Агрегатний стан- стан речовини, що характеризується певними якісними властивостями: здатністю чи нездатністю зберігати обсяг і форму, наявністю чи відсутністю далекого та ближнього порядку та іншими. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібною зміною вільної енергії, ентропії, щільності та інших основних фізичних властивостей.
Виділяють три основні агрегатні стани: тверде тіло, рідина та газ. Іноді не зовсім коректно до агрегатних станів зараховують плазму. Існують і інші агрегатні стани, наприклад рідкі кристали або конденсат Бозе - Ейнштейна. Зміни агрегатного стану це термодинамічні процеси, які називаються фазовими переходами. Вирізняють такі їх різновиди: з твердого в рідке - плавлення; з рідкого в газоподібне - випаровування та кипіння; з твердого до газоподібного - сублімація; з газоподібного в рідке або тверде – конденсація; з рідкого в тверде – кристалізація. Відмінною особливістю є різка межа переходу до плазмового стану.
Визначення агрегатних станів який завжди є строгими. Так, існують аморфні тіла, що зберігають структуру рідини і мають невелику плинність і здатність зберігати форму; рідкі кристали текучи, але при цьому володіють деякими властивостями твердих тіл, зокрема, можуть поляризувати електромагнітне випромінювання, що проходить через них. Для опису різних станів у фізиці використовується ширше поняття термодинамічної фази. Явища, що описують переходи від однієї фази в іншу, називають критичними явищами.
Агрегатний стан речовини залежить від фізичних умов, у яких вона знаходиться, головним чином від температури та від тиску. Визначальною величиною є відношення середньої потенційної енергії взаємодії молекул до їхньої середньої кінетичної енергії. Так, для твердого тіла це відношення більше 1, для газів менше 1, а для рідин приблизно дорівнює 1. Перехід з одного агрегатного стану речовини в інше супроводжується стрибкоподібною зміною величини даного відношення, пов'язаною зі стрибкоподібною зміною міжмолекулярних відстаней і міжмолекулярних взаємодій. У газах міжмолекулярні відстані великі, молекули майже взаємодіють друг з одним і рухаються практично вільно, заповнюючи весь обсяг. У рідинах і твердих тілах -конденсованих середовищах - молекули (атоми) розташовані значно ближче один до одного і взаємодіють сильніше.
Це призводить до збереження рідинами та твердими тілами свого об'єму. Однак, характер руху молекул у твердих тілах та рідинах різний, чим і пояснюється відмінність їх структури та властивостей.
У твердих тіл у кристалоподібному стані атоми здійснюють лише коливання поблизу вузлів кристалічних ґрат; структура цих тіл характеризується високим ступенем упорядкованості – далеким та ближнім порядком. Тепловий рух молекул (атомів) рідини є поєднанням малих коливань біля положень рівноваги і частих перескоків з одного положення рівноваги в інше. Останні і зумовлюють існування в рідинах лише близького порядку розташування частинок, а також властиві їм рухливість і плинність.
а. Тверде тіло- стан, що характеризується здатністю зберігати обсяг та форму. Атоми твердого тіла здійснюють лише невеликі коливання довкола стану рівноваги. Є як далекий, і ближній порядок.
б. Рідина- стан речовини, при якому вона має малу стисливість, тобто добре зберігає об'єм, проте не здатна зберігати форму. Рідина легко набуває форми судини, в яку вона поміщена. Атоми чи молекули рідини роблять коливання поблизу стану рівноваги, замкнені іншими атомами, і часто перескакують інші вільні місця. Є лише ближній порядок.
Плавлення- це перехід речовини з твердого агрегатного стану (див. Агрегатні стани речовини) в рідкий. Цей процес відбувається при нагріванні, коли тілу повідомляють кілька теплоти +Q. Наприклад, легкоплавкий метал свинець переходить із твердого стану в рідкий, якщо його нагріти до температури 327 С. Свинець запросто плавиться на газовій плиті, наприклад, у ложці з нержавіючої сталі (відомо, що температура полум'я газового пальника - 600-850°С, а температура плавлення сталі - 1300-1500 ° С).
Якщо, плавлячи свинець, вимірювати його температуру, можна виявити, що спочатку вона плавно зростає, але після деякого моменту залишається постійною, незважаючи на подальше нагрівання. Цей момент відповідає плавленню. Температура тримається постійної до того часу, поки весь свинець не розплавиться, і тільки після цього починає підвищуватися знову. При охолодженні рідкого свинцю спостерігається зворотна картина: температура падає до початку затвердіння і залишається постійної постійно, поки свинець не перейде у тверду фазу, та був знову знижується.
Аналогічно поводяться всі чисті речовини. Постійність температури при плавленні має велике практичне значення, оскільки дозволяє градуювати термометри, виготовляти плавкі запобіжники та індикатори, які розплавляються за заданої температури.
Атоми в кристалі коливаються біля положень рівноваги. З підвищенням температури амплітуда коливань зростає і досягає деякої критичної величини, після чого кристалічні грати руйнуються. Для цього потрібна додаткова теплова енергія, тому під час плавлення температура не підвищується, хоча тепло продовжує надходити.
Температура плавлення залежить від тиску. Для речовин, у яких обсяг під час плавлення зростає (а таких переважна більшість), підвищення тиску підвищує температуру плавлення і навпаки. У води обсяг при плавленні зменшується (тому, замерзаючи, вода розриває труби), і за підвищення тиску лід плавиться за нижчої температури. Аналогічним чином поводяться вісмут, галій та деякі марки чавунів.
в. Газ- стан, що характеризується гарною стисливістю, відсутністю здатності зберігати як обсяг, і форму. Газ прагне зайняти весь обсяг, наданий йому. Атоми або молекули газу поводяться відносно вільно, відстані між ними набагато більші від їх розмірів.
Плазма, що часто зараховується до агрегатних станів речовини, відрізняється від газу великим ступенем іонізації атомів. Більшість баріонної речовини (за масою близько 99,9 %) у Всесвіті перебуває у стані плазми.
м. З верхкритичний флюїд- Виникає при одночасному підвищенні температури та тиску до критичної точки, в якій щільність газу порівнюється із щільністю рідини; при цьому зникає межа між рідкою та газоподібною фазами. Надкритичний флюїд відрізняється виключно високою здатністю, що розчиняє.
буд. Конденсат Бозе – Ейнштейна- Виходить в результаті охолодження бозе-газу до температур, близьких до абсолютного нуля. В результаті цього частина атомів виявляється у стані зі строго нульовою енергією (тобто в нижчому з можливих квантовому стані). Конденсат Бозе - Ейнштейна виявляє низку квантових властивостей, таких як надплинність та резонанс Фішбаха.
е. Ферміонний конденсат- являє собою Бозе-конденсацію в режимі БКШ «атомних куперівських пар» у газах, що складаються з атомів-ферміонів. (На відміну від традиційного режиму бозе-ейнштейнівської конденсації складових бозонів).
Такі ферміонні атомні конденсати є «родичами» надпровідників, але з критичною температурою кімнатної і вище.
Вироджена матерія - Фермі-газ 1-ша стадія Електронно-вироджений газ, що спостерігається в білих карликах, відіграє важливу роль в еволюції зірок. 2-я стадія нейтронний стан у нього речовина переходить при надвисокому тиску, недосяжному поки що в лабораторії, але існуючому всередині нейтронних зірок. При переході в нейтронний стан електрони речовини взаємодіють із протонами і перетворюються на нейтрони. В результаті речовина в нейтронному стані повністю складається з нейтронів і має щільність порядку ядерної. Температура речовини при цьому не повинна бути надто високою (в енергетичному еквіваленті не більше сотні МеВ).
При сильному підвищенні температури (сотні МеВ і вище) у нейтронному стані починають народжуватися та анігілювати різноманітні мезони. При подальшому підвищенні температури відбувається деконфайнмент, і речовина перетворюється на стан кварк-глюонної плазми. Воно складається вже не з адронів, а з кварків і глюонів, що постійно народжуються і зникають. Можливо, деконфайнмент відбувається у два етапи.
При подальшому необмеженому підвищенні тиску без підвищення температури речовина колапсує у чорну дірку.
При одночасному підвищенні тиску і температури до кварків і глюонів додаються інші частинки. Що відбувається з речовиною, простором та часом при температурах, близьких до планківської, поки що невідомо.
Інші стани
При глибокому охолодженні деякі (далеко не всі) речовини переходять у надпровідний або надплинний стан. Ці стани, безумовно, є окремими термодинамічних фаз, проте їх навряд чи варто називати новими агрегатними станами речовини в силу їх неуніверсальності.
Неоднорідні речовини типу паст, гелів, суспензій, аерозолів і т. д., які за певних умов демонструють властивості як твердих тіл, так і рідин і навіть газів, зазвичай відносять до класу дисперсних матеріалів, а не до будь-яких конкретних агрегатних станів речовини .

