengalir di sekitarnya sesuai dengan hukum yang sama. Ternyata semacam gua di mana medan magnet dikumpulkan dan di mana aliran plasma tidak menembus. Partikel bermuatan menumpuk di permukaannya, yang terdeteksi oleh roket dan satelit - ini adalah sabuk radiasi luar Bumi. Ide-ide ini juga digunakan dalam memecahkan masalah kurungan plasma oleh medan magnet di perangkat khusus - tokamaks (dari singkatan kata: ruang toroidal, magnet). Dengan plasma terionisasi penuh yang disimpan di sistem ini dan sistem lainnya, harapan disematkan untuk mendapatkan reaksi termonuklir terkendali di Bumi. Ini akan menyediakan sumber energi yang bersih dan murah (air laut). Pekerjaan juga sedang dilakukan untuk mendapatkan dan mempertahankan plasma menggunakan radiasi laser terfokus.

Pertanyaan tentang apa itu keadaan agregasi, fitur dan sifat apa yang dimiliki padatan, cairan, dan gas dipertimbangkan dalam beberapa kursus pelatihan. Ada tiga keadaan klasik materi, dengan ciri khas strukturnya sendiri. Pemahaman mereka merupakan poin penting dalam memahami ilmu-ilmu kebumian, makhluk hidup, dan kegiatan produksi. Pertanyaan-pertanyaan ini dipelajari oleh fisika, kimia, geografi, geologi, kimia fisik dan disiplin ilmu lainnya. Zat yang berada dalam kondisi tertentu di salah satu dari tiga tipe dasar keadaan dapat berubah dengan kenaikan atau penurunan suhu atau tekanan. Mari kita pertimbangkan kemungkinan transisi dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya, seperti yang dilakukan di alam, teknologi, dan kehidupan sehari-hari.

Apa itu keadaan agregasi?

Kata asal Latin "aggrego" dalam terjemahan ke dalam bahasa Rusia berarti "melekat". Istilah ilmiah mengacu pada keadaan tubuh yang sama, zat. Keberadaan padatan, gas dan cairan pada nilai temperatur tertentu dan tekanan yang berbeda merupakan karakteristik dari semua cangkang Bumi. Selain tiga kondisi agregat dasar, ada juga yang keempat. Pada suhu tinggi dan tekanan konstan, gas berubah menjadi plasma. Untuk lebih memahami apa itu keadaan agregasi, perlu diingat partikel terkecil yang membentuk zat dan benda.

Diagram di atas menunjukkan: a - gas; b - cair; c adalah benda tegar. Dalam gambar seperti itu, lingkaran menunjukkan elemen struktural zat. Ini adalah simbol, pada kenyataannya, atom, molekul, ion bukanlah bola padat. Atom terdiri dari inti bermuatan positif di mana elektron bermuatan negatif bergerak dengan kecepatan tinggi. Pengetahuan tentang struktur mikroskopis materi membantu untuk lebih memahami perbedaan yang ada di antara berbagai bentuk agregat.

Gagasan tentang dunia mikro: dari Yunani Kuno hingga abad ke-17

Informasi pertama tentang partikel yang membentuk tubuh fisik muncul di Yunani kuno. Pemikir Democritus dan Epicurus memperkenalkan konsep seperti atom. Mereka percaya bahwa partikel terkecil dari zat yang berbeda ini memiliki bentuk, ukuran tertentu, yang mampu bergerak dan berinteraksi satu sama lain. Atomistik menjadi ajaran Yunani kuno yang paling maju pada masanya. Namun perkembangannya melambat pada Abad Pertengahan. Sejak itu para ilmuwan dianiaya oleh Inkuisisi Gereja Katolik Roma. Oleh karena itu, sampai zaman modern, tidak ada konsep yang jelas tentang apa itu keadaan agregasi materi. Hanya setelah abad ke-17 para ilmuwan R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier merumuskan ketentuan teori atom-molekul, yang tidak kehilangan signifikansinya bahkan hingga hari ini.

