Füüsiline seisund- see on aine olek teatud temperatuuri- ja rõhuvahemikus, mida iseloomustavad omadused: võime (tahke) või võimetus (vedelik, gaas) säilitada mahtu ja kuju; kaugmaa (tahke) või lühiajalise (vedeliku) järjestuse olemasolu või puudumine ja muud omadused.

Aine võib olla kolmes agregatsiooni olekus: tahke, vedel või gaasiline, praegu eristatakse täiendavat plasma (ioonset) olekut.

IN gaasiline Selles olekus on aine aatomite ja molekulide vaheline kaugus suur, vastasmõjujõud väikesed ja ruumis kaootiliselt liikuvate osakeste kineetiline energia on suur, mis ületab potentsiaalse energia. Gaasilises olekus materjalil ei ole oma kuju ega mahtu. Gaas täidab kogu vaba ruumi. See olek on tüüpiline madala tihedusega ainetele.

IN vedel olekus säilib ainult aatomite või molekulide lühiajaline järjestus, kui aine mahus ilmuvad perioodiliselt üksikud aatomite järjestatud paigutusega alad, kuid puudub ka nende alade vastastikune orientatsioon. Lühimaa kord on ebastabiilne ja aatomite termiliste vibratsioonide mõjul võib see kas kaduda või uuesti ilmuda. Vedelatel molekulidel ei ole kindlat asendit ja samal ajal puudub neil täielik liikumisvabadus. Vedelas olekus materjalil ei ole oma kuju, see säilitab ainult oma mahu. Vedelik võib hõivata ainult osa anuma mahust, kuid voolata vabalt üle kogu anuma pinna. Vedelat olekut peetakse tavaliselt tahke ja gaasilise aine vahepealseks.

IN raske Aines muutub aatomite paigutus rangelt määratletuks, loomulikult järjestatuks, osakeste vastasmõju jõud on omavahel tasakaalus, mistõttu kehad säilitavad oma kuju ja mahu. Aatomite korrapärane paigutus ruumis iseloomustab kristallilist olekut, aatomid moodustavad kristallvõre.

Tahketel ainetel on amorfne või kristalne struktuur. Sest amorfne kehasid iseloomustab ainult aatomite või molekulide paiknemise lühimaakord, aatomite, molekulide või ioonide kaootiline paigutus ruumis. Amorfsed kehad on näiteks klaas, pigi, var, mis on väliselt tahkes olekus, kuigi tegelikult voolavad nad aeglaselt, nagu vedelik. Amorfsetel kehadel, erinevalt kristalsetest, ei ole kindlat sulamistemperatuuri. Amorfsed tahked ained asuvad kristalsete tahkete ainete ja vedelike vahel.

Enamikul tahketel ainetel on kristalne struktuur, mida iseloomustab aatomite või molekulide korrapärane paigutus ruumis. Kristallistruktuuri iseloomustab kaugjärjestus, kui struktuuri elemendid korduvad perioodiliselt; lähikorraldusega sellist õiget kordamist pole. Kristallilise keha iseloomulik tunnus on võime säilitada oma kuju. Ideaalse kristalli märk, mille mudeliks on ruumivõre, on sümmeetria omadus. Sümmeetria viitab tahke keha kristallvõre teoreetilisele võimele joonduda iseendaga, kui peegelpilt selle punktid teatud tasapinnast, mida nimetatakse sümmeetriatasandiks. Välise kuju sümmeetria peegeldab kristalli sisemise struktuuri sümmeetriat. Näiteks on kõigil metallidel kristalne struktuur ja neid iseloomustab kahte tüüpi sümmeetria: kuup- ja kuusnurkne.

Amorfsetes aatomite jaotusega amorfsetes struktuurides on aine omadused eri suundades ühesugused ehk klaasjad (amorfsed) ained on isotroopsed.

Kõiki kristalle iseloomustab anisotroopsus. Kristallides on aatomite vahelised kaugused järjestatud, kuid eri suundades ei pruugi järjestusaste olla sama, mis toob kaasa kristallaine omaduste erinevused eri suundades. Kristallilise aine omaduste sõltuvust tema võres olevast suunast nimetatakse anisotroopia omadused. Anisotroopia avaldub nii füüsikaliste kui ka mehaaniliste ja muude omaduste mõõtmisel. On omadusi (tihedus, soojusmahtuvus), mis ei sõltu suunast kristallis. Enamik omadusi sõltub suuna valikust.

Võimalik on mõõta teatud materjalimahuga objektide omadusi: suurused - mitmest millimeetrist kuni kümnete sentimeetriteni. Neid kristallirakuga identse struktuuriga objekte nimetatakse üksikkristallideks.

Omaduste anisotroopsus avaldub üksikkristallides ja praktiliselt puudub polükristallilises aines, mis koosneb paljudest väikestest juhuslikult orienteeritud kristallidest. Seetõttu nimetatakse polükristallilisi aineid kvaasiisotroopseteks.

Polümeeride, mille molekule saab korrapäraselt paigutada, kristalliseerumine, moodustades supramolekulaarseid struktuure pakkide, mähiste (gloobulite), fibrillide jms kujul, toimub teatud temperatuurivahemikus. Molekulide ja nende agregaatide keeruline struktuur määrab polümeeride spetsiifilise käitumise kuumutamisel. Nad ei saa minna madala viskoossusega vedelasse olekusse ja neil ei ole gaasilist olekut. Tahkel kujul võivad polümeerid olla klaasjas, väga elastses ja viskoosses olekus. Lineaarsete või hargnenud molekulidega polümeerid võivad temperatuuri muutumisel muutuda ühest olekust teise, mis väljendub polümeeri deformatsiooniprotsessis. Joonisel fig. Joonis 9 näitab deformatsiooni sõltuvust temperatuurist.

Riis. 9 Amorfse polümeeri termomehaaniline kõver: t c , t T, t p - vastavalt klaasistumis-, voolavus- ja keemilise lagunemise algustemperatuurid; I - III - vastavalt klaasja, väga elastse ja viskoosse voolu tsoonid; Δ l- deformatsioon.

Molekulide paigutuse ruumiline struktuur määrab ainult polümeeri klaasjas oleku. Madalatel temperatuuridel deformeeruvad kõik polümeerid elastselt (joonis 9, tsoon I). Üle klaasistumistemperatuuri t c lineaarse struktuuriga amorfne polümeer muundub väga elastsesse olekusse ( II tsoon) ning selle deformatsioon klaasjas ja väga elastses olekus on pöörduv. Kuumutamine üle valamispunkti t t viib polümeeri viskoossesse voolamisolekusse ( III tsoon). Polümeeri deformatsioon viskoosses voolamises on pöördumatu. Ruumilise (võrk-, ristseotud) struktuuriga amorfsel polümeeril ei ole viskoosset vooluolekut, väga elastse oleku temperatuuripiirkond laieneb polümeeri lagunemise temperatuurini t r. See käitumine on tüüpiline materjalidele nagu kumm.

Aine temperatuur mis tahes agregatsiooniseisundis iseloomustab selle osakeste (aatomite ja molekulide) keskmist kineetilist energiat. Nendel kehaosakestel on peamiselt vibratsiooniliste liikumiste kineetiline energia tasakaalukeskme suhtes, kus energia on minimaalne. Teatud kriitilise temperatuuri saavutamisel kaotab tahke materjal oma tugevuse (stabiilsuse) ja sulab ning vedelik muutub auruks: keeb ja aurustub. Need kriitilised temperatuurid on sulamis- ja keemistemperatuurid.

Kui kristallilist materjali kuumutada teatud temperatuuril, liiguvad molekulid nii energiliselt, et jäigad sidemed polümeeris katkevad ja kristallid hävivad – need lähevad vedelasse olekusse. Temperatuuri, mille juures kristallid ja vedelik on tasakaalus, nimetatakse kristalli sulamistemperatuuriks ehk vedeliku tahkestumise temperatuuriks. Joodi puhul on see temperatuur 114 o C.

Iga keemiline element on individuaalne sulamistemperatuur t pl, eraldades tahke ja vedeliku olemasolu ning keemistemperatuuri t kip, mis vastab vedeliku üleminekule gaasiks. Nendel temperatuuridel on ained termodünaamilises tasakaalus. Agregatsiooniseisundi muutusega võib kaasneda järsk muutus tasuta energiat, entroopia, tihedus ja teised füüsikalised kogused.

Erinevate osariikide kirjeldamiseks füüsika kasutab laiemat mõistet termodünaamiline faas. Nähtusi, mis kirjeldavad üleminekuid ühest faasist teise, nimetatakse kriitilisteks.

Kuumutamisel toimuvad ained faasimuutused. Vase sulamisel (1083 o C) muutub see vedelikuks, milles aatomite järjestus on vaid lühimaa. Rõhul 1 atm keeb vask 2310 o C juures ja muutub juhuslikult paiknevate vaseaatomitega gaasiliseks vaseks. Sulamistemperatuuril on kristalli ja vedeliku küllastunud aururõhk võrdsed.

Materjal tervikuna on süsteem.

Süsteem- kombineeritud ainete rühm füüsiline, keemilised või mehaanilised vastasmõjud. Faas nimetatakse süsteemi homogeenseks osaks, mis on eraldatud teistest osadest füüsilise liidese piirid (malmis: grafiit + rauaterad; jääga vees: jää + vesi).Komponendid süsteemid on erinevad faasid, mis moodustavad antud süsteemi. Süsteemi komponendid- need on ained, mis moodustavad antud süsteemi kõik faasid (komponendid).

Kahest või enamast faasist koosnevad materjalid on hajutatud süsteemid Dispergeeritud süsteemid jagunevad soolteks, mille käitumine meenutab vedelike käitumist, ja tahketele ainetele iseloomulike omadustega geelideks. Soolides on dispersioonikeskkond, milles aine jaotub, geelides, ülekaalus on tahke faas. Geelid on poolkristalliline metall, betoon, madalal temperatuuril želatiini lahus vees (kõrgel temperatuuril muutub želatiin sooliks). Hüdrosool on dispersioon vees, aerosool on dispersioon õhus.

Staatuse diagrammid.

Termodünaamilises süsteemis iseloomustavad iga faasi sellised parameetrid nagu temperatuur T, keskendumine Koos ja survet R. Faasimuutuste kirjeldamiseks kasutatakse ühte energiakarakteristikut - Gibbsi vaba energiat ΔG(termodünaamiline potentsiaal).

Termodünaamika transformatsioonide kirjeldamisel piirdub tasakaaluseisundi arvestamisega. Tasakaaluseisund termodünaamilist süsteemi iseloomustab termodünaamiliste parameetrite (temperatuur ja kontsentratsioon, kuna tehnoloogilises töötlemises) muutumatus R= const) ajas ning energia- ja ainevoogude puudumine selles – püsivate välistingimustega. Faasi tasakaal– kahest või enamast faasist koosneva termodünaamilise süsteemi tasakaaluseisund.

Süsteemi tasakaalutingimuste matemaatiliseks kirjeldamiseks on olemas faasi reegel, mille on tuletanud Gibbs. See ühendab faaside (F) ja komponentide (K) arvu tasakaalusüsteemis süsteemi varieeruvusega, st termodünaamiliste vabadusastmete arvuga (C).

Süsteemi termodünaamiliste vabadusastmete (muutuste) arv on sõltumatute muutujate arv, nii sisemine (faaside keemiline koostis) kui ka välimine (temperatuur), millele saab anda erinevaid suvalisi (teatud vahemikus) väärtusi. et ei tekiks uusi faase ja ei kaoks vanad faasid .

Gibbsi faasireegli võrrand:

C = K - F + 1.

Selle reegli kohaselt on kahe komponendi süsteemis (K = 2) võimalikud järgmised vabadusastmed:

Ühefaasilise oleku (F = 1) puhul C = 2, st saate muuta temperatuuri ja kontsentratsiooni;

Kahefaasilise oleku (F = 2) puhul C = 1, st saab muuta ainult ühte välist parameetrit (näiteks temperatuuri);

Kolmefaasilise oleku korral on vabadusastmete arv null, st temperatuuri ei saa muuta ilma süsteemi tasakaalu rikkumata (süsteem on muutumatu).

Näiteks puhta metalli (K = 1) puhul kristalliseerumisel, kui faasi on kaks (Ф = 2), on vabadusastmete arv null. See tähendab, et kristalliseerumistemperatuuri ei saa muuta enne, kui protsess on lõppenud ja järele jääb üks faas – tahke kristall. Pärast kristalliseerumise lõppu (Ф = 1) on vabadusastmete arv 1, nii et saate temperatuuri muuta, st tahket ainet jahutada ilma tasakaalu häirimata.

Süsteemide käitumist sõltuvalt temperatuurist ja kontsentratsioonist kirjeldatakse faasidiagrammiga. Vee faasidiagramm on ühe komponendiga H 2 O süsteem, mistõttu on suurim arv faase, mis võivad üheaegselt olla tasakaalus, kolm (joon. 10). Need kolm faasi on vedelik, jää, aur. Vabadusastmete arv on sel juhul null, st. Ei rõhku ega temperatuuri ei saa muuta ilma, et ükski faas kaoks. Tavaline jää, vedel vesi ja veeaur võivad üheaegselt eksisteerida tasakaalus ainult rõhul 0,61 kPa ja temperatuuril 0,0075 °C. Punkti, kus kolm faasi eksisteerivad koos, nimetatakse kolmikpunktiks ( O).

Kõver OS eraldab auru ja vedeliku piirkonna ning esindab küllastunud veeauru rõhu sõltuvust temperatuurist. OS-i kõver näitab neid omavahel seotud temperatuuri ja rõhu väärtusi, mille juures vedel vesi ja veeaur on omavahel tasakaalus, seetõttu nimetatakse seda vedeliku-auru tasakaalukõveraks või keemiskõveraks.

Joonis 10 Vee oleku diagramm

Kõver OB eraldab vedela piirkonna jääpiirkonnast. See on tahke-vedeliku tasakaalukõver ja seda nimetatakse sulamiskõveraks. See kõver näitab omavahel seotud temperatuuri ja rõhu väärtuste paare, mille juures jää ja vedel vesi on tasakaalus.

Kõver O.A. nimetatakse sublimatsioonikõveraks ja see näitab omavahel seotud rõhu ja temperatuuri väärtuste paare, mille juures jää ja veeaur on tasakaalus.

Faasidiagramm on visuaalne viis erinevate faaside olemasolu piirkondade kujutamiseks sõltuvalt välistingimustest, nagu rõhk ja temperatuur. Olekudiagramme kasutatakse materjaliteaduses aktiivselt toodete valmistamise erinevatel tehnoloogilistel etappidel.

Vedelik erineb kristalsest tahkest ainest madala viskoossusega (molekulide sisehõõrdumine) ja kõrged väärtused voolavus (viskoossuse pöördväärtus). Vedelik koosneb paljudest molekulide agregaatidest, mille sees on osakesed paigutatud kindlasse järjestusse, sarnaselt kristallide järjestusega. Struktuuriüksuste olemus ja osakestevahelised vastasmõjud määravad vedeliku omadused. On vedelikke: üheaatomilised (vedeldatud väärisgaasid), molekulaarsed (vesi), ioonsed (sula soolad), metallilised (sulametallid), vedelad pooljuhid. Enamasti ei ole vedelik mitte ainult agregatsiooni olek, vaid ka termodünaamiline (vedel) faas.

Vedelad ained on enamasti lahused. Lahendus homogeenne, kuid mitte keemiliselt puhas aine, koosneb lahustunud ainest ja lahustist (lahusti näideteks on vesi või orgaanilised lahustid: dikloroetaan, alkohol, süsiniktetrakloriid jne), seetõttu on tegemist ainete seguga. Näiteks on alkoholi lahus vees. Lahused on aga ka gaasiliste (näiteks õhk) või tahkete (metallisulamid) ainete segud.

Jahutamisel madala kristallisatsioonitsentrite moodustumise ja viskoossuse tugeva tõusu tingimustes võib tekkida klaasjas olek. Klaasid on isotroopsed tahked materjalid, mis saadakse sula anorgaaniliste ja orgaaniliste ühendite ülejahutamisel.

On teada palju aineid, mille üleminek kristalsest olekust isotroopsesse vedelikusse toimub vedelkristallilise vahepealse oleku kaudu. See on tüüpiline ainetele, mille molekulid on asümmeetrilise struktuuriga pikkade varraste (varraste) kujuga. Sellised faasisiirded, millega kaasnevad termilised mõjud, põhjustavad järske muutusi mehaanilistes, optilistes, dielektrilistes ja muudes omadustes.

Vedelkristallid, nagu vedelik, võivad olla pikliku tilga või anuma kujulised, neil on suur voolavus ja nad on võimelised ühinema. Neid kasutatakse laialdaselt erinevates teaduse ja tehnoloogia valdkondades. Nende optilised omadused sõltuvad suuresti väikestest muutustest välistingimustes. Seda funktsiooni kasutatakse elektrooptilistes seadmetes. Eelkõige kasutatakse vedelkristalle elektrooniliste käekellade, visuaalseadmete jms valmistamisel.

Peamised liitmisolekud hõlmavad plasma- osaliselt või täielikult ioniseeritud gaas. Moodustamismeetodi alusel eristatakse kahte tüüpi plasmat: termiline, mis tekib gaasi kuumutamisel kõrge temperatuurini, ja gaasiline, mis tekib gaasilises keskkonnas elektrilahenduste käigus.

Plasmakeemilised protsessid on võtnud tugeva koha paljudes tehnoloogiaharudes. Neid kasutatakse tulekindlate metallide lõikamiseks ja keevitamiseks, erinevate ainete sünteesiks, laialdaselt kasutatakse plasma valgusallikaid, paljulubav on plasma kasutamine termotuumaelektrijaamades jne.

Aine agregeeritud olekud(ladina keelest aggrego - kinnitan, ühendan) - need on sama aine olekud, mille vahelised üleminekud vastavad aine vaba energia, tiheduse ja muude füüsikaliste parameetrite järskudele muutustele.
Gaas (prantsuse gaz, tuletatud kreeka sõnast kaos - kaos)- See aine olek, milles selle osakeste vastasmõju, mis täidab kogu selle pakutava ruumala, on tühine. Gaasides on molekulidevahelised vahemaad suured ja molekulid liiguvad peaaegu vabalt.

Gaase võib pidada oluliselt üle- või alaküllastunud aurudeks. Iga vedeliku pinna kohal on aur. Kui aururõhk tõuseb teatud piirini, mida nimetatakse küllastunud aururõhuks, siis vedeliku aurustumine peatub, kuna vedelik muutub samaks. Küllastunud auru mahu vähenemine põhjustab pigem auru osasid kui rõhu suurenemist. Seetõttu ei saa aururõhk olla suurem. Küllastusolekut iseloomustab küllastusmass, mis sisaldub 1 m massilises küllastunud aurus, mis sõltub temperatuurist. Küllastunud aur võib muutuda küllastumata, kui selle mahtu või temperatuuri tõsta. Kui auru temperatuur on palju kõrgem kui antud rõhule vastav punkt, nimetatakse auru ülekuumenetuks.

Plasma on osaliselt või täielikult ioniseeritud gaas, milles positiivsete ja negatiivsete laengute tihedus on peaaegu võrdne. Päike, tähed, tähtedevahelise aine pilved koosnevad gaasidest - neutraalsetest või ioniseeritud (plasma). Erinevalt teistest agregatsiooniseisunditest on plasma laetud osakestest (ioonidest, elektronidest) koosnev gaas, mis interakteeruvad üksteisega elektriliselt suurte vahemaade tagant, kuid neil ei ole osakeste paigutuses ei lähi- ega kaugmaa järjestusi.

Vedelik- see on aine agregatsiooni olek, mis on vahepealne tahke ja gaasilise aine vahel. Vedelikel on mõned tahke aine (säilitab oma mahu, moodustab pinna, on teatud tõmbetugevus) ja gaasi (võtab anuma kuju, milles see asub) tunnused. Vedeliku molekulide (aatomite) soojusliikumine on kombinatsioon väikestest vibratsioonidest tasakaaluasendites ja sagedastest hüpetest ühest tasakaaluasendist teise. Samal ajal toimuvad molekulide aeglased liikumised ja nende vibratsioon väikestes mahtudes, molekulide sagedased hüpped rikuvad osakeste paigutuse pikamaa järjekorda ja määravad vedelike voolavuse ning väikesed vibratsioonid tasakaaluasendite ümber määravad lühikese -vahemiku järjekord vedelikes.

Erinevalt gaasidest võib vedelikke ja tahkeid aineid pidada tugevalt kondenseerunud keskkonnaks. Nendes paiknevad molekulid (aatomid) üksteisele palju lähemal ja vastasmõjujõud on mitu suurusjärku suuremad kui gaasidel. Seetõttu on vedelike ja tahkete ainete paisumisvõimalused märkimisväärselt piiratud. Üleminekud struktuursemalt järjestatud agregatsiooniseisundist vähem järjestatud olekusse võivad samuti toimuda pidevalt. Sellega seoses on agregatsiooniseisundi mõiste asemel soovitatav kasutada laiemat mõistet - faasi mõistet.

Faas on kõigi süsteemi osade kogum, millel on sama keemiline koostis ja samas seisus. See on põhjendatud termodünaamiliselt tasakaalufaaside samaaegse olemasoluga mitmefaasilises süsteemis: vedelik oma küllastunud auruga; vesi ja jää sulamistemperatuuril; kaks segunematut vedelikku (vee ja trietüülamiini segu), mille kontsentratsioonid erinevad; amorfsete tahkete ainete olemasolu, mis säilitavad vedeliku struktuuri (amorfne olek).

Amorfne tahke aine olek on ülejahutatud vedeliku tüüp ja erineb tavalistest vedelikest oluliselt kõrgema viskoossuse ja kineetiliste omaduste arvuliste väärtuste poolest.
Aine kristalne tahke olek on agregatsiooniseisund, mida iseloomustavad suured vastasmõjujõud aineosakeste (aatomite, molekulide, ioonide) vahel. Tahkete ainete osakesed võnguvad keskmiste tasakaaluasendite ümber, mida nimetatakse võresõlmedeks; nende ainete struktuuri iseloomustab kõrge järjestusaste (pika- ja lühiajaline järjestus) - järjekord struktuuriosakeste paigutuses (koordinatsioonijärjekord), orientatsioonis (orientatsioonijärjekord) või järjestus füüsikalised omadused(näiteks orientatsioonis magnetmomendid või elektrilised dipoolmomendid). Normaalse vedela faasi olemasolu puhaste vedelike, vedelate ja vedelkristallide jaoks on madalatel temperatuuridel piiratud faasiüleminekutega vastavalt tahkesse (kristalliseerumise), ülivedeliku ja vedel-anisotroopsesse olekusse.

Ma arvan, et kõik teavad aine kolme peamist olekut: vedel, tahke ja gaasiline. Me kohtame neid aine olekuid iga päev ja kõikjal. Kõige sagedamini vaadeldakse neid vee näitel. Vee vedel olek on meile kõige tuttavam. Me joome pidevalt vedelat vett, see voolab meie kraanist ja me ise oleme 70% vedel vesi. Vee teine ​​füüsikaline olek on tavaline jää, mida näeme talvel tänaval. Vett võib kergesti leida ka gaasilisel kujul igapäevaelu. Gaasilises olekus on vesi, nagu me kõik teame, aur. Seda on näha, kui näiteks keedame veekeetjat. Jah, just 100 kraadi juures muutub vesi vedelast gaasiliseks.

Need on aine kolm olekut, mis on meile tuttavad. Aga kas teadsite, et tegelikult on neid 4? Ma arvan, et kõik on vähemalt korra kuulnud sõna "plasma". Ja täna ma tahan, et saaksite ka rohkem teada plasmast – aine neljandast olekust.

Plasma on osaliselt või täielikult ioniseeritud gaas, millel on võrdne positiivsete ja negatiivsete laengute tihedus. Plasmat saab gaasist – aine 3. agregatsiooni olekust tugeva kuumutamise teel. Agregatsiooni olek üldiselt sõltub tegelikult täielikult temperatuurist. Esimene agregatsