Materie ist das „Zeug“, aus dem das Universum besteht — alles, was Raum einnimmt und Masse hat, ist Materie.
Alle Materie besteht aus Atomen, die wiederum aus Protonen, Neutronen und Elektronen.
Atome kommen zusammen, um Moleküle zu bilden, die die Bausteine für alle Arten von Materie sind, nach Washington State University. Sowohl Atome als auch Moleküle werden durch eine Form potenzieller Energie, die chemische Energie genannt wird, zusammengehalten., Im Gegensatz zu kinetischer Energie, die die Energie eines Objekts in Bewegung ist, ist potentielle Energie die Energie, die in einem Objekt gespeichert ist.
Die fünf Phasen der Materie
Es gibt vier natürliche Zustände der Materie: Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase und Plasma. Der fünfte Zustand sind die künstlichen Bose-Einstein-Kondensate.
Feststoffe
In einem Festkörper sind Partikel dicht aneinander gepackt, so dass sie sich nicht viel bewegen. Die Elektronen jedes Atoms sind ständig in Bewegung, so dass die Atome eine kleine Schwingung haben, aber sie sind in ihrer Position fixiert., Aus diesem Grund haben Partikel in einem Feststoff eine sehr geringe kinetische Energie.
Feststoffe haben eine bestimmte Form sowie Masse und Volumen und entsprechen nicht der Form des Behälters, in dem sie platziert werden. Feststoffe haben auch eine hohe Dichte, was bedeutet, dass die Partikel dicht gepackt sind.
Flüssigkeiten
In einer Flüssigkeit sind die Partikel lockerer verpackt als in einem Feststoff und können umeinander fließen, was der Flüssigkeit eine unbestimmte Form verleiht. Daher entspricht die Flüssigkeit der Form ihres Behälters.,
Ähnlich wie Feststoffe sind Flüssigkeiten (von denen die meisten eine geringere Dichte als Feststoffe haben) unglaublich schwer zu komprimieren.
Gase
In einem Gas haben die Teilchen viel Raum zwischen ihnen und haben eine hohe kinetische Energie. Ein gas hat keine bestimmte Form oder Volumen. Wenn sie nicht gebunden sind, breiten sich die Partikel eines Gases auf unbestimmte Zeit aus; Wenn sie begrenzt sind, dehnt sich das Gas aus, um seinen Behälter zu füllen. Wenn ein Gas unter Druck gesetzt wird, indem das Volumen des Behälters verringert wird, wird der Raum zwischen den Partikeln verringert und das Gas wird komprimiert.,
Plasma
Plasma ist kein allgemeiner Zustand der Materie hier auf der Erde, aber es kann der häufigste Zustand der Materie im Universum sein, nach dem Jefferson Laboratory. Sterne sind im Wesentlichen überhitzte Plasmakugeln.
Plasma besteht aus hochgeladenen Teilchen mit extrem hoher kinetischer Energie. Die Edelgase (Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon) werden häufig verwendet, um leuchtende Zeichen zu erzeugen, indem sie mit Elektrizität in den Plasmazustand ionisiert werden.,
Bose-Einstein-Kondensat
Das Bose-Einstein-Kondensat (BEC) wurde 1995 von Wissenschaftlern entwickelt. Mit einer Kombination aus Lasern und Magneten kühlten Eric Cornell und Carl Weiman, Wissenschaftler am Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) in Boulder, Colorado, eine Probe von Rubidium auf einige Grade des absoluten Nullpunkts ab. Bei dieser extrem niedrigen Temperatur kommt die molekulare Bewegung dem Stoppen sehr nahe. Da fast keine kinetische Energie von einem Atom zum anderen übertragen wird, beginnen die Atome zu verklumpen., Es gibt nicht mehr Tausende von getrennten Atomen, nur ein “ Superatom.“
Ein BEC wird verwendet, um die Quantenmechanik auf makroskopischer Ebene zu untersuchen. Licht scheint sich zu verlangsamen, wenn es durch ein BEC geht, so dass Wissenschaftler das Teilchen / Wellen-Paradoxon untersuchen können. Ein BEC hat auch viele der Eigenschaften eines Überfluids oder einer Flüssigkeit, die ohne Reibung fließt. BECs werden auch verwendet, um Bedingungen zu simulieren, die in Schwarzen Löchern existieren könnten.
Eine Phase durchlaufen
Das Hinzufügen oder Entfernen von Energie aus Materie bewirkt eine physikalische Veränderung, wenn sich Materie von einem Zustand in einen anderen bewegt., Zum Beispiel bewirkt das Hinzufügen von Wärmeenergie (Wärme) zu flüssigem Wasser, dass es Dampf oder Dampf (ein Gas) wird. Und wenn Energie aus flüssigem Wasser entfernt wird, wird es zu Eis (Feststoff). Körperliche Veränderungen können auch durch Bewegung und Druck verursacht werden.
Schmelzen und Einfrieren
Wenn Wärme auf einen Feststoff aufgebracht wird, beginnen seine Partikel schneller zu vibrieren und sich weiter auseinander zu bewegen. Wenn die Substanz eine bestimmte Kombination aus Temperatur und Druck erreicht, ihren Schmelzpunkt, beginnt der Feststoff zu schmelzen und sich in eine Flüssigkeit zu verwandeln.,
Wenn zwei Materiezustände, wie fest und flüssig, Gleichgewichtstemperatur und-druck haben, führt die zusätzliche Wärmezufuhr in das System nicht dazu, dass die Gesamttemperatur der Substanz ansteigt, bis die gesamte Probe den gleichen physikalischen Zustand erreicht. Wenn Sie beispielsweise Eis in ein Glas Wasser geben und bei Raumtemperatur auslassen, werden Eis und Wasser schließlich die gleiche Temperatur erreichen. Wenn das Eis durch die Wärme aus dem Wasser schmilzt, bleibt es bei null Grad Celsius, bis der gesamte Eiswürfel schmilzt, bevor er sich weiter erwärmt.,
Wenn Wärme aus einer Flüssigkeit entfernt wird, verlangsamen sich ihre Partikel und beginnen sich an einer Stelle innerhalb der Substanz abzusetzen. Wenn die Substanz bei einem bestimmten Druck, dem Gefrierpunkt, eine ausreichend kühle Temperatur erreicht, wird die Flüssigkeit fest.
Die meisten Flüssigkeiten ziehen sich beim Einfrieren zusammen. Wasser dehnt sich jedoch aus, wenn es zu Eis gefriert, wodurch die Moleküle weiter auseinander drücken und die Dichte verringern, weshalb Eis auf Wasser schwimmt.
Das Hinzufügen zusätzlicher Substanzen wie Salz in Wasser kann sowohl den Schmelz-als auch den Gefrierpunkt verändern., Zum Beispiel verringert die Zugabe von Salz zu Schnee die Temperatur, die Wasser auf Straßen gefriert, und macht es für Fahrer sicherer.
Es gibt auch einen Punkt, den sogenannten Dreipunkt, an dem Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase gleichzeitig existieren. Wasser existiert beispielsweise in allen drei Zuständen bei einer Temperatur von 273,16 Kelvin und einem Druck von 611,2 Pascal.
Sublimation
Wenn ein Feststoff direkt in ein Gas umgewandelt wird, ohne eine flüssige Phase zu durchlaufen, wird der Prozess als Sublimation bezeichnet., Dies kann entweder auftreten, wenn die Temperatur der Probe schnell über den Siedepunkt hinaus ansteigt (Blitzverdampfung) oder wenn eine Substanz durch Abkühlen unter Vakuumbedingungen „gefriergetrocknet“ wird, so dass das Wasser in der Substanz sublimiert und aus der Probe entfernt wird. Einige flüchtige Substanzen werden bei Raumtemperatur und Druck sublimiert, wie gefrorenes Kohlendioxid oder Trockeneis.
Verdampfung
Verdampfung ist die Umwandlung einer Flüssigkeit in ein Gas und kann entweder durch Verdampfen oder Kochen erfolgen.,
Da sich die Partikel einer Flüssigkeit in ständiger Bewegung befinden, kollidieren sie häufig miteinander. Jede Kollision bewirkt auch, dass Energie übertragen wird, und wenn genügend Energie auf Partikel in der Nähe der Oberfläche übertragen wird, können sie als freie Gaspartikel vollständig von der Probe weggeschlagen werden. Flüssigkeiten kühlen ab, wenn sie verdampfen, weil die Energie, die auf Oberflächenmoleküle übertragen wird, die ihr Entweichen verursacht, mitgerissen wird.
Flüssigkeit kocht, wenn einer Flüssigkeit genügend Wärme zugesetzt wird, damit sich unter der Oberfläche Dampfblasen bilden., Dieser Siedepunkt ist die Temperatur und der Druck, bei denen eine Flüssigkeit zu einem Gas wird.
Kondensation und Ablagerung
Kondensation tritt auf, wenn ein Gas Energie verliert und zu einer Flüssigkeit zusammenkommt. Zum Beispiel kondensiert Wasserdampf zu flüssigem Wasser.
Ablagerung tritt auf, wenn sich ein Gas direkt in einen Feststoff umwandelt, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen. Wasserdampf wird zu Eis oder Frost, wenn die Luft, die einen Feststoff wie einen Grashalm berührt, kühler ist als der Rest der Luft.,
Zusätzliche Ressourcen:
- Uhr: Schaffung eines Bose-Einstein-Kondensats vom National Institute of Standards and Technology.
- Erfahren Sie, woher die Materie im Universum stammt, Fragen Sie einen Astronomen der Cornell University.
- Lesen Sie mehr über Materie, Elemente und Atome, von der Khan Academy.
Dieser Artikel wurde aktualisiert am Aug. 21, 2019, Live Science Contributor Rachel Ross.