Atom, molekul, ion - partikel mikroskopis dari struktur materi

Terobosan signifikan dalam memahami mikrokosmos terjadi pada abad ke-20, ketika mikroskop elektron ditemukan. Mempertimbangkan penemuan yang dibuat oleh para ilmuwan sebelumnya, adalah mungkin untuk mengumpulkan gambaran yang harmonis tentang dunia mikro. Teori yang menggambarkan keadaan dan perilaku partikel terkecil dari materi cukup kompleks, mereka termasuk dalam bidang.Untuk memahami fitur dari berbagai keadaan agregat materi, cukup dengan mengetahui nama dan fitur partikel struktural utama yang membentuk berbagai zat.

1. Atom adalah partikel yang tidak dapat dibagi secara kimia. Diawetkan dalam reaksi kimia, tetapi dihancurkan dalam nuklir. Logam dan banyak zat lain dari struktur atom memiliki keadaan agregasi yang solid dalam kondisi normal.
2. Molekul adalah partikel yang dipecah dan dibentuk dalam reaksi kimia. oksigen, air, karbon dioksida, belerang. Keadaan agregasi oksigen, nitrogen, sulfur dioksida, karbon, oksigen dalam kondisi normal adalah gas.
3. Ion adalah partikel bermuatan yang berubah menjadi atom dan molekul ketika mereka mendapatkan atau kehilangan elektron - partikel bermuatan negatif mikroskopis. Banyak garam memiliki struktur ionik, misalnya garam meja, besi dan tembaga sulfat.

Ada zat yang partikelnya terletak di ruang angkasa dengan cara tertentu. Posisi timbal balik yang teratur dari atom, ion, molekul disebut kisi kristal. Biasanya kisi kristal ionik dan atomik khas untuk padatan, molekul - untuk cairan dan gas. Berlian memiliki kekerasan yang tinggi. Kisi kristal atomnya dibentuk oleh atom karbon. Tetapi grafit lunak juga terdiri dari atom-atom unsur kimia ini. Hanya saja mereka terletak berbeda di luar angkasa. Keadaan agregasi belerang yang biasa adalah padatan, tetapi pada suhu tinggi zat tersebut berubah menjadi cairan dan massa amorf.

Zat dalam keadaan agregasi yang solid

Padatan dalam kondisi normal mempertahankan volume dan bentuknya. Misalnya sebutir pasir, sebutir gula, garam, sebongkah batu atau logam. Jika gula dipanaskan, zat tersebut mulai meleleh, berubah menjadi cairan cokelat kental. Hentikan pemanasan - sekali lagi kita mendapatkan padatan. Ini berarti bahwa salah satu syarat utama untuk transisi padatan menjadi cairan adalah pemanasannya atau peningkatan energi internal partikel-partikel zat tersebut. Keadaan padat agregasi garam, yang digunakan dalam makanan, juga dapat diubah. Tetapi untuk melelehkan garam meja, Anda membutuhkan suhu yang lebih tinggi daripada saat memanaskan gula. Faktanya adalah bahwa gula terdiri dari molekul, dan garam meja terdiri dari ion bermuatan, yang tertarik satu sama lain lebih kuat. Padatan dalam bentuk cair tidak mempertahankan bentuknya karena kisi-kisi kristal rusak.

Keadaan cair dari agregasi garam selama pencairan dijelaskan oleh pemutusan ikatan antara ion-ion dalam kristal. Partikel bermuatan dilepaskan yang dapat membawa muatan listrik. Garam cair menghantarkan listrik dan merupakan konduktor. Dalam industri kimia, metalurgi dan teknik, padatan diubah menjadi cairan untuk mendapatkan senyawa baru darinya atau memberikan bentuk yang berbeda. Paduan logam banyak digunakan. Ada beberapa cara untuk mendapatkannya, terkait dengan perubahan keadaan agregasi bahan baku padat.

Cairan adalah salah satu keadaan dasar agregasi

Jika Anda menuangkan 50 ml air ke dalam labu alas bulat, Anda akan melihat bahwa zat tersebut segera berbentuk wadah kimia. Tapi begitu kita menuangkan air dari labu, cairan itu akan langsung menyebar ke permukaan meja. Volume air akan tetap sama - 50 ml, dan bentuknya akan berubah. Ciri-ciri ini adalah ciri wujud cair dari keberadaan materi. Cairan adalah banyak zat organik: alkohol, minyak nabati, asam.