Агрегатний стан- це стан речовини у певному інтервалі температур і тисків, що характеризується властивостями: здатністю (тверде тіло) або нездатністю (рідина, газ) зберігати обсяг та форму; наявністю чи відсутністю далекого (тверде тіло) або ближнього (рідина) порядку та іншими властивостями.

Речовина може бути в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому або газоподібному, в даний час виділяють додатково плазмовий (іонний) стан.

У газоподібномуВідстань між атомами і молекулами речовини велика, сили взаємодії малі і частинки, хаотично переміщаючись в просторі, мають велику кінетичну енергію, що перевищує потенційну енергію. Матеріал у газоподібному стані не має ні своєї форми, ні обсягу. Газ заповнює весь доступний простір. Цей стан властивий для речовин із малою щільністю.

У рідкомустан зберігається лише ближній порядок атомів або молекул , коли в обсязі речовини періодично виникають окремі ділянки з упорядкованим розташуванням атомів, проте взаємна орієнтація цих ділянок також відсутня. p align="justify"> Близький порядок нестійкий і під дією теплових коливань атомів може або зникати, або виникати знову. Молекули рідини немає певного становища, й те водночас їм недоступна повна свобода переміщення. Матеріал у рідкому стані своєї форми не має, зберігає лише обсяг. Рідина може займати лише частину об'єму судини, але вільно перетікати по всій поверхні судини. Рідкий стан вважають проміжним між твердим тілом і газом.

У твердомуВ речовині порядок розташування атомів стає строго визначеним, закономірно впорядкованим, сили взаємодії частинок взаємно врівноважені, тому тіла зберігають свою форму і об'єм. Закономірно упорядковане розташування атомів у просторі характеризує кристалічний стан, атоми утворюють кристалічну решітку.

Тверді тіла мають аморфну ​​чи кристалічну будову. Для аморфнихтіл характерний лише ближній порядок розташування атомів чи молекул, хаотичне розташування атомів, молекул чи іонів у просторі. Прикладами аморфних тіл є скло, пек, вар, що зовні перебувають у твердому стані, хоча насправді вони повільно течуть, подібно до рідини. Певної температури плавлення у аморфних тіл, на відміну кристалічних, немає. Аморфні тіла займають проміжне положення між кристалічними твердими тілами та рідинами.

Більшість твердих тіл має кристалічнийбудова, яка відрізняється упорядкованим розташуванням атомів чи молекул у просторі. Для кристалічної структури властивий далекий порядок, коли елементи структури періодично повторюються; при ближньому порядку таке правильне повторення відсутнє. Характерною рисою кристалічного тіла є здатність зберігати форму. Ознакою ідеального кристала, моделлю якого є просторові грати, є властивість симетрії. Під симетрією розуміється теоретична здатність кристалічних ґрат твердого тіла поєднуватися самій із собою при дзеркальному відображенні її точок від деякої площини, званої площиною симетрії. Симетрія зовнішньої форми відбиває симетрію внутрішньої структури кристала. Кристалічну структуру мають, наприклад, всі метали, для яких характерні два типи симетрії: кубічна та гексагональна.

В аморфних структурах з невпорядкованим розподілом атомів властивості речовини у різних напрямках однакові, тобто склоподібні (аморфні) речовини ізотропні.

Для всіх кристалів характерна анізотропія. У кристалах відстані між атомами впорядковані, але в різних напрямках ступінь упорядкованості може бути неоднаковим, що призводить до відмінності властивостей речовини кристала в різних напрямках. Залежність властивостей речовини кристала від напрямку в його ґратах називають анізотропієювластивостей. Анізотропія проявляється при вимірі як фізичних, і механічних та інших характеристик. Існують властивості (щільність, теплоємність), що не залежать від напрямку в кристалі. Більшість характеристик залежить від вибору напрямку.

Виміряти властивості можна об'єктів, мають певний матеріальний обсяг: розміри - від кількох міліметрів до десятків сантиметрів. Ці об'єкти з будовою, ідентичним кристалічному осередку, називаються монокристалами.

Анізотропія властивостей проявляється в монокристалах і практично відсутня в полікристалічній речовині, що складається з багатьох дрібних хаотично орієнтованих кристалів. Тому полікристалічні речовини називають квазіізотропними.

Кристалізація полімерів, молекули яких можуть розташовуватися впорядковано з утворенням надмолекулярних структур у вигляді пачок, клубків (глобул), фібрил тощо, відбувається у певному інтервалі температур. Складне будова молекул та його агрегатів визначає специфіку поведінки полімерів при нагріванні. Вони не можуть перейти в рідкий стан із низькою в'язкістю, не мають газоподібного стану. У твердому вигляді полімери можуть перебувати в склоподібному, високоеластичному та в'язкотекучому станах. Полімери з лінійними або розгалуженими молекулами при зміні температури можуть переходити з одного стану до іншого, що проявляється в процесі деформації полімеру. На рис. 9 наведено залежність деформації від температури.

Мал. 9 Термомеханічна крива аморфного полімеру: t c, tт, tр - температури склування, плинності та початку хімічного розкладання відповідно; I - III - зони склоподібного, високоеластичного та в'язкотекучого стану відповідно; Δ l- Деформація.

Просторова структура розташування молекул визначає лише склоподібний стан полімеру. При низьких температурах усі полімери деформуються пружно (рис. 9, зона I). Вище температури склування t c аморфний полімер з лінійною структурою перетворюється на високоеластичний стан ( зона II), та його деформація в склоподібному та високоеластичному станах оборотна. Нагрівання вище температури плинності tт переводить полімер у в'язкотекучий стан ( зона III). Деформація полімеру у в'язкотекучому стані необоротна. Аморфний полімер з просторовою (сітчастою, пошитою) структурою не має в'язкотекучого стану, температурна область високоеластичного стану розширюється до температури розкладання полімеру tнар. Така поведінка характерна для матеріалів типу гум.

Температура речовини у будь-якому агрегатному стані характеризує середню кінетичну енергію його частинок (атомів та молекул). Ці частинки в тілах мають в основному кінетичну енергію коливальних рухів щодо центру рівноваги, де енергія мінімальна. При досягненні деякої критичної температури твердий матеріал втрачає свою міцність (стійкість) і розплавляється, а рідина перетворюється на пару: кипить і випаровується. Цими критичними температурами є температури плавлення та кипіння.

