Materia to „rzeczy”, które tworzą wszechświat — wszystko, co zajmuje przestrzeń i ma masę, to materia.
cała materia składa się z atomów, które z kolei składają się z protonów, neutronów i elektronów.
Atomy łączą się, tworząc cząsteczki, które są budulcem dla wszystkich rodzajów materii, zgodnie z Washington State University. Zarówno Atomy, jak i cząsteczki są trzymane razem przez formę energii potencjalnej zwanej energią chemiczną., W przeciwieństwie do energii kinetycznej, która jest energią obiektu w ruchu, energia potencjalna jest energią zmagazynowaną w obiekcie.
pięć faz materii
istnieją cztery naturalne stany materii: ciała stałe, ciecze, gazy i plazma. Piąty stan to stworzone przez człowieka kondensaty Bose-Einsteina.
ciała stałe
w ciele stałym cząstki są szczelnie spakowane, więc nie poruszają się zbytnio. Elektrony każdego atomu są stale w ruchu, więc Atomy mają małe wibracje, ale są one ustalone w swoim położeniu., Z tego powodu cząstki w ciele stałym mają bardzo niską energię kinetyczną.
bryły mają określony kształt, a także masę i objętość i nie odpowiadają kształtowi pojemnika, w którym są umieszczone. Ciała stałe mają również wysoką gęstość, co oznacza, że cząstki są szczelnie upakowane razem.
ciecze
w cieczy cząstki są luźniej pakowane niż w ciało stałe i mogą przepływać wokół siebie, nadając cieczy nieokreślony kształt. Dlatego ciecz dostosuje się do kształtu swojego pojemnika.,
podobnie jak ciała stałe, ciecze (z których większość ma mniejszą gęstość niż ciała stałe) są niezwykle trudne do kompresji.
gazy
w gazie cząstki mają dużo przestrzeni między sobą i mają wysoką energię kinetyczną. Gaz nie ma określonego kształtu ani objętości. Jeśli cząstki gazu są nieskonsolidowane, rozchodzą się w nieskończoność; jeśli są zamknięte, Gaz rozszerza się, aby wypełnić swój pojemnik. Gdy gaz jest pod ciśnieniem poprzez zmniejszenie objętości zbiornika, przestrzeń między cząstkami jest zmniejszona, a gaz jest sprężany.,
Plazma
Plazma nie jest powszechnym stanem materii na Ziemi, ale może być najczęstszym stanem materii we wszechświecie, według Jefferson Laboratory. Gwiazdy są zasadniczo przegrzanymi kulami plazmy.
Plazma składa się z wysoko naładowanych cząstek o niezwykle wysokiej energii kinetycznej. Gazy szlachetne (hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon) są często używane do tworzenia świecących znaków za pomocą energii elektrycznej do zjonizowania ich do stanu plazmy.,
kondensat Bose-Einsteina
kondensat Bose-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 w stanie Kolorado, ochłodzili próbkę rubidu do kilku stopni zera absolutnego. W tej ekstremalnie niskiej temperaturze ruch molekularny zbliża się do zatrzymania. Ponieważ prawie nie ma energii kinetycznej przenoszonej z jednego atomu do drugiego, Atomy zaczynają się zlewać ze sobą., Nie ma już tysięcy oddzielnych atomów, tylko jeden „super atom”.”
BEC służy do badania mechaniki kwantowej na poziomie makroskopowym. Światło wydaje się zwalniać, gdy przechodzi przez BEC, umożliwiając naukowcom zbadanie paradoksu cząstki / fali. BEC ma również wiele właściwości superfluidu lub płynu, który płynie bez tarcia. BECs są również wykorzystywane do symulacji warunków, które mogą istnieć w czarnych dziurach.
przechodzenie przez fazę
dodawanie lub usuwanie energii z materii powoduje zmianę fizyczną, gdy materia przemieszcza się z jednego stanu do drugiego., Na przykład dodanie energii cieplnej (ciepła) do ciekłej wody powoduje, że staje się ona parą wodną lub parą wodną (gazem). A usunięcie energii z ciekłej wody powoduje, że staje się lodem (ciałem stałym). Zmiany fizyczne mogą być również spowodowane ruchem i ciśnieniem.
Topienie i zamrażanie
gdy ciepło jest stosowane do ciała stałego, jego cząstki zaczynają wibrować szybciej i poruszać się dalej od siebie. Gdy substancja osiągnie określoną kombinację temperatury i ciśnienia, jej temperaturę topnienia, ciało stałe zacznie się topić i przekształci się w ciecz.,
Gdy dwa stany materii, takie jak ciało stałe i ciecz, znajdują się w równowadze temperatury i ciśnienia, dodatkowe ciepło dodane do układu nie spowoduje wzrostu ogólnej temperatury substancji, aż cała próbka osiągnie ten sam stan fizyczny. Na przykład, gdy włożysz lód do szklanki wody i zostawisz go w temperaturze pokojowej, lód i woda w końcu osiągną tę samą temperaturę. Gdy lód topi się od ciepła pochodzącego z wody, pozostanie na poziomie zero stopni Celsjusza, aż cała kostka lodu stopi się przed dalszym ogrzewaniem.,
gdy ciepło jest usuwane z cieczy, jej cząstki zwalniają i zaczynają osadzać się w jednym miejscu w substancji. Gdy substancja osiąga wystarczająco chłodną temperaturę pod pewnym ciśnieniem, punkt zamarzania, ciecz staje się ciałem stałym.
większość płynów kurczy się, gdy zamarzają. Woda jednak rozszerza się, gdy zamarza w lód, powodując, że cząsteczki oddalają się dalej i zmniejszają gęstość, dlatego lód unosi się na powierzchni wody.
dodawanie dodatkowych substancji, takich jak sól w wodzie, może zmienić zarówno punkty topnienia, jak i zamarzania., Na przykład dodanie soli do śniegu obniży temperaturę zamarzania wody na drogach, dzięki czemu będzie bezpieczniejsze dla kierowców.
istnieje również punkt, znany jako punkt potrójny, w którym ciała stałe, ciecze i gazy istnieją jednocześnie. Np. woda we wszystkich trzech stanach występuje w temperaturze 273,16 Kelvina i ciśnieniu 611,2 kPa.
Sublimacja
gdy ciało stałe jest przekształcane bezpośrednio w gaz bez przechodzenia przez fazę ciekłą, proces ten jest znany jako sublimacja., Może to wystąpić, gdy temperatura próbki gwałtownie wzrasta poza temperaturę wrzenia (odparowanie flash) lub gdy substancja jest „liofilizowana” przez schłodzenie jej w warunkach próżniowych, tak że woda w substancji podlega sublimacji i jest usuwana z próbki. Kilka substancji lotnych ulegnie sublimacji w temperaturze pokojowej i ciśnieniu, takich jak zamrożony dwutlenek węgla lub suchy lód.
waporyzacja
waporyzacja jest konwersją cieczy w gaz i może nastąpić poprzez odparowanie lub gotowanie.,
ponieważ cząstki cieczy są w ciągłym ruchu, często zderzają się ze sobą. Każde zderzenie powoduje również przeniesienie energii, a gdy wystarczająca ilość energii jest przenoszona na cząstki znajdujące się w pobliżu powierzchni, mogą one być całkowicie oddalone od próbki jako wolne cząstki gazu. Ciecze ochładzają się podczas parowania, ponieważ energia przekazywana cząsteczkom powierzchniowym, która powoduje ich ucieczkę, zostaje z nimi porwana.
ciecz wrze się, gdy do cieczy dodaje się wystarczającą ilość ciepła, aby spowodować powstanie pęcherzyków pary pod powierzchnią., Temperatura wrzenia to temperatura i ciśnienie, przy 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.
osadzanie występuje, gdy gaz przekształca się bezpośrednio w ciało stałe, bez przechodzenia przez fazę ciekłą. Para wodna staje się lodem lub mrozem, gdy powietrze dotykające ciała stałego, takie jak źdźbło trawy, jest chłodniejsze niż reszta powietrza.,
dodatkowe zasoby:
- Obejrzyj: stworzenie kondensatu Bose-Einsteina z Narodowego Instytutu Norm i technologii.
- dowiedz się, skąd wzięła się materia we wszechświecie, z zapytań astronoma Uniwersytetu Cornell.
- Przeczytaj więcej o materii, pierwiastkach i atomach z Khan Academy.
21, 2019, przez Live Science Contributor Rachel Ross.