Susu adalah emulsi, yaitu cairan yang di dalamnya terdapat tetesan-tetesan lemak. Mineral cair yang berguna adalah minyak. Itu diekstraksi dari sumur menggunakan rig pengeboran di darat dan di laut. Air laut juga merupakan bahan baku industri. Perbedaannya dengan air tawar sungai dan danau terletak pada kandungan zat terlarut, terutama garam. Selama penguapan dari permukaan badan air, hanya molekul H2O yang masuk ke keadaan uap, zat terlarut tetap ada. Metode untuk mendapatkan zat bermanfaat dari air laut dan metode pemurniannya didasarkan pada properti ini.

Dengan penghilangan garam sepenuhnya, air suling diperoleh. Mendidih pada 100 °C dan membeku pada 0 °C. Air asin mendidih dan berubah menjadi es pada suhu yang berbeda. Misalnya, air di Samudra Arktik membeku pada suhu permukaan 2°C.

Keadaan agregat merkuri dalam kondisi normal adalah cair. Logam abu-abu perak ini biasanya diisi dengan termometer medis. Saat dipanaskan, kolom merkuri naik pada skala, zat itu memuai. Mengapa alkohol diwarnai dengan cat merah yang digunakan, dan bukan merkuri? Ini dijelaskan oleh sifat-sifat logam cair. Pada salju 30 derajat, keadaan agregasi merkuri berubah, zat menjadi padat.

Jika termometer medis rusak dan air raksa tumpah, maka berbahaya untuk mengumpulkan bola perak dengan tangan Anda. Menghirup uap merkuri berbahaya, zat ini sangat beracun. Anak-anak dalam kasus seperti itu perlu mencari bantuan dari orang tua, orang dewasa.

keadaan gas

Gas tidak dapat mempertahankan volume atau bentuknya. Isi labu ke atas dengan oksigen (rumus kimianya adalah O 2). Segera setelah kita membuka labu, molekul zat akan mulai bercampur dengan udara di dalam ruangan. Hal ini disebabkan oleh gerak Brown. Bahkan ilmuwan Yunani kuno Democritus percaya bahwa partikel materi selalu bergerak. Dalam padatan, dalam kondisi normal, atom, molekul, ion tidak memiliki kesempatan untuk meninggalkan kisi kristal, untuk membebaskan diri dari ikatan dengan partikel lain. Ini hanya mungkin jika sejumlah besar energi disuplai dari luar.

Dalam cairan, jarak antar partikel sedikit lebih besar dari pada padatan; mereka membutuhkan lebih sedikit energi untuk memutuskan ikatan antarmolekul. Misalnya, keadaan agregat cair oksigen diamati hanya ketika suhu gas turun menjadi -183 °C. Pada -223°C, molekul O2 membentuk padatan. Ketika suhu naik di atas nilai yang diberikan, oksigen berubah menjadi gas. Dalam bentuk inilah ia berada dalam kondisi normal. Di perusahaan industri, ada instalasi khusus untuk memisahkan udara atmosfer dan memperoleh nitrogen dan oksigen darinya. Pertama, udara didinginkan dan dicairkan, dan kemudian suhunya dinaikkan secara bertahap. Nitrogen dan oksigen berubah menjadi gas dalam kondisi yang berbeda.

Atmosfer bumi mengandung 21% oksigen dan 78% nitrogen berdasarkan volume. Dalam bentuk cair, zat-zat ini tidak ditemukan dalam selubung gas planet ini. Oksigen cair memiliki warna biru muda dan diisi dengan tekanan tinggi ke dalam silinder untuk digunakan di fasilitas medis. Dalam industri dan konstruksi, gas cair diperlukan untuk banyak proses. Oksigen diperlukan untuk pengelasan gas dan pemotongan logam, dalam kimia - untuk reaksi oksidasi zat anorganik dan organik. Jika Anda membuka katup tabung oksigen, tekanan berkurang, cairan berubah menjadi gas.

Propana cair, metana dan butana banyak digunakan dalam energi, transportasi, industri dan kegiatan rumah tangga. Zat-zat ini diperoleh dari gas alam atau selama cracking (pembelahan) bahan baku minyak bumi. Campuran karbon cair dan gas memainkan peran penting dalam perekonomian banyak negara. Tapi cadangan minyak dan gas alam sangat menipis. Menurut para ilmuwan, bahan baku ini akan bertahan selama 100-120 tahun. Sumber energi alternatif adalah aliran udara (angin). Sungai yang berarus deras, pasang surut di tepi laut dan samudera digunakan untuk mengoperasikan pembangkit listrik.

