Список состояний материи - List of states of matter

Состояния вещества отличаются изменениями свойств вещества, связанными с внешними факторами, такими как давление и температура . Состояния обычно отличаются прерывистостью одного из этих свойств - например, повышение температуры льда вызывает прерывистый рост температуры. Четыре классических состояния вещества обычно обозначают как твердое , жидкое , газовое и плазменное . Однако в 20-м веке более глубокое понимание более экзотических свойств материи привело к идентификации многих дополнительных состояний материи, ни одно из которых не наблюдается в нормальных условиях .

Низкоэнергетические состояния

Естественные состояния

• Твердое тело: Твердое тело имеет определенную форму и объем без контейнера. Частицы удерживаются очень близко друг к другу.
  • Аморфное твердое тело : твердое тело, в котором нет дальнего порядка расположения атомов.
  • Кристаллическое твердое тело : твердое тело, в котором атомы, молекулы или ионы расположены в правильном порядке.
  • Пластиковый кристалл : молекулярное твердое тело с дальним позиционным порядком, но с составляющими молекулами, сохраняющими свободу вращения.
  • Квазикристалл : твердое тело, в котором позиции атомов имеют дальний порядок, но это не повторяющийся узор.
• Жидкость : в основном несжимаемая жидкость . Способен соответствовать форме своего контейнера, но сохраняет (почти) постоянный объем независимо от давления.
  • Жидкий кристалл : промежуточные свойства между жидкостями и кристаллами. Обычно может течь как жидкость, но демонстрирует дальний порядок.
  • Неньютоновская жидкость : жидкость , которая не подчиняется закону вязкости Ньютона.
• Газ : сжимаемая жидкость. Газ не только примет форму своего сосуда, но и расширится, чтобы заполнить его.
• Плазма : свободные заряженные частицы, обычно в равном количестве, такие как ионы и электроны. В отличие от газов, плазма может самогенерировать магнитные поля и электрические токи и коллективно реагировать на электромагнитные силы . Плазма очень редко встречается на Земле (кроме ионосферы ), хотя это наиболее распространенное состояние материи во Вселенной.

Современные государства

• Сверхкритическая жидкость : при достаточно высоких температурах и давлениях различие между жидкостью и газом исчезает.
• Вырожденная материя : материя под очень высоким давлением, поддерживаемая принципом исключения Паули .
  • Электронно-вырожденная материя : находится внутри белых карликов . Электроны остаются связанными с атомами, но могут переходить к соседним атомам.
  • Нейтронно-вырожденное вещество : обнаружено в нейтронных звездах . Огромное гравитационное давление сжимает атомы настолько сильно, что электроны вынуждены объединяться с протонами посредством обратного бета-распада, что приводит к сверхплотному скоплению нейтронов. (Обычно свободные нейтроны вне ядра атома распадаются с периодом полураспада чуть менее 15 минут, но в нейтронной звезде, как и в ядре атома, нейтроны стабилизируются другими эффектами.)
  • Странная материя : тип кварковой материи, которая может существовать внутри некоторых нейтронных звезд, близких к пределу Толмена – Оппенгеймера – Волкова (примерно 2–3 массы Солнца ). После образования может быть стабильным в состояниях с более низкой энергией.
  • Квантовое спиновое состояние Холла : теоретическая фаза, которая может открыть путь для разработки электронных устройств, которые рассеивают меньше энергии и выделяют меньше тепла. Это производное квантового холловского состояния материи.
• Конденсат Бозе – Эйнштейна : фаза, в которой большое количество бозонов все населяет одно и то же квантовое состояние , фактически становясь одной единственной волной / частицей. Это низкоэнергетическая фаза, которая может образоваться только в лабораторных условиях и при очень низких температурах. Он должен быть близок к нулевому кельвину или абсолютному нулю . Сатьендра Нат Боз и Альберт Эйнштейн предсказали существование такого государства в 1920-х годах, но его не наблюдали до 1995 года Эрик Корнелл и Карл Виман .
• Фермионный конденсат : похож на конденсат Бозе-Эйнштейна, но состоит из фермионов , также известный как конденсат Ферми-Дирака. Принцип исключения Паули не позволяет фермионам входить в одно и то же квантовое состояние, но пара фермионов может вести себя как бозон, и несколько таких пар могут входить в одно и то же квантовое состояние без ограничений.
• Сверхпроводимость : это явление точно нулевого электрического сопротивления и вытеснения магнитных полей, возникающее в некоторых материалах при охлаждении ниже характерной критической температуры . Сверхпроводимость - основное состояние многих элементарных металлов.
• Сверхтекучая жидкость: фаза, достигаемая несколькими криогенными жидкостями при экстремальной температуре, при которой они становятся способными течь без трения . Сверхтекучая жидкость может течь вверх по стенке открытого контейнера и вниз снаружи. Размещение сверхтекучей жидкости во вращающемся контейнере приведет к квантованным вихрям .
• Сверхтвердое тело : подобно сверхтекучести, сверхтвердое тело может двигаться без трения, но сохраняет жесткую форму.
• Квантовая спиновая жидкость : неупорядоченное состояние в системе взаимодействующих квантовых спинов, которое сохраняет свой беспорядок до очень низких температур, в отличие от других неупорядоченных состояний.
• Материалы с тяжелыми фермионами : материалы с тяжелыми фермионами или сильно коррелированные ферми-системы образуют новое состояние вещества, которое определяется квантовыми фазовыми переходами и демонстрирует универсальное масштабное поведение своих термодинамических , транспортных и релаксационных свойств. Квантовая спиновая жидкость , квазикристаллов , 2D ферми жидкости , тяжелофермионные металлы и сверхпроводники с тяжелыми фермионами может принадлежать к новому состоянию материи.
• Жидкая струна-сетка : Атомы в этом состоянии имеют явно нестабильное расположение, как жидкость, но все же согласованы в общей структуре, как твердое тело.
• Капля : искусственная квазичастица , представляющая собой совокупность электронов и дырок внутри полупроводника. Капелька - первая известная квазичастица, которая ведет себя как жидкость.
• Кристаллы времени : состояние материи, при котором объект может двигаться даже в самом низком энергетическом состоянии.
• Ридберговский полярон : состояние вещества, которое может существовать только при сверхнизких температурах и состоит из атомов внутри атомов.

Состояния с высокой энергией

• Кварк-глюонная плазма : фаза, в которой кварки становятся свободными и могут двигаться независимо (вместо того, чтобы быть постоянно связанными в частицы или связанными друг с другом в квантовом замке, где приложение силы добавляет энергию и в конечном итоге затвердевает в другой кварк) в океане из глюонов (элементарных частицкоторые передают большую силу , которая связывает кварки вместе). Может быть на короткое время достигнута в ускорителях частиц или, возможно, внутри нейтронных звезд .
• В течение ^10-36 секунд после Большого взрыва плотность энергии Вселенной была настолько высокой, что четыре силы природы - сильная , слабая , электромагнитная и гравитационная - считаются объединенными в одну единую силу. Состояние вещества в это время неизвестно. По мере расширения Вселенной температура и плотность падали, а гравитационная сила разделялась, что называется нарушением симметрии .
• В течение ^10-12 секунд после Большого взрыва большинство ученых считает, что сильные, слабые и электромагнитные силы были едины, а гравитация - нет. Состояние вещества в это время неизвестно.

использованная литература