При нагріванні кристалічного матеріалу за певної температури молекули рухаються настільки енергійно, що жорсткі зв'язки в полімері порушуються і кристали руйнуються - переходять у рідкий стан. Температура, коли він кристали і рідина перебувають у рівновазі, називається точкою плавлення кристала, чи точкою твердіння рідини. Для йоду ця температура дорівнює 114 о.

Кожен хімічний елемент має індивідуальну температуру плавлення tпл, що розділяє існування твердого тіла та рідини, та температурою кипіння tкіп, що відповідає переходу рідини в газ. При цих температурах речовини перебувають у термодинамічній рівновазі. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібною зміною вільної енергії, ентропії, щільності та інших фізичних величин

Для опису різних станів у фізиці використовується ширше поняттятермодинамічна фаза. Явища, що описують переходи з однієї фази до іншої, називають критичними.

При нагріванні речовини зазнають фазових перетворень. Мідь при плавленні (1083 про З) перетворюється на рідину, у якій атоми мають лише ближній порядок. При тиску 1 атм мідь кипить при 2310 про З перетворюється на газоподібну мідь з безладно розташованими атомами міді. У точці плавлення тиску насиченої пари кристала та рідини рівні.

Матеріал загалом є систему.

Система- група речовин, об'єднаних фізичними,хімічними чи механічними взаємодіями. Фазоюназивають однорідну частину системи, відокремлену від інших частин фізичними межами розділу (у чавуні: графіт + зерна заліза; у воді з льодом: лід + вода).Складові частиниСистеми - це різні фази, що утворюють цю систему. Компоненти системи- Це речовини, що утворюють всі фази (складові частини) даної системи.

Матеріали, що складаються з двох і більше фаз, є дисперснісистеми. Дисперсні системи поділяють на золі, поведінка яких нагадує поведінку рідин, та гелі з характерними властивостями твердих тіл. У золях дисперсійним середовищем, у якій розподілена речовина, є рідина, в гелях переважає тверда фаза. Гелями є напівкристалічний метал, бетон, розчин желатину у воді за низької температури (при високій температурі желатин переходить у золь). Гідрозолем називають дисперсію у воді, аерозолем – дисперсію у повітрі.

Діаграми стану.

У термодинамічній системі кожна фаза характеризується такими параметрами, як температура Т, концентрація зта тиск Р. Для опису фазових перетворень використовується єдина енергетична характеристика – вільна енергія Гіббса ΔG(Термодинамічний потенціал).

Термодинаміка в описах перетворень обмежується розглядом стану рівноваги. Рівноважний стантермодинамічної системи характеризується незмінністю термодинамічних параметрів (температури та концентрації, так як у технологічних обробках Р= const) у часі та відсутністю в ній потоків енергії та речовини - за сталості зовнішніх умов. Фазова рівновага- рівноважний стан термодинамічної системи, що складається з двох чи більше фаз.

Для математичного опису умов рівноваги системи існує правило фаз, Виведений Гіббсом. Воно пов'язує число фаз (Ф) та компонентів (К) у рівноважній системі з варіантністю системи, тобто числом термодинамічних ступенів свободи (С).

Число термодинамічних ступенів свободи (варіантність) системи – це число незалежних змінних як внутрішніх (хімічний склад фаз), так і зовнішніх (температура), яким можна надавати різні довільні (у деякому інтервалі) значення так, щоб не з'явилися нові та не зникли старі фази .

Рівняння правила фаз Гіббса:

З = К – Ф + 1.

Відповідно до цього правила в системі з двох компонентів (К = 2) можливі наступні варіанти ступенів свободи:

Для однофазного стану (Ф = 1) С = 2, тобто можна змінювати температуру та концентрацію;

Для двофазного стану (Ф = 2) С = 1, тобто можна змінювати лише один зовнішній параметр (наприклад, температуру);

Для трифазного стану число ступенів свободи дорівнює нулю, тобто не можна змінювати температуру без порушення рівноваги в системі (система нонваріантна).

Наприклад, для чистого металу (К = 1) під час кристалізації, коли є дві фази (Ф = 2), число ступенів свободи дорівнює нулю. Це означає, що температура кристалізації може бути змінена, доки закінчиться процес і залишиться одна фаза - твердий кристал. Після закінчення кристалізації (Ф = 1) число ступенів свободи дорівнює 1 тому можна змінювати температуру, тобто охолоджувати тверду речовину, не порушуючи рівноваги.

Поведінка систем залежно від температури та концентрації описується діаграмою стану. Діаграма стану води — система з одним компонентом H 2 O, тому найбільше фаз, які одночасно можуть перебувати в рівновазі, дорівнює трьом (рис. 10). Ці три фази – рідина, лід, пара. Число ступенів свободи у разі дорівнює нулю, тобто. не можна змінити ні тиск, ні температуру, щоб не зникла жодна фаза. Звичайна крига, рідка вода і водяна пара можуть існувати в рівновазі одночасно тільки при тиску 0,61 кПа і температурі 0,0075°С. Точка співіснування трьох фаз називається потрійною точкою ( O).

Крива ОСрозділяє області пари і рідини і є залежністю тиску насиченої водяної пари від температури. Крива ОС показує ті взаємопов'язані значення температури та тиску, при яких рідка вода та водяна пара знаходяться в рівновазі один з одним, тому вона називається кривою рівноваги рідина – пара або кривою кипіння.

10 Діаграма стану води

Крива ОВвідокремлює область рідини від льоду. Вона є кривою рівноваги твердий стан - рідина і називається кривою плавлення. Ця крива показує ті взаємозалежні пари значень температури і тиску, у яких лід і рідка вода перебувають у рівновазі.

Крива OAназивається кривою сублімації і показує взаємопов'язані пари значень тиску та температури, при яких у рівновазі знаходяться лід та водяна пара.

Діаграма стану - наочний спосіб представлення областей існування різних фаз залежно від зовнішніх умов, наприклад, від тиску і температури. Діаграми стану активно використовуються у матеріалознавстві на різних технологічних етапах отримання виробу.

Рідина відрізняється від твердого кристалічного тіла малими значеннями в'язкості (внутрішнього тертя молекул) та високими значеннями плинності (величина, зворотна в'язкості). Рідина складається з безлічі агрегатів молекул, усередині яких частинки розташовані в певному порядку, подібно до порядку в кристалах. Природа структурних одиниць та міжчастинної взаємодії визначає властивості рідини. Розрізняють рідини: моноатомні (зріджені шляхетні гази), молекулярні (вода), іонні (розплавлені солі), металеві (розплавлені метали), рідкі напівпровідники. У більшості випадків рідина є не тільки агрегатним станом, а й термодинамічною (рідкою) фазою.

Рідкі речовини найчастіше є розчинами. Розчиноднорідний, але не є хімічно чистою речовиною, складається з розчиненої речовини та розчинника (приклади розчинника - вода або органічні розчинники: дихлоретан, спирт, чотирихлористий вуглець та ін), тому є сумішшю речовин. Приклад – розчин спирту у воді. Однак розчинами є суміші газоподібних (наприклад, повітря) або твердих (сплави металів) речовин.

При охолодженні в умовах малої швидкості утворення центрів кристалізації та сильного збільшення в'язкості може виникнути склоподібний стан. Скло - це ізотропні тверді матеріали, одержувані переохолодженням розплавлених неорганічних та органічних сполук.

Відомо багато речовин, перехід яких із кристалічного стану в ізотропний рідкий здійснюється через проміжний рідкокристалічний стан. Воно характерне для речовин, молекули яких мають форму довгих стрижнів (паличок) з асиметричною будовою. Такі фазові переходи, що супроводжуються тепловими ефектами, викликають стрибкоподібну зміну механічних, оптичних, діелектричних та інших властивостей.