Oksigen, seperti gas lainnya, dapat berada dalam keadaan agregasi keempat, mewakili plasma. Transisi yang tidak biasa dari wujud padat ke gas adalah ciri khas yodium kristal. Zat ungu tua mengalami sublimasi - berubah menjadi gas, melewati keadaan cair.

Bagaimana transisi dari satu bentuk agregat materi ke yang lain dilakukan?

Perubahan keadaan agregat zat tidak terkait dengan transformasi kimia, ini adalah fenomena fisik. Ketika suhu naik, banyak padatan meleleh dan berubah menjadi cairan. Peningkatan suhu lebih lanjut dapat menyebabkan penguapan, yaitu, ke keadaan gas dari zat tersebut. Di alam dan ekonomi, transisi semacam itu adalah karakteristik dari salah satu zat utama di Bumi. Es, cair, uap adalah keadaan air di bawah kondisi eksternal yang berbeda. Senyawanya sama, rumusnya adalah H 2 O. Pada suhu 0 ° C dan di bawah nilai ini, air mengkristal, yaitu berubah menjadi es. Ketika suhu naik, kristal yang dihasilkan dihancurkan - es mencair, air cair diperoleh kembali. Ketika dipanaskan, penguapan terbentuk - transformasi air menjadi gas - berlangsung bahkan pada suhu rendah. Misalnya, genangan air yang membeku berangsur-angsur menghilang karena airnya menguap. Bahkan dalam cuaca dingin, pakaian basah mengering, tetapi proses ini lebih lama daripada di hari yang panas.

Semua transisi air yang terdaftar dari satu keadaan ke keadaan lain sangat penting bagi sifat Bumi. Fenomena atmosfer, iklim, dan cuaca dikaitkan dengan penguapan air dari permukaan lautan, perpindahan uap air dalam bentuk awan dan kabut ke daratan, curah hujan (hujan, salju, hujan es). Fenomena ini membentuk dasar dari siklus air dunia di alam.

Bagaimana keadaan agregat belerang berubah?

Dalam kondisi normal, belerang adalah kristal mengkilap cerah atau bubuk kuning muda, yaitu padat. Keadaan agregat belerang berubah ketika dipanaskan. Pertama, ketika suhu naik hingga 190 ° C, zat kuning meleleh, berubah menjadi cairan bergerak.

Jika Anda dengan cepat menuangkan belerang cair ke dalam air dingin, Anda mendapatkan massa amorf berwarna coklat. Dengan pemanasan lebih lanjut dari lelehan belerang, itu menjadi semakin kental dan menjadi gelap. Pada suhu di atas 300 ° C, keadaan agregasi belerang berubah lagi, zat memperoleh sifat-sifat cairan, menjadi bergerak. Transisi ini muncul karena kemampuan atom unsur untuk membentuk rantai dengan panjang yang berbeda.

Mengapa zat dapat berada dalam keadaan fisik yang berbeda?

Keadaan agregasi belerang - zat sederhana - padat dalam kondisi normal. Sulfur dioksida adalah gas, asam sulfat adalah cairan berminyak lebih berat dari air. Tidak seperti asam klorida dan asam nitrat, ia tidak mudah menguap; molekul tidak menguap dari permukaannya. Apa keadaan agregasi yang memiliki belerang plastik, yang diperoleh dengan memanaskan kristal?

Dalam bentuk amorf, zat tersebut memiliki struktur cairan, memiliki sedikit fluiditas. Tetapi belerang plastik secara bersamaan mempertahankan bentuknya (sebagai padatan). Ada kristal cair yang memiliki sejumlah sifat karakteristik padatan. Jadi, keadaan materi di bawah kondisi yang berbeda tergantung pada sifatnya, suhu, tekanan dan kondisi eksternal lainnya.

Apa saja ciri-ciri struktur benda padat?

