Materie is het “materiaal” waaruit het heelal is opgebouwd – alles wat ruimte inneemt en massa heeft, is materie.
Alle materie bestaat uit atomen, die op hun beurt zijn opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen.
Atomen vormen samen moleculen, de bouwstenen voor alle soorten materie, volgens de Washington State University. Zowel atomen als moleculen worden bijeengehouden door een vorm van potentiële energie die chemische energie wordt genoemd. In tegenstelling tot kinetische energie, de energie van een object in beweging, is potentiële energie de energie die in een object is opgeslagen.
De vijf fasen van materie
Er zijn vier natuurlijke toestanden van materie: Vaste stoffen, vloeistoffen, gassen en plasma. De vijfde toestand zijn de door de mens gemaakte Bose-Einsteincondensaten.
Vaste stoffen
In een vaste stof zitten deeltjes dicht opeengepakt, zodat ze niet veel bewegen. De elektronen van elk atoom zijn voortdurend in beweging, zodat de atomen een kleine trilling hebben, maar ze zijn gefixeerd in hun positie. Hierdoor hebben deeltjes in een vaste stof een zeer lage kinetische energie.
Vaste stoffen hebben een bepaalde vorm, evenals massa en volume, en passen zich niet aan aan de vorm van de container waarin ze zijn geplaatst. Vaste stoffen hebben ook een hoge dichtheid, wat betekent dat de deeltjes dicht opeengepakt zitten.
Vloeistoffen
In een vloeistof zijn de deeltjes losser opeengepakt dan in een vaste stof en kunnen ze om elkaar heen vloeien, waardoor de vloeistof een onbepaalde vorm krijgt. Daarom zal de vloeistof zich voegen naar de vorm van zijn vat.
Zoals vaste stoffen zijn vloeistoffen (waarvan de meeste een lagere dichtheid hebben dan vaste stoffen) ongelooflijk moeilijk samen te persen.
Gassen
In een gas hebben de deeltjes veel ruimte tussen elkaar en een hoge kinetische energie. Een gas heeft geen bepaalde vorm of volume. Als een gas niet is opgesloten, zullen de deeltjes zich oneindig verspreiden; als het gas is opgesloten, zal het uitzetten om zijn vat te vullen. Wanneer een gas onder druk wordt gezet door het volume van de houder te verkleinen, wordt de ruimte tussen de deeltjes kleiner en wordt het gas samengeperst.
Plasma
Plasma is geen veel voorkomende toestand van materie hier op aarde, maar het is misschien wel de meest voorkomende toestand van materie in het heelal, volgens het Jefferson Laboratory. Sterren zijn in wezen oververhitte ballen van plasma.
Plasma bestaat uit sterk geladen deeltjes met een extreem hoge kinetische energie. De edelgassen (helium, neon, argon, krypton, xenon en radon) worden vaak gebruikt om gloeiende borden te maken door ze met elektriciteit te ioniseren tot de plasmatoestand.
Bose-Einsteincondensaat
Het Bose-Einsteincondensaat (BEC) werd in 1995 door wetenschappers gecreëerd. Met een combinatie van lasers en magneten hebben Eric Cornell en Carl Weiman, wetenschappers van het Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) in Boulder, Colorado, een monster van rubidium afgekoeld tot op enkele graden van het absolute nulpunt. Bij deze extreem lage temperatuur komt de moleculaire beweging heel dicht bij stilstand. Aangezien er bijna geen kinetische energie meer wordt overgedragen van het ene atoom naar het andere, beginnen de atomen samen te klonteren. Er zijn niet langer duizenden afzonderlijke atomen, maar slechts één “superatoom”.
Een BEC wordt gebruikt om de kwantummechanica op macroscopisch niveau te bestuderen. Licht lijkt langzamer te gaan wanneer het door een BEC gaat, waardoor wetenschappers de deeltjes/golf-paradox kunnen bestuderen. Een BEC heeft ook veel van de eigenschappen van een supervloeistof, of een vloeistof die stroomt zonder wrijving. BEC’s worden ook gebruikt om omstandigheden te simuleren die in zwarte gaten zouden kunnen bestaan.
Door een fase gaan
Het toevoegen of verwijderen van energie aan materie veroorzaakt een fysische verandering als materie van de ene toestand naar de andere gaat. Als je bijvoorbeeld thermische energie (warmte) toevoegt aan vloeibaar water, verandert het in stoom of damp (een gas). En het verwijderen van energie uit vloeibaar water zorgt ervoor dat het ijs wordt (een vaste stof). Fysische veranderingen kunnen ook worden veroorzaakt door beweging en druk.
Smelten en bevriezen
Wanneer warmte wordt toegepast op een vaste stof, beginnen de deeltjes ervan sneller te trillen en verder uit elkaar te bewegen. Wanneer de stof een bepaalde combinatie van temperatuur en druk bereikt, het smeltpunt, zal de vaste stof beginnen te smelten en overgaan in een vloeistof.
Wanneer twee toestanden van materie, zoals vast en vloeibaar, zich op een evenwichtstemperatuur en -druk bevinden, zal extra warmte die aan het systeem wordt toegevoegd er niet toe leiden dat de totale temperatuur van de stof toeneemt totdat het hele monster dezelfde fysische toestand heeft bereikt. Wanneer men bijvoorbeeld ijs in een glas water doet en het op kamertemperatuur laat staan, zullen het ijs en het water uiteindelijk dezelfde temperatuur bereiken. Wanneer het ijs smelt door de warmte die uit het water komt, zal het op nul graden Celsius blijven totdat het hele ijsblokje is gesmolten voordat het verder opwarmt.
Wanneer warmte aan een vloeistof wordt onttrokken, vertragen de deeltjes ervan en beginnen ze zich op één plaats in de stof te vestigen. Wanneer de stof bij een bepaalde druk, het vriespunt, een temperatuur bereikt die koel genoeg is, wordt de vloeistof een vaste stof.
De meeste vloeistoffen krimpen in wanneer ze bevriezen. Water zet echter uit wanneer het bevriest tot ijs, waardoor de moleculen verder uit elkaar worden gedrukt en de dichtheid afneemt, en daarom drijft ijs bovenop water.
Extra stoffen toevoegen, zoals zout aan water, kan zowel het smelt- als het vriespunt veranderen. Door bijvoorbeeld zout aan sneeuw toe te voegen, daalt de temperatuur waarbij water op wegen bevriest, waardoor het veiliger wordt voor automobilisten.
Er is ook een punt, het zogenoemde drievoudige punt, waarbij vaste stoffen, vloeistoffen en gassen allemaal tegelijk bestaan. Water, bijvoorbeeld, bestaat in alle drie de toestanden bij een temperatuur van 273,16 Kelvin en een druk van 611,2 Pascal.
Sublimatie
Wanneer een vaste stof direct in een gas wordt omgezet zonder eerst een vloeibare fase te doorlopen, wordt dit proces sublimatie genoemd. Dit kan gebeuren wanneer de temperatuur van het monster snel wordt verhoogd tot boven het kookpunt (flash-verdamping) of wanneer een stof wordt “gevriesdroogd” door afkoeling onder vacuüm, zodat het water in de stof sublimeert en uit het monster wordt verwijderd. Enkele vluchtige stoffen ondergaan sublimatie bij kamertemperatuur en -druk, zoals bevroren kooldioxide of droog ijs.
Verdampen
Verdampen is de omzetting van een vloeistof in een gas en kan zowel door verdamping als door koken geschieden.
Omdat de deeltjes van een vloeistof voortdurend in beweging zijn, botsen zij dikwijls met elkaar. Bij elke botsing wordt ook energie overgedragen, en als er genoeg energie wordt overgedragen op deeltjes dicht bij het oppervlak, kunnen ze als vrije gasdeeltjes volledig van het monster worden weggeslagen. Vloeistoffen koelen af wanneer zij verdampen, omdat de energie die aan de moleculen aan het oppervlak wordt overgedragen en die hun ontsnapping veroorzaakt, met hen wordt meegevoerd.
Vloeistof kookt wanneer voldoende warmte aan een vloeistof wordt toegevoegd om dampbellen onder het oppervlak te doen ontstaan. Het kookpunt is de temperatuur en druk waarbij een vloeistof een gas wordt.
Condensatie en afzetting
Condensatie treedt op wanneer een gas energie verliest en samenkomt om een vloeistof te vormen. Waterdamp condenseert bijvoorbeeld tot vloeibaar water.
Depositie treedt op wanneer een gas rechtstreeks in een vaste stof overgaat, zonder de vloeibare fase te doorlopen. Waterdamp wordt ijs of rijp wanneer de lucht die een vaste stof raakt, zoals een grasspriet, koeler is dan de rest van de lucht.
Aanvullende bronnen:
- Watch: Het ontstaan van een Bose-Einsteincondensaat, van het National Institute of Standards and Technology.
- Lees waar de materie in het heelal vandaan komt, van Cornell University’s Ask an Astronomer.
- Lees meer over materie, elementen en atomen, van de Khan Academy.
Dit artikel is bijgewerkt op 21 aug. 2019 door Live Science Contributor Rachel Ross.