Materia to „rzeczy”, które tworzą wszechświat – wszystko, co zajmuje przestrzeń i ma masę, jest materią.
Cała materia składa się z atomów, które z kolei składają się z protonów, neutronów i elektronów.
Atomy łączą się ze sobą, tworząc cząsteczki, które są budulcem wszystkich rodzajów materii, jak podaje Washington State University. Zarówno atomy jak i cząsteczki są utrzymywane razem przez formę energii potencjalnej zwanej energią chemiczną. W przeciwieństwie do energii kinetycznej, która jest energią obiektu w ruchu, energia potencjalna jest energią przechowywaną w obiekcie.
Pięć faz materii
Istnieją cztery naturalne stany materii: Ciała stałe, ciecze, gazy i plazma. Piątym stanem są stworzone przez człowieka kondensaty Bosego-Einsteina.
Ciało stałe
W ciele stałym cząsteczki są ciasno upakowane razem, więc nie poruszają się zbytnio. Elektrony każdego atomu są w ciągłym ruchu, więc atomy mają małe drgania, ale są stałe w swoim położeniu. Z tego powodu cząsteczki w ciele stałym mają bardzo niską energię kinetyczną.
Ciała stałe mają określony kształt, jak również masę i objętość, i nie dostosowują się do kształtu pojemnika, w którym są umieszczone. Ciała stałe mają również dużą gęstość, co oznacza, że cząsteczki są ciasno upakowane razem.
Płyny
W płynie, cząsteczki są bardziej luźno upakowane niż w ciele stałym i są w stanie przepływać wokół siebie, dając cieczy nieokreślony kształt. Dlatego ciecz dostosowuje się do kształtu swojego pojemnika.
Podobnie jak ciała stałe, ciecze (z których większość ma mniejszą gęstość niż ciała stałe) są niewiarygodnie trudne do ściśnięcia.
Gazy
W gazie cząsteczki mają dużo przestrzeni między sobą i mają wysoką energię kinetyczną. Gaz nie ma określonego kształtu ani objętości. Jeśli nie jest ograniczony, cząsteczki gazu będą się rozprzestrzeniać w nieskończoność; jeśli jest ograniczony, gaz będzie się rozszerzał, aby wypełnić swój pojemnik. Kiedy gaz jest poddawany ciśnieniu poprzez zmniejszenie objętości zbiornika, przestrzeń między cząsteczkami zmniejsza się i gaz jest sprężany.
Plazma
Plazma nie jest powszechnym stanem materii tutaj na Ziemi, ale może być najbardziej powszechnym stanem materii we wszechświecie, według Laboratorium Jeffersona. Gwiazdy są w istocie przegrzanymi kulami plazmy.
Plazma składa się z wysoko naładowanych cząstek o bardzo dużej energii kinetycznej. Gazy szlachetne (hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon) są często wykorzystywane do produkcji świecących znaków poprzez jonizację elektryczną do stanu plazmy.
Kondensat Bosego-Einsteina
Kondensat Bosego-Einsteina (BEC) został stworzony przez naukowców w 1995 roku. Używając kombinacji laserów i magnesów, Eric Cornell i Carl Weiman, naukowcy z Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) w Boulder, Colorado, schłodzili próbkę rubidu do temperatury bliskiej kilku stopniom zera absolutnego. W tak niskiej temperaturze ruch molekularny jest bardzo bliski zatrzymania. Ponieważ energia kinetyczna nie jest prawie w ogóle przekazywana z jednego atomu na drugi, atomy zaczynają się zlepiać. Nie ma już tysięcy oddzielnych atomów, tylko jeden „super atom”.
BEC jest używany do badania mechaniki kwantowej na poziomie makroskopowym. Światło wydaje się zwalniać, gdy przechodzi przez BEC, co pozwala naukowcom badać paradoks cząstki/fali. BEC posiada również wiele właściwości superpłynów, czyli płynów, które przepływają bez tarcia. BEC są również używane do symulowania warunków, które mogą istnieć w czarnych dziurach.
Przechodzenie przez fazę
Dodawanie lub odbieranie energii z materii powoduje fizyczną zmianę, ponieważ materia przechodzi z jednego stanu do drugiego. Na przykład, dodanie energii termicznej (ciepła) do ciekłej wody powoduje, że staje się ona parą lub oparem (gazem). Z kolei usunięcie energii z ciekłej wody powoduje, że staje się ona lodem (ciałem stałym). Zmiany fizyczne mogą być również spowodowane przez ruch i ciśnienie.
Topienie i zamrażanie
Gdy ciepło jest stosowane do ciała stałego, jego cząsteczki zaczynają wibrować szybciej i poruszać się dalej od siebie. Kiedy substancja osiągnie pewną kombinację temperatury i ciśnienia, temperaturę topnienia, ciało stałe zacznie się topić i zamieni się w ciecz.
Gdy dwa stany materii, takie jak stały i ciekły, są w równowadze temperatury i ciśnienia, dodatkowe ciepło dodane do systemu nie spowoduje wzrostu ogólnej temperatury substancji, dopóki cała próbka nie osiągnie tego samego stanu fizycznego. Na przykład, gdy włożymy lód do szklanki z wodą i pozostawimy ją w temperaturze pokojowej, lód i woda w końcu osiągną tę samą temperaturę. Ponieważ lód topi się od ciepła pochodzącego z wody, pozostanie w temperaturze zero stopni Celsjusza, dopóki cała kostka lodu się nie roztopi, zanim nie zacznie się dalej ogrzewać.
Gdy ciepło jest usuwane z cieczy, jej cząsteczki zwalniają i zaczynają osiadać w jednym miejscu w substancji. Kiedy substancja osiągnie wystarczająco niską temperaturę przy określonym ciśnieniu, czyli punkt zamarzania, ciecz staje się ciałem stałym.
Większość cieczy kurczy się podczas zamarzania. Woda jednak rozszerza się, gdy zamarza w lód, co powoduje, że cząsteczki oddalają się od siebie i zmniejszają gęstość, dlatego lód unosi się na powierzchni wody.
Dodanie do wody dodatkowych substancji, takich jak sól, może zmienić zarówno temperaturę topnienia, jak i zamarzania. Na przykład, dodanie soli do śniegu obniży temperaturę, w której woda zamarza na drogach, czyniąc je bezpieczniejszymi dla kierowców.
Istnieje również punkt, znany jako punkt potrójny, w którym ciała stałe, ciecze i gazy istnieją jednocześnie. Woda, na przykład, istnieje we wszystkich trzech stanach w temperaturze 273,16 Kelvina i pod ciśnieniem 611,2 paskali.
Sublimacja
Gdy ciało stałe jest przekształcane bezpośrednio w gaz bez przechodzenia przez fazę ciekłą, proces ten jest znany jako sublimacja. Może to nastąpić, gdy temperatura próbki zostanie gwałtownie podniesiona powyżej punktu wrzenia (odparowanie błyskawiczne) lub gdy substancja zostanie „zamrożona” poprzez schłodzenie jej w warunkach próżni, tak aby woda zawarta w substancji uległa sublimacji i została usunięta z próbki. Kilka substancji lotnych ulega sublimacji w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem, np. zamrożony dwutlenek węgla lub suchy lód.
Waporyzacja
Waporyzacja to przemiana cieczy w gaz, która może zachodzić przez parowanie lub wrzenie.
Ponieważ cząsteczki cieczy są w ciągłym ruchu, często zderzają się ze sobą. Każde zderzenie powoduje również przekazywanie energii, a gdy wystarczająca ilość energii jest przekazywana do cząsteczek w pobliżu powierzchni, mogą one zostać całkowicie wyrzucone z próbki jako wolne cząsteczki gazu. Ciecze chłodzą się podczas odparowywania, ponieważ energia przekazywana cząsteczkom powierzchniowym, która powoduje ich ucieczkę, zostaje z nimi uniesiona.
Płyn wrze, gdy do cieczy dodana jest wystarczająca ilość ciepła, aby spowodować powstanie pęcherzyków pary pod powierzchnią. Ta temperatura wrzenia jest temperatura i ciśnienie, w którym ciecz staje się gazem.
Kondensacja i osadzanie
Kondensacja występuje, gdy gaz traci energię i łączy się, tworząc ciecz. Na przykład, para wodna skrapla się w ciekłą wodę.
Odkładanie występuje, gdy gaz przekształca się bezpośrednio w ciało stałe, bez przechodzenia przez fazę ciekłą. Para wodna staje się lodem lub szronem, gdy powietrze dotykające ciała stałego, takiego jak źdźbło trawy, jest chłodniejsze niż reszta powietrza.
Dodatkowe zasoby:
- Zobacz: Tworzenie kondensatu Bosego-Einsteina, z National Institute of Standards and Technology.
- Dowiedz się, skąd wzięła się materia we wszechświecie, z Cornell University’s Ask an Astronomer.
- Dowiedz się więcej o materii, elementach i atomach, z Khan Academy.
Ten artykuł został zaktualizowany 21 sierpnia 2019 r., Przez Live Science Contributor Rachel Ross.