Рідкі кристали, подібно до рідини, можуть приймати форму подовженої краплі або форму судини, володіють високою плинністю, здатні до злиття. Вони набули широкого застосування у різних галузях науки і техніки. Їхні оптичні властивості сильно залежать від невеликих змін зовнішніх умов. Ця особливість використовується у електрооптичних пристроях. Зокрема, рідкі кристали застосовують при виготовленні електронного наручного годинника, візуальної апаратури та ін.

До основних агрегатних станів належить плазма- частково чи повністю іонізований газ. За способом утворення розрізняють два види плазми: термічну, що виникає при нагріванні газу до високих температур, і газоподібну, що утворюється при електричних розрядах у газовому середовищі.

Плазмохімічні процеси посіли міцне місце у низці галузей техніки. Вони застосовуються для різання та зварювання тугоплавких металів, синтезу різних речовин, широко використовують плазмові джерела світла, перспективне застосування плазми в термоядерних енергетичних установках та ін.

Найбільш поширене знання про три агрегатні стани: рідкий, твердий, газоподібний, іноді згадують про плазмовий, рідше рідкокристалічний. Останнім часом в інтернеті поширився перелік 17 фаз речовини, взятий із відомої Стівена Фрая. Тому розповімо про них докладніше, т.к. про матерію слід знати трохи більше хоча б для того, щоб краще розуміти процеси, що відбуваються у Всесвіті.

Наведений нижче список агрегатних станів речовини зростає від найхолодніших станів до гарячих і т.ч. може бути продовжено. Одночасно слід розуміти, що від газоподібного стану (№11), самого «розтисненого», в обидва боки списку ступінь стиснення речовини та її тиск (з деякими застереженнями для таких невивчених гіпотетичних станів, як квантовий, променевий або слабосиметричний) зростають. наведено наочний графік фазових переходів матерії.

1. Квантове- Агрегатний стан речовини, що досягається при зниженні температури до абсолютного нуля, в результаті чого зникають внутрішні зв'язки і матерія розсипається на вільні кварки.

2. Конденсат Бозе-Ейнштейна- Агрегатний стан матерії, основу якої становлять бозони, охолоджені до температур, близьких до абсолютного нуля (менше мільйонної частки градуса вище абсолютного нуля). У такому сильно охолодженому стані досить багато атомів виявляється у своїх мінімально можливих квантових станах і квантові ефекти починають проявлятися на макроскопічному рівні. Конденсат Бозе-Ейнштейна (який часто називають «бозе-конденсат», або просто «бек») виникає, коли ви охолоджуєте той чи інший хімічний елемент до надзвичайно низьких температур (як правило, до температури трохи вище за абсолютний нуль, мінус 273 градуси за Цельсієм) , - Теоретична температура, при якій все перестає рухатися).
Ось тут із речовиною починають відбуватися зовсім дивні речі. Процеси, які зазвичай спостерігаються лише на рівні атомів, тепер протікають у масштабах, досить великих для спостереження неозброєним оком. Наприклад, якщо помістити «бек» в лабораторну склянку і забезпечити потрібний температурний режим, речовина почне повзти вгору по стінці і зрештою сама по собі вибереться назовні.
Зважаючи на все, тут ми маємо справу з марною спробою речовини знизити власну енергію (яка і так знаходиться на найнижчому з усіх можливих рівнів).
Уповільнення атомів з використанням охолоджувальної апаратури дозволяє отримати сингулярний квантовий стан, відомий як конденсат Бозе, або Бозе Ейнштейна. Це явище було передбачено в 1925 році А. Ейнштейном, як результат узагальнення роботи Ш. Бозе, де будувалася статистична механіка для частинок, починаючи від безмасових фотоно до володіють масою атомів (рукопис Ейнштейна, яка вважалася втраченою, була виявлена ​​в бібліотеці Лейденського університету) ). Результатом зусиль Бозе та Ейнштейна стала концепція Бозе газу, що підпорядковується статистиці Бозе - Ейнштейна, яка описує статистичний розподіл тотожних частинок із цілим спином, які називають бозонами. Бозони, якими є, наприклад, окремі елементарні частинки — фотони, і цілі атоми, можуть бути один з одним в однакових квантових станах. Ейнштейн припустив, що охолодження атомів — бозонів до дуже низьких температур змусить їх перейти (чи інакше, сконденсуватися) в найнижчий можливий квантовий стан. Результатом такої конденсації стане поява нової форми речовини.
Цей перехід виникає нижче критичної температури, яка для однорідного тривимірного газу, що складається з частинок, що невзаємодіють, без будь-яких внутрішніх ступенів свободи.

3. Ферміонний конденсат- Агрегатний стан речовини, схоже з беком, але відрізняється за будовою. При наближенні до абсолютного нуля атоми поводяться по-різному залежно від величини моменту кількості руху (спина). У бозонів спини мають цілі значення, а у ферміонів - кратні 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Ферміони підпорядковуються принципу заборони Паулі, згідно з яким два ферміони не можуть мати один і той же квантовий стан. Для бозонів такої заборони немає, і тому у них є можливість існувати в одному квантовому стані і утворювати таким чином так званий конденсат Бозе-Ейнштейна. Процес утворення цього конденсату відповідає за перехід у надпровідний стан.
Електрони мають спін 1/2 і, отже, належать до ферміонів. Вони поєднуються в пари (так звані пари Купера), які потім утворюють Бозе-конденсат.
Американські вчені спробували отримати свого роду молекули з атомів-ферміонів при глибокому охолодженні. Відмінність від справжніх молекул полягала в тому, що між атомами не було хімічного зв'язку – просто вони рухалися разом, корелованим чином. Зв'язок між атомами виявився навіть міцнішим, ніж між електронами в куперівських парах. У утворених пар ферміонів сумарний спин вже не кратний 1/2, отже, вони поводяться як бозони і можуть утворювати бозе-конденсат з єдиним квантовим станом. В ході експерименту охолоджували газ з атомів калію-40 до 300 нанокельвінів, при цьому газ полягав у так звану оптичну пастку. Потім наклали зовнішнє магнітне поле, за допомогою якого вдалося змінити природу взаємодій між атомами – замість сильного відштовхування почало спостерігатися сильне тяжіння. При аналізі впливу магнітного поля вдалося знайти таке його значення, у якому атоми почали поводитися, як куперовские пари електронів. На наступному етапі експерименту вчені мають намір отримати ефекти надпровідності для ферміонного конденсату.

4. Надплинна речовина— стан, у якому у речовини фактично відсутня в'язкість, а при перебігу він не відчуває тертя з твердою поверхнею. Наслідком цього є, наприклад, такий цікавий ефект, як повне мимовільне «виповзання» надплинного гелію з судини на його стінках проти сили тяжіння. Порушення закону збереження енергії тут, звісно ж, немає. За відсутності сил тертя на гелій діють лише сили тяжіння, сили міжатомної взаємодії між гелієм та стінками судини та між атомами гелію. Так ось, сили міжатомної взаємодії перевищують решту всіх сил разом узятих. В результаті гелій прагне розтечитися якнайсильніше по всіх можливих поверхнях, тому і «мандрує» по стінках судини. У 1938 році радянський учений Петро Капіца довів, що гелій може існувати в надплинному стані.
Варто відзначити, що багато незвичайних властивостей гелію відомі вже досить давно. Однак і останніми роками цей хімічний елемент «балує» нас цікавими та несподіваними ефектами. Так, у 2004 році Мозес Чань та Еун-Сьонг Кім з Університету Пенсільванії заінтригували науковий світ заявою про те, що їм вдалося отримати абсолютно новий стан гелію — надплинну тверду речовину. У цьому стані одні атоми гелію в кристалічній решітці можуть обтікати інші, і таким чином гелій може текти сам через себе. Ефект "надтвердості" теоретично був передбачений ще 1969 року. І ось 2004 року — начебто експериментальне підтвердження. Проте пізніші й дуже цікаві експерименти показали, що не так просто, і, можливо, така інтерпретація явища, яке до цього приймалося за надплинність твердого гелію, неправильна.
Експеримент вчених під керівництвом Хемфрі Маріса з Університету Брауна в США був простим і витонченим. Вчені поміщали перегорнуту вгору дном пробірку в замкнутий резервуар з рідким гелієм. Частину гелію в пробірці та в резервуарі вони заморожували таким чином, щоб межа між рідким і твердим усередині пробірки була вищою, ніж у резервуарі. Іншими словами, у верхній частині пробірки був рідкий гелій, у нижній - твердий, він плавно переходив у тверду фазу резервуара, над якою було налито трохи рідкого гелію - нижче, ніж рівень рідини в пробірці. Якби рідкий гелій став просочуватися через твердий, то різниця рівнів зменшилася б, і тоді можна говорити про тверду надплинну гелію. І в принципі, у трьох із 13 експериментів різниця рівнів справді зменшувалася.

5. Надтверда речовина- Агрегатний стан при якому матерія прозора і може "текти", як рідина, але фактично вона позбавлена ​​в'язкості. Такі рідини відомі багато років, їх називають суперфлюїдами. Справа в тому, що якщо суперрідина розмішати, вона циркулюватиме чи не вічно, тоді як нормальна рідина в кінцевому рахунку заспокоїться. Перші два суперфлюїди були створені дослідниками з використанням гелію-4 та гелію-3. Вони були охолоджені майже до абсолютного нуля — мінус 273 градусів Цельсія. А з гелію-4 американським вченим вдалося отримати надтверде тіло. Заморожений гелій вони стиснули тиском більш ніж у 60 разів, а потім заповнений речовиною склянку встановили на диск, що обертається. За температури 0,175 градусів Цельсія диск раптово почав обертатися вільніше, що, на думку вчених, свідчить про те, що гелій став супертілом.

6. Тверде- Агрегатний стан речовини, що відрізняється стабільністю форми і характером теплового руху атомів, які здійснюють малі коливання навколо положень рівноваги. Стійким станом твердих тіл є кристалічний. Розрізняють тверді тіла з іонною, ковалентною, металевою та ін. типами зв'язку між атомами, що зумовлює різноманітність їх фізичних властивостей. Електричні та деякі інші властивості твердих тіл в основному визначаються характером руху зовнішніх електронів його атомів. За електричними властивостями тверді тіла поділяються на діелектрики, напівпровідники та метали, за магнітними - на діамагнетики, парамагнетики та тіла з упорядкованою магнітною структурою. Дослідження властивостей твердих тіл об'єдналися у велику галузь - фізику твердого тіла, розвиток якої стимулюється потребами техніки.

7. Аморфне тверде- Конденсований агрегатний стан речовини, що характеризується ізотропією фізичних властивостей, обумовленої невпорядкованим розташуванням атомів і молекул. У аморфних твердих тілах атоми коливаються біля хаотично розташованих точок. На відміну від кристалічного стану перехід з твердого аморфного рідке відбувається поступово. В аморфному стані знаходяться різні речовини: скла, смоли, пластмаси і т.д.

8. Рідкокристалічний- Це специфічне агрегатне стан речовини, в якому воно виявляє одночасно властивості кристала і рідини. Відразу треба зазначити, що далеко не всі речовини можуть перебувати в рідкокристалічному стані. Однак, деякі органічні речовини, що володіють складними молекулами, можуть утворювати специфічний агрегатний стан - рідкокристалічний. Цей стан здійснюється при плавленні кристалів деяких речовин. При їх плавленні утворюється рідкокристалічна фаза, що відрізняється від звичайних рідин. Ця фаза існує в інтервалі від температури плавлення кристала до деякої вищої температури, при нагріванні до якої рідкий кристал переходить у звичайну рідину.
Чим же рідкий кристал відрізняється від рідини та звичайного кристала і чим схожий на них? Подібно до звичайної рідини, рідкий кристал має плинність і набуває форми судини, в яку він поміщений. Цим він відрізняється від відомих усім кристалів. Однак, незважаючи на цю властивість, що поєднує його з рідкістю, він має властивість, характерну для кристалів. Це - впорядкування у просторі молекул, що утворюють кристал. Правда, це впорядкування не таке повне, як у звичайних кристалах, але, проте, воно істотно впливає на властивості рідких кристалів, чим і відрізняє їх від звичайних рідин. Неповне просторове впорядкування молекул, що утворюють рідкий кристал, проявляється в тому, що в рідких кристалах немає повного порядку в просторовому розташуванні центрів тяжіння молекул, хоча частковий порядок може бути. Це означає, що у них немає жорсткої кристалічної решітки. Тому рідкі кристали, подібно до звичайних рідин, мають властивість плинності.
Обов'язковою властивістю рідких кристалів, що зближує їх із звичайними кристалами, є наявність порядку просторової орієнтації молекул. Такий порядок в орієнтації може виявлятися, наприклад, у тому, що всі довгі осі молекул в рідкокристалічному зразку орієнтовані однаково. Ці молекули повинні мати витягнуту форму. Крім найпростішого названого впорядкування осей молекул, в рідкому кристалі може здійснюватися складніший орієнтаційний порядок молекул.
Залежно від виду впорядкування осей молекул рідкі кристали поділяються на три різновиди: нематичні, смектичні та холестеричні.
Дослідження з фізики рідких кристалів та їх застосуванням в даний час ведуться широким фронтом у всіх найбільш розвинених країнах світу. Вітчизняні дослідження зосереджені як в академічних, так і галузевих науково-дослідних установах і мають давні традиції. Широку популярність і визнання здобули виконані ще в тридцяті роки в Ленінграді роботи В.К. Фредерікса до В.М. Цвєткова. В останні роки бурхливого вивчення рідких кристалів вітчизняні дослідники також роблять вагомий внесок у розвиток вчення про рідкі кристали в цілому і, зокрема, оптику рідких кристалів. Так, роботи І.Г. Чистякова, А.П. Капустіна, С.А. Бразовського, С.А. Пікіна, Л.М. Блінова та багатьох інших радянських дослідників широко відомі наукової громадськості і є фундаментом низки ефективних технічних додатків рідких кристалів.
Існування рідких кристалів було встановлено дуже давно, а саме у 1888 році, тобто майже сторіччя тому. Хоча вчені і до 1888 року стикалися з цим станом речовини, але офіційно його відкрили пізніше.
Першим, хто виявив рідкі кристали, був австрійський вчений-ботанік Рейнітцер. Досліджуючи нову синтезовану ним речовину холестерилбензоат, він виявив, що при температурі 145 ° С кристали цієї речовини плавляться, утворюючи каламутну сильно розсіює світло рідина. При продовженні нагріву після досягнення температури 179°С рідина просвітлюється, т. е. починає поводитися в оптичному відношенні, як звичайна рідина, наприклад вода. Несподівані властивості холестерилбензоат виявляв у каламутній фазі. Розглядаючи цю фазу під поляризаційним мікроскопом, Рей-нітцер виявив, що вона має двозаломлення. Це означає, що показник заломлення світла, тобто швидкість світла в цій фазі, залежить від поляризації.

9. Рідке- Агрегатний стан речовини, що поєднує в собі риси твердого стану (збереження обсягу, певна міцність на розрив) і газоподібного (мінливість форми). Для рідини характерні ближній порядок у розташуванні частинок (молекул, атомів) та мале відмінність у кінетичній енергії теплового руху молекул та його потенційної енергії взаємодії. Тепловий рух молекул рідини складається з коливань біля положень рівноваги та порівняно рідкісних перескоків з одного рівноважного положення до іншого, з цим пов'язана плинність рідини.

10. Надкритичний флюїд(СКФ) - агрегатний стан речовини, при якому зникає відмінність між рідкою та газовою фазою. Будь-яка речовина, що знаходиться при температурі та тиску вище критичної точки є надкритичним флюїдом. Властивості речовини у надкритичному стані проміжні між його властивостями в газовій та рідкій фазі. Так, СКФ має високу щільність, близьку до рідини, і низьку в'язкість, як і гази. Коефіцієнт дифузії при цьому має проміжне між рідиною та газом значення. Речовини у надкритичному стані можуть застосовуватися як замінники органічних розчинників у лабораторних та промислових процесах. Найбільший інтерес та поширення у зв'язку з певними властивостями отримали надкритична вода та надкритичний діоксид вуглецю.
Одна з найважливіших властивостей надкритичного стану - це здатність до розчинення речовин. Змінюючи температуру або тиск флюїду, можна змінювати його властивості в широкому діапазоні. Так, можна отримати флюїд, за властивостями близький до рідини, або до газу. Так, розчинна здатність флюїду збільшується зі збільшенням густини (при постійній температурі). Оскільки щільність зростає при збільшенні тиску, змінюючи тиск можна впливати на розчинну здатність флюїду (при постійній температурі). У випадку з температурою заздрість властивостей флюїду дещо складніша - при постійній щільності розчинна здатність флюїду також зростає, проте поблизу критичної точки незначне збільшення температури може призвести до різкого падіння щільності, і, відповідно, розчинної здатності. Надкритичні флюїди необмежено поєднуються один з одним, тому при досягненні критичної точки суміші система завжди буде однофазною. Приблизна критична температура бінарної суміші може бути розрахована як середня арифмітична від критичних параметрів речовин Tc(mix) = (мольна частка A) x TcA + (мольна частка B) x TcB.

11. Газоподібне- (франц. gaz, від грец. chaos - хаос), агрегатний стан речовини, в якому кінетична енергія теплового руху його частинок (молекул, атомів, іонів) значно перевершує потенційну енергію взаємодій між ними, у зв'язку з чим частки рухаються вільно, рівномірно заповнюючи відсутність зовнішніх полів весь наданий їм обсяг.

12. Плазма- (Від грец. Plasma - виліплений, оформлений), стан речовини, що являє собою іонізований газ, в якому концентрації позитивних і негативних зарядів рівні (квазінейтральність). У стані плазми знаходиться переважна частина речовини Всесвіту: зірки, галактичні туманності та міжзоряне середовище. Біля Землі плазма існує у вигляді сонячного вітру, магнітосфери та іоносфери. Високотемпературна плазма (Т ~ 106 - 108К) із суміші дейтерію та тритію досліджується з метою здійснення керованого термоядерного синтезу. Низькотемпературна плазма (Т ? .

13. Вироджена речовина- є проміжною стадією між плазмою та нейтроніумом. Воно спостерігається у білих карликах, відіграє важливу роль в еволюції зірок. Коли атоми перебувають в умовах надзвичайно високих температур та тисків, вони втрачають свої електрони (вони переходять у електронний газ). Іншими словами, вони повністю іонізовані (плазма). Тиск такого газу (плазми) визначається тиском електронів. Якщо щільність дуже висока, всі частки змушені наближатися один до одного. Електрони можуть бути в станах з певними енергіями, причому два електрони не можуть мати однакову енергію (якщо тільки їх спини не протилежні). Таким чином, у щільному газі усі нижні рівні енергії виявляються заповненими електронами. Такий газ називається виродженим. У цьому стані електрони виявляють вироджений електронний тиск, який протидіє силам гравітації.

14. Нейтроніум- Агрегатний стан, в який речовина переходить при надвисокому тиску, недосяжному поки в лабораторії, але існуючому всередині нейтронних зірок. При переході в нейтронний стан електрони речовини взаємодіють із протонами і перетворюються на нейтрони. В результаті речовина в нейтронному стані повністю складається з нейтронів і має щільність порядку ядерної. Температура речовини при цьому не повинна бути надто високою (в енергетичному еквіваленті не більше сотні МеВ).
При сильному підвищенні температури (сотні МеВ і вище) у нейтронному стані починають народжуватися та анігілювати різноманітні мезони. При подальшому підвищенні температури відбувається деконфайнмент, і речовина перетворюється на стан кварк-глюонної плазми. Воно складається вже не з адронів, а з кварків і глюонів, що постійно народжуються і зникають.

15. Кварк-глюонна плазма(хромоплазма) - агрегатний стан речовини у фізиці високих енергій та фізиці елементарних частинок, при якому адронна речовина переходить у стан, аналогічний стану, в якому знаходяться електрони та іони у звичайній плазмі.
Зазвичай речовина в адронах знаходиться у так званому безбарвному (білому) стані. Тобто кварки різних кольорів компенсують один одного. Аналогічний стан є і у звичайної речовини — коли всі атоми є електрично нейтральними, тобто,
позитивні заряди у яких компенсовані негативними. За високих температур може відбуватися іонізація атомів, при цьому заряди поділяються, і речовина стає, як кажуть, «квазінейтральною». Тобто, нейтральною залишається вся хмара речовини в цілому, а окремі її частинки нейтральними перестають. Так само, мабуть, може відбуватися і з адронною речовиною — за дуже високих енергій, колір виходить на волю і робить речовину «квазібезбарвною».
Імовірно, речовина Всесвіту перебувала у стані кварк-глюонної плазми у перші миті після Великого Вибуху. Зараз кварк-глюонна плазма може на короткий час утворюватися при зіткненнях часток дуже високих енергій.
Кварк-глюонну плазму було отримано експериментально на прискорювачі RHIC Брукхейвенської національної лабораторії у 2005 році. Максимальна температура плазми 4 трильйони градусів Цельсія була отримана там же в лютому 2010 року.

16. Дивна речовина- Агрегатний стан, при якому матерія стискається до граничних значень щільності, воно може існувати у вигляді "кваркового супу". Кубічний сантиметр речовини у цьому стані важитиме мільярди тонн; до того ж він буде перетворювати будь-яку нормальну речовину, з якою стикнеться, на ту ж "дивну" форму з викидом значної кількості енергії.
Енергія, яка може виділитися при перетворенні речовини ядра зірки на "дивну речовину", призведе до надпотужного вибуху "кваркової нової", - і, на думку Ліхи та Уйєда, саме його астрономи у вересні 2006 року і спостерігали.
Процес утворення цієї речовини почався із звичайною надновою, до якої звернулася масивна зірка. Внаслідок першого вибуху утворилася нейтронна зірка. Але, на думку Лихи і Уйеда, проіснувала вона дуже недовго, - у міру того, як її обертання здавалося загальмувалося її власним магнітним полем, вона почала стискатися ще сильніше, з утворенням згустку "дивної речовини", що призвело до ще більш потужного, ніж при звичайному вибуху наднової, викиду енергії і зовнішніх шарів речовини колишньої нейтронної зірки, що розліталися в навколишній простір зі швидкістю, близькою до швидкості світла.

17. Сильно симетрична речовина— це речовина, стиснута настільки, коли мікрочастинки всередині нього нашаровуються одна на одну, а саме тіло колапсує в чорну діру. Термін «симетрія» пояснюється наступним: Візьмемо відомі всім зі шкільної лави агрегатні стани речовини – тверді, рідкі, газоподібні. Для певності як тверду речовину розглянемо ідеальний нескінченний кристал. У ньому існує певна так звана дискретна симетрія щодо перенесення. Це означає, що, якщо зрушити кристалічну решітку на відстань, що дорівнює інтервалу між двома атомами, в ній нічого не зміниться – кристал збігатиметься сам із собою. Якщо ж кристал розплавити, то симетрія рідини, що вийшла з нього, буде іншою: вона зросте. У кристалі рівноцінними були лише точки, віддалені друг від друга певні відстані, звані вузли кристалічної решітки, у яких знаходилися однакові атоми.
Рідина ж однорідна по всьому обсягу, всі її точки не відрізняються одна від одної. Це означає, що рідини можна зміщуватися на будь-які довільні відстані (а не лише на якісь дискретні, як у кристалі) або повертатися на будь-які довільні кути (чого в кристалах робити не можна взагалі) і вона співпадатиме сама з собою. Ступінь її симетрії вищий. Газ ще симетричніший: рідина займає певний обсяг у посудині і спостерігається асиметрія всередині судини, де рідина є, і точки, де її немає. Газ займає весь наданий йому обсяг, і в цьому сенсі всі її точки не відрізняються одна від одної. Все ж тут було б правильніше говорити не про точки, а про малі, але макроскопічні елементи, тому що на мікроскопічному рівні відмінності все-таки є. В одних точках зараз є атоми або молекули, а в інших немає. Симетрія спостерігається тільки в середньому, або за деякими макроскопічними параметрами об'єму, або за часом.
Але миттєвої симетрії на мікроскопічному рівні тут, як і раніше, ще немає. Якщо ж речовину стискати дуже сильно, до тисків які в побуті неприпустимі, стискати так, що атоми були розчавлені, їх оболонки проникли один в одного, а ядра почали стикатися, виникає симетрія і на мікроскопічному рівні. Всі ядра однакові і притиснуті один до одного, немає не тільки міжатомних, а й міжядерних відстаней і речовина стає однорідною (дивна речовина).
Але є ще субмікроскопічний рівень. Ядра складаються з протонів та нейтронів, які рухаються всередині ядра. Між ними також є якийсь простір. Якщо продовжувати стискати так, що будуть розчавлені ядра, нуклони щільно притиснуться один до одного. Тоді і на субмікроскопічному рівні з'явиться симетрія, якої немає навіть усередині звичайних ядер.
Зі сказаного можна побачити цілком певну тенденцію: чим вища температура і більший тиск, тим більш симетричною стає речовина. Виходячи з цих міркувань стисло до максимуму речовина називається сильно симетричним.

18. Слабо симетрична речовина— стан, протилежний сильно симетричній речовині за своїми властивостями, що був у дуже ранньому Всесвіті при температурі близької до планківської, можливо, через 10-12 секунд після Великого Вибуху, коли сильні, слабкі та електромагнітні сили являли собою єдину суперсилу. У цьому стані речовина стиснута настільки, що його маса переходить в енергію, яка починає інфлуювати, тобто необмежено розширюватися. Досягти енергій для експериментального отримання суперсили та переведення речовини в цю фазу в земних умовах поки що неможливо, хоча такі спроби робилися на Великому Адронному Колайдері з метою вивчення раннього всесвіту. Зважаючи на відсутність у складі суперсили, що утворює цю речовину, гравітаційної взаємодії, суперсила є мало симетричною в порівнянні з суперсиметричною силою, що містить всі 4 види взаємодій. Тому цей агрегатний стан і отримав таку назву.

19. Променева речовина— це, насправді, вже зовсім не речовина, а в чистому вигляді енергія. Однак саме цей гіпотетичний агрегатний стан прийме тіло, яке досягло швидкості світла. Також його можна отримати, розігрівши тіло до планківської температури (1032К), тобто розігнавши молекули речовини до швидкості світла. Як випливає з теорії відносності, при досягненні швидкості більше 0,99 с, маса тіла починає зростати набагато швидше, ніж при "звичайному" прискоренні, крім того, тіло подовжується, розігрівається, тобто починає випромінювати в інфрачервоному спектрі. При перетині порога 0,999, тіло кардинально видозмінюється і починає стрімкий фазовий перехід аж до променевого стану. Як випливає з формули Ейнштейна, взятої в повному вигляді, маса підсумкової речовини, що росте, складається з мас, що відокремлюються від тіла у вигляді теплового, рентгенівського, оптичного та інших випромінювань, енергія кожного з яких описується наступним членом у формулі. Таким чином, тіло, що наблизилося до швидкості світла, почне випромінювати у всіх спектрах, рости в довжину і сповільнюватися в часі, потоншуючи до планківської довжини, тобто після досягнення швидкості с, тіло перетвориться на нескінченно довгий і тонкий промінь, що рухається зі швидкістю світла і складається з фотонів, які мають довжини, яке нескінченна маса повністю перейде в енергію. Тому така речовина і називається променевою.

Для того щоб зрозуміти, що такий агрегатний стан речовини, згадайте чи уявіть себе влітку біля річки з морозивом у руках. Чудова картинка, правда?

Так ось, у цій ідилії, крім отримання задоволення, можна ще здійснити фізичне спостереження. Зверніть увагу на воду. У річці вона рідка, у складі морозива у вигляді льоду – тверда, а у небі у вигляді хмар – газоподібна. Тобто вона знаходиться одночасно у трьох різних станах. У фізиці це називається агрегатним станом речовини. Розрізняють три агрегатні стани - твердий, рідкий та газоподібний.

Зміна агрегатних станів речовини

Зміна агрегатних станів речовини ми можемо спостерігати на власні очі у природі. Вода з поверхні водойм випаровується, і утворюються хмари. Так рідина перетворюється на газ. Взимку вода у водоймах замерзає, переходячи у твердий стан, а навесні знову тане, переходячи назад у рідину. Що відбувається з молекулами речовини під час переходу його з одного стану в інший? Чи змінюються вони? Чи відрізняються, наприклад, молекули льоду від молекул пари? Відповідь однозначна: ні. Молекули залишаються абсолютно тими самими. Змінюється їхня кінетична енергія, а відповідно і властивості речовини.Енергія молекул пар досить велика, щоб розлітатися в різні сторони, а при охолодженні пар конденсується в рідину, і енергії у молекул все ще достатньо для майже вільного переміщення, але вже недостатньо, щоб відірватися від тяжіння інших молекул і полетіти. При подальшому охолодженні вода замерзає, стаючи твердим тілом, і енергії молекул недостатньо навіть для вільного переміщення всередині тіла. Вони коливаються близько місця, утримувані силами тяжіння інших молекул.

Характер руху та стану молекул у різних агрегатних станах речовини можна відобразити на наступній таблиці:

Агрегатний стан речовини	Властивості речовини	Відстань між частинками	Взаємодія частинок	Характер руху	Порядок розташування
	Не зберігає форму та обсяг	Набагато більше за розміри самих частинок		Хаотичне (безладне) безперервне. Вільно літають, іноді стикаючись.	Безладне
Рідина	Не зберігає форму, зберігає обсяг	Порівняно з розмірами самих частинок		Вагаються біля положення рівноваги, постійно перескакуючи з одного місця на інше.	Безладне
Тверде тіло	Зберігає форму та обсяг	Мало в порівнянні з розмірами самих частинок	Дуже сильне	Безперервно коливаються біля положення рівноваги	У певному порядку

процесів, у яких відбувається зміна агрегатних станів речовин, лише шість.

Перехід речовини з твердого стану в рідке називається плавленням, зворотний процес - кристалізацією. Коли речовина переходить із рідини в газ, це називається пароутвореннямз газу в рідину - конденсацією. Перехід з твердого стану відразу в газ, минаючи рідкий, називають сублімацією, зворотний процес - десублімацією.

• 1. Плавлення
• 2. Кристалізація
• 3. Пароутворення
• 4. Конденсація
• 5. Сублімація
• 6. Десублімація

Приклади всіх цих переходівми з вами не раз спостерігали у житті. Лід плавиться, утворюючи воду, вода випаровується, утворюючи пару. У зворотний бік пара, конденсуючись, переходить знову у воду, а вода, замерзаючи, стає кригою. А якщо ви думаєте, що ви не знаєте процесів сублімації та десублімації, то не поспішайте з висновками. Запах будь-якого твердого тіла – це і є не що інше, як сублімація. Частина молекул виривається з тіла, утворюючи газ, який ми можемо внюхати. А приклад зворотного процесу - це візерунки на шибках взимку, коли пара в повітрі, замерзаючи, осідає на склі і утворює химерні візерунки.

>> Агрегатний стан речовини

• Чи ви були взимку на березі швидкої гірської річки? Подивіться на малюнок нижче (рис. 2.23). Навколо лежить сніг, завмерли на березі дерева, вкриті інеєм, що сяє у сонячних променях, а річка не замерзає. Надзвичайно чиста, прозора вода розбивається об обмерзлі камені. Чому з'явився іній? У чому відмінність води та льоду? Чи є між ними подібність? У цьому пункті ви обов'язково знайдете відповіді на ці запитання.

1. Спостерігаємо різні агрегатні стани речовини

Ви вже знаєте, що вода і лід (сніг, іній) - це два різні агрегатні стани води: рідкий і твердий. Поява інею на деревах пояснюється просто: вода з поверхні річки випаровується, перетворюючись на водяну пару. Водяна пара, у свою чергу, конденсується і осідає у вигляді інею. Водяна пара - це третій стан води - газоподібний.

Наведемо ще один приклад. Ви, безумовно, знаєте про небезпеку розбити медичний термометр: у ньому міститься ртуть - густа рідина сріблястого кольору, яка, випаровуючись, утворює дуже отруйну пару. А ось при температурі нижче -39 ° С ртуть перетворюється на твердий метал. Таким чином, ртуть, як і вода, може перебувати у твердому, рідкому та газоподібному станах.

Практично будь-яка речовина залежна від фізичних умов може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому і газоподібному.

Мал. 2.23 Різні агрегатні стани води

У нашому прикладі з гірською річкою (рис. 2.23) присутні всі три агрегатні стани води.

2. Спостерігаємо та пояснюємо фізичні властивості твердих тіл

Подивіться уважно на рис. 2.24. Всі зображені на ньому тверді тіла відрізняються один від одного: кольором, виглядом тощо, вони виготовлені з різних речовин. Разом з тим вони мають і загальні властивості, властиві всім твердим тілам.

Тверді тіла зберігають об'єм та форму. Це тим, що атоми і молекули твердих тіл перебувають у позиціях рівноваги. Сили тяжіння та відштовхування між молекулами (атомами) у цих позиціях рівні один одному. У разі спроби збільшити чи зменшити відстань між частинками (тобто збільшити чи зменшити розмір тіла) виникає відповідно міжмолекулярне тяжіння чи відштовхування (див. § 14).

Ви знаєте, що відповідно до атомно-молекулярної теорії атоми (молекули) завжди знаходяться в русі. Частинки твердих тіл практично не пересуваються з місця на місце – вони постійно рухаються біля певної точки, тобто коливаються. Тому тверді тіла зберігають як обсяг , а й форму.

Мал. 2.24. Незважаючи на зовнішні відмінності, будь-які тверді тіла зберігають форму та об'єм.

Мал. 2.25 Моделі кристалічних ґрат: про - алмазу, 6 - графіту. Кульками зображені центри атомів; ліній, що з'єднують атоми, насправді не існує, вони проведені лише для того, щоб пояснити характер просторового розташування атомів

3. Розрізняємо кристалічні та аморфні речовини

У ході вивчення будови твердих тіл за допомогою сучасних методів вдалося з'ясувати, що молекули і атоми більшості речовин у твоєму стані розташовані в певному порядку, фізики кажуть: утворюють кристалічну решітку. Такі речовини називаються кристалічними. Прикладами кристалічних речовин можуть бути алмаз, графіт (рис. 2.25), лід, сіль (рис. 2.26), метали тощо.

Порядок розташування атомів у кристалічній решітці речовини визначає його фізичні властивості. Так, наприклад, алмаз і графіт складаються з тих самих атомів - атомів вуглецю, проте ці речовини дуже відрізняються одна від одної, оскільки атоми в них розташовані по-різному (див. рис. 2.25).

Мал. 2.26. Моделі кристалічних решіток: а – льоду б – кухонної солі (маленькі кульки – атоми Натрію, великі – атоми Хлору)

Мал. 2.27. У рідкому стані речовина зберігає об'єм, але набуває форми судини, в якій знаходиться

Мал. 2.28. Молекули рідини розташовані майже впритул один до одного. У невеликому обсязі рідини спостерігається взаємна орієнтація сусідніх молекул (існує близький порядок). Загалом молекули рідини розташовані хаотично.

Існує група твердих речовин (скло, віск, смола, бурштин тощо), молекули (атоми) яких не утворюють кристалічних ґрат і в цілому розташовані безладно. Такі речовини називають аморфними.

За певних умов тверді тіла плавляться, тобто переходять у рідкий стан. Кристалічні речовини плавляться за певної температури. Наприклад, лід зазвичай перетворюється на рідкий стан, якщо температура дорівнює Про °С, нафталін - якщо досягає 80 °С, ртуть - якщо падає до -39 °С. На відміну від кристалічних, аморфні речовини немає певної температури плавлення. У разі підвищення температури вони переходять у рідкий стан поступово (танення воскової свічки).

4. Спостерігаємо та пояснюємо фізичні властивості рідин

Рідини легко змінюють свою форму і набувають форми тієї судини, в якій вони містяться, проте обсяг рідини при цьому є незмінним (рис. 2.27). Більше того, якщо ми спробуємо стиснути рідину, нам це не вдасться. Щоб довести стисливість рідин, вчені провели досвід: воду налили в свинцеву кулю, яку запаяли, а потім стиснули потужним пресом. Вода не стиснулася, а просочилася крізь стінки кулі.

Здатність рідин зберігати свій обсяг пояснюється тим, що, як і в твердих тілах, молекули в рідинах розташовані близько одна від одної (рис. 2.28). Молекули рідини досить щільно упаковані, проте вони не тільки коливаються на тому самому місці в оточенні найближчих «сусідів», але й досить легко можуть переміщатися за обсягом, зайнятим рідиною. Тому рідини зберігають обсяг, але з зберігають форми - вони є текучими.

Мал. 2.29 Рух та розташування молекул у газах: а - напрямок руху молекул змінюється в результаті їх зіткнення з іншими молекулами; б - приблизна траєкторія руху молекули повітря при нормальному тиску (збільшення у мільйон разів)

5. Пояснюємо фізичні властивості газів

• Експериментальні завдання

1. Використовуючи склянку з водою, доведіть, що у гумовій груші є повітря.

2. Аморфні тіла називають дуже в'язкими рідинами. Використовуючи свічку і, наприклад, маркер, доведіть, що віск нехай дуже повільно, але тече. Для цього покладіть маркер на підвіконня, зверху – перпендикулярно до маркеру – покладіть свічку і залиште так на кілька днів. Поясніть результати експерименту.