Perbedaan yang ada antara keadaan agregat utama materi dijelaskan oleh interaksi antara atom, ion, dan molekul. Misalnya, mengapa keadaan agregat padat materi menyebabkan kemampuan benda untuk mempertahankan volume dan bentuk? Dalam kisi kristal logam atau garam, partikel struktural tertarik satu sama lain. Dalam logam, ion bermuatan positif berinteraksi dengan apa yang disebut "gas elektron" - akumulasi elektron bebas dalam sepotong logam. Kristal garam muncul karena tarikan partikel bermuatan berlawanan - ion. Jarak antara unit struktural padatan di atas jauh lebih kecil daripada ukuran partikel itu sendiri. Dalam hal ini, tarik-menarik elektrostatik bertindak, itu memberi kekuatan, dan tolakan tidak cukup kuat.

Untuk menghancurkan keadaan padat agregasi suatu zat, upaya harus dilakukan. Logam, garam, kristal atom meleleh pada suhu yang sangat tinggi. Misalnya, besi menjadi cair pada suhu di atas 1538 °C. Tungsten tahan api dan digunakan untuk membuat filamen pijar untuk bola lampu. Ada paduan yang menjadi cair pada suhu di atas 3000 °C. Banyak di Bumi berada dalam keadaan padat. Bahan baku ini diekstraksi dengan bantuan peralatan di tambang dan penggalian.

Untuk melepaskan bahkan satu ion dari kristal, perlu mengeluarkan sejumlah besar energi. Tetapi bagaimanapun juga, itu cukup untuk melarutkan garam dalam air agar kisi kristal hancur! Fenomena ini dijelaskan oleh sifat menakjubkan air sebagai pelarut polar. Molekul H2O berinteraksi dengan ion garam, menghancurkan ikatan kimia di antara mereka. Dengan demikian, pembubaran bukanlah pencampuran sederhana zat yang berbeda, tetapi interaksi fisik dan kimia di antara mereka.

Bagaimana molekul zat cair berinteraksi?

Air bisa berbentuk cair, padat dan gas (uap). Ini adalah status agregasi utamanya dalam kondisi normal. Molekul air terdiri dari satu atom oksigen dengan dua atom hidrogen terikat padanya. Ada polarisasi ikatan kimia dalam molekul, muatan negatif parsial muncul pada atom oksigen. Hidrogen menjadi kutub positif dalam molekul dan tertarik ke atom oksigen dari molekul lain. Ini disebut "ikatan hidrogen".

Keadaan agregasi cair dicirikan oleh jarak antara partikel struktural yang sebanding dengan ukurannya. Daya tariknya ada, tetapi lemah, sehingga air tidak mempertahankan bentuknya. Penguapan terjadi karena penghancuran ikatan, yang terjadi pada permukaan cairan bahkan pada suhu kamar.

Apakah ada interaksi antarmolekul dalam gas?

Keadaan gas suatu zat berbeda dari cair dan padat dalam sejumlah parameter. Di antara partikel struktural gas ada celah besar, jauh lebih besar dari ukuran molekul. Dalam hal ini, gaya tarik menarik tidak bekerja sama sekali. Keadaan agregasi gas adalah karakteristik zat yang ada dalam komposisi udara: nitrogen, oksigen, karbon dioksida. Pada gambar di bawah, kubus pertama diisi dengan gas, yang kedua dengan cairan, dan yang ketiga dengan padatan.

Banyak cairan yang mudah menguap; molekul suatu zat terlepas dari permukaannya dan masuk ke udara. Misalnya, jika Anda membawa kapas yang dicelupkan ke dalam amonia ke pembukaan botol asam klorida yang terbuka, asap putih akan muncul. Tepat di udara, reaksi kimia terjadi antara asam klorida dan amonia, amonium klorida diperoleh. Dalam keadaan materi apa zat ini berada? Partikelnya, yang membentuk asap putih, adalah kristal padat terkecil dari garam. Eksperimen ini harus dilakukan di bawah kap knalpot, zatnya beracun.

Kesimpulan

Keadaan agregat gas dipelajari oleh banyak fisikawan dan ahli kimia terkemuka: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Para ilmuwan telah merumuskan hukum yang menjelaskan perilaku zat gas dalam reaksi kimia ketika kondisi eksternal berubah. Keteraturan terbuka tidak hanya masuk ke sekolah dan universitas buku teks fisika dan kimia. Banyak industri kimia didasarkan pada pengetahuan tentang perilaku dan sifat zat dalam keadaan agregasi yang berbeda.