Вещество и его состояния: главные открытия впереди - Заброшенная лаборатория. Форум

Заброшенная лаборатория. Форум: Вещество и его состояния: главные открытия впереди - Заброшенная лаборатория. Форум

Перейти к содержимому

Страница 1 из 1
  • Вы не можете создать новую тему
  • Вы не можете ответить в тему

Вещество и его состояния: главные открытия впереди

#1

Статус: Offline

  kovolchik  17 Июнь 2012 - 11:01

  • Старший научный сотрудник
  • Группа: Пользователи
  • Сообщений: 437
  • Регистрация: 07 Май 11

Вплоть до начала прошлого века ученые были уверены в том, что вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний – жидком, газообразном и твердом. Позже к указанным фазам добавилась плазма. Сегодня науке известны, как минимум, еще четыре фазовых состояния вещества. Более того, специалисты уверены, что со временем этот список может значительно расшириться.

Прикрепленное изображение: вещество.jpg
0
4

#2

Статус: Offline

  kovolchik  17 Июнь 2012 - 11:08

  • Автор темы
  • Старший научный сотрудник
  • Группа: Пользователи
  • Сообщений: 437
  • Регистрация: 07 Май 11

При всей своей кажущейся очевидности, понятия агрегатных состояний не так просты. Критерии, по которым определяется агрегатное состояние, не настолько точны, чтобы по ним однозначно определить, в какой из фаз находится вещество.

Газ.

Газы присутствуют повсюду – в атмосфере нашей планеты, в земных породах, воде, звездах и облаках. В газообразных веществах молекулы беспорядочно перемещаются во всех направлениях, будучи очень слабо связанными между собой. Газ может заполнять пространство любой формы, а под действием давления и колебания температуры – менять свой объем. Стать газом может практически любое вещество – для этого достаточно лишь нагреть его до определенного уровня. Возможен и обратный процесс – при некотором понижении температуры газ может превратиться в жидкое или даже твердое тело. Колебание давления приводит к изменению плотности газа.

Прикрепленное изображение: газ, жидкость, твердое тело.png
Жидкость.

Жидкость, являясь промежуточным «звеном» между твердым и газообразным веществом, сохраняет некоторые свойства этих фаз. При этом жидкость характеризуется уникальным свойством – текучестью. Вещество, которое находится в жидком состоянии, не меняет объем, однако легко принимает любую форму. Молекулы жидкости живут в более тесном соседстве, поэтому с небольшими потерями энергии способны перемещаться, придавая веществу свойство текучести. При повышении температуры происходит процесс испарения, жидкость превращается в газ. Низкий уровень температур дает толчок процессу кристаллизации – так происходит фазовый переход вещества в твердое состояние. Силы взаимодействия молекул жидкого вещества приблизительно одинаковы по всему объему. Граница фрагмента жидкого вещества под действием сил поверхностного натяжения принимает такую форму, чтобы ее площадь была минимальна. Маленькое количество жидкости автоматически принимает форму капли, а в условиях полной невесомости жидкость существует в форме шара, независимо от количества вещества.

Прикрепленное изображение: жидкость.jpg
Твердое тело.

Тесная взаимосвязь молекул твердого вещества обуславливает способность твердого тела сохранять не только исходный объем, но и форму. Молекулы твердого тела расположены друг от друга на расстоянии, не превышающем их габариты. Поэтому частицы твердого вещества практически лишены возможности совершать относительное перемещение. Единственное движение, которое доступно молекулам твердого тела – колебание вокруг состояния равновесия. Твердое тело характеризуется целым арсеналом свойств – твердостью, пластичностью, упругостью, хрупкостью, прочностью, а также электрическими, тепловыми и магнитными свойствами. Колебание температуры может привести к значительному изменению этих свойств, вплоть о превращения твердого вещества в жидкость.

Прикрепленное изображение: Твердое тело.JPG
Плазма.

При нагревании жидкости происходит интенсивное газообразование. А что произойдет, если нагрев газа не прекращать? Молекулы газа начнут распадаться, в результате чего произойдет ионизации газа. Под действием огромных температур атомы плазмы полностью или частично теряют свои электроны и превращаются в ионы. Аналогичный процесс можно наблюдать под действием электромагнитного излучения или бомбардировки газообразного вещества заряженными частицами. При увеличении расстояния между частицами плазмы силы их взаимодействия убывают медленнее по сравнению с газами, поэтому частицы плазмы взаимодействуют «коллективно», а не по парам. Кроме того, плазма легко воспринимает воздействие электрических и магнитных полей, благодаря чему данное вещество может приобретать очень специфические свойства. Именно поэтому ионизированный газ, названный плазмой, был выделен в отдельную группу агрегатных состояний вещества. Ученые предполагают, что 99% всего вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы.

Прикрепленное изображение: плазма.jpg
Сверхкритический флюид.

Если учесть, что жидкость является чем-то средним между газом и твердым телом, то можно предположить, что существует и промежуточные состояние, например, между жидкостью и газом. Такое состояние вещества действительно существует и называется оно – сверхкритический флюид. При повышении давления и температуры до определенного уровня, так называемой критической точки, вещество попадает на границу жидкой и газообразной фазы. Сверхкритический флюид имеет плотность жидкости и вязкость газа, при этом обладая повышенной текучестью и растворяющей способностью.
Обнаружив способность вещества переходить в сверхкритическое состояние, ученые поняли, почему некоторые газы невозможно превратить в жидкость исключительно путем повышения давления.

Прикрепленное изображение: сверхкритическая жидкость.png
Возможность перехода вещества в сверхкритическое состояние впервые было обнаружено французским физиком Каньяр де Ла-Туром в 1822 году. Ученый помещал воду, спирт, эфир и другие вещества в запаянные трубки и нагревал их до различных уровней. Комбинируя соотношения температуры и давления, физик получал вещества с необычными свойствами. В 1861 году изучением сверхкритического флюида занялся Менделеев. Ученый назвал сверхкритическую температуру точкой абсолютного кипения. Термин «сверхкритический флюид» был введен в 1869 году в исследованиях Т. Эндрюса. В начале прошлого века сверхкритические переходы вещества были подробно описаны советским физиком Л. Ландау.
Сверхкритические флюиды можно обнаружить в глубоководных вулканах и в атмосфере Венеры. Самым перспективным направлением ученые считают изучение перехода воды в сверхкритическое состояние, однако точка «абсолютного кипения» достаточно сложно достижима. Сверхкритическая вода способна превратить любое органическое соединение в смесь воды и углекислого газа. Естественно, эта способность заинтересовала ученых, исследующих проблему переработки пластиковых отходов.

Конденсат Бозе-Эйнштейна.

Для получения конденсата газ, состоящий из бозонов, охлаждается до температуры, на миллионные доли градуса превышающей абсолютный ноль (минус 273,15 градусов по Цельсию). Конденсат Бозе-Эйнштейна ведет себя удивительным образом – совершая поиски энергетически выгодной позиции, вещество может двигаться по стенкам сосуда без трения, преодолевать гравитационное притяжение и даже полностью вытекать из сосуда. Конденсат Бозе-Эйнштейна может быть одновременно приравнен к твердому, жидкому и газообразному веществу.
В 1920 году индийский физик Шатьендранат Бозе, изучая поведения бозонов, обнаружил удивительную закономерность: при низких температурах эти частицы стремятся очень тесно приблизиться друг к другу и постепенно начинают двигаться синхронно. По сути, совокупность большого количества бозонов начинает вести себя как одна огромная квантовая частица. Шатьендранат Бозе совместно с Альбертом Эйнштейном разработал основные положения теории о новом состоянии вещества. Долгое время наука не видела принципиальной возможности получения этого вещества на практике. В 90-х годах прошлого века физики провели первые эксперименты по получению бозе-конденсата, взяв за основу наиболее подходящие материалы – натрий и рубидий. Почти одновременно трое ученых независимо друг от друга охладили металлы до нужной температуры и перевели вещество в «пятое состояние», за что были удостоены Нобелевской премии.

Прикрепленное изображение: Конденсат Бозе-Эйнштейна.jpg
В 2009 году конденсат Бозе-Эйнштейна был получен из кальция. В 2010 году ученые совершили то, что ранее считалось невозможным – получили огромную частицу, состоящую из фотонов. Самое удивительное, что переход фотонов в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна произошел при комнатной температуре. Несколько десятков тысяч частиц света, зажатых в узкой щели между двумя зеркалами и охлажденных посредством лазера, начинали вести себя точно так же, как бозоны при температуре, близкой к абсолютному нулю. Если ученым удастся подчинить поведение фермионного конденсата, станет реальной возможность создания новых сверхмощных приборов, работающих без тепловых потерь.


0

#3

Статус: Offline

  kovolchik  17 Июнь 2012 - 11:09

  • Автор темы
  • Старший научный сотрудник
  • Группа: Пользователи
  • Сообщений: 437
  • Регистрация: 07 Май 11

Фермионный конденсат.

Вещество, которое находится в состоянии фермионного конденсата, представляет собой совокупность охлажденных фермионов – протонов, электронов, нейтронов и прочих частиц, входящих в состав любого вещества. Такие частицы по своей сути не способны вести себя одинаково, однако при определенных условиях начинают вести себя как бозоны. Именно поэтому понятие фермионного конденсата долгое время считалось очень противоречивым. Однако выяснилось, что под действием магнитного поля фермионы способны объединяться парами и приобретать свойства бозонов. Как и в предыдущем случае, фермионный конденсат проявляет свои свойства при температуре, очень близкой к отметке абсолютного нуля. Главная особенность фермионного конденсата – сверхвысокая текучесть, то есть способность перемещаться без какого-либо сопротивления.

Прикрепленное изображение: фермионный конденсат.jpg
Шестое состояние вещества было впервые получено американскими учеными в 2004 году. Поместив несколько сотен тысяч атомов калия в вакуумную камеру, исследователи охладили вещество и подвергли воздействию мощного магнитного излучения. Атомы калия объединились в пары, сформировав полноценный фермионный конденсат, свойства которого были идентичны свойствам вышеописанного бозе-конденсата.

Вырожденная материя.

Одно из недавно открытых агрегатных состояний вещества – вырожденная материя. К данному типу относится так называемый Ферми-газ, состоящий из легких высококонцентрированных частиц. Вырожденный газ возникает на завершающих этапах процесса эволюции звезд. Нейтронное вещество образуется в условиях сверхвысокого давления внутри нейтронных звезд. В результате взаимодействия протонов с электронами последние превращаются в нейтроны, образуя чрезвычайно плотное вещество. Плотность нейтронного вещества может достигать нескольких миллиардов тонн на кубический сантиметр. Радиус одной нейтронной звезды, масса которой может превышать массу Солнца, достигает всего нескольких километров.

Прикрепленное изображение: Нейтронная звезда.jpg
Процесс образования нейтронного вещества пока не был реализован в лабораторных условиях. При значительном нагреве нейтронного вещества происходит образование кварк-глюонной плазмы, состоящей из свободных глюонов и кварков. Облако такого вещества может образоваться при мощнейшем столкновении элементарных частиц. Если процесс повышения давления не останавливать, то вырожденное вещество превращается в черную дыру. Что произойдет с веществом при дальнейшем повышении температуры – ученым пока неизвестно.

Описанные фазовые состояния вещества – не единственные во Вселенной. Множество состояний еще не изучены, а о существовании некоторых из них ученые могут только догадываться. И если жидкость, газ, твердое тело и плазма давно изучены специалистами, то исследование остальных состояний, как правило, связано с теми или иными трудностями. Ученые предполагают, что череда новых открытий в этой области науки еще впереди.

0

Поделиться темой:


Страница 1 из 1
  • Вы не можете создать новую тему
  • Вы не можете ответить в тему

Чтобы ответить в тему нужно Зарегистрироваться , это займет не больше минуты.

Свернуть категорию Похожие темы

  Название темы Автор Статистика Последнее сообщение
Нет тем.

1 человек читают эту тему
0 пользователей, 1 гостей, 0 скрытых пользователей

Быстрый переход

Рекламные объявления:



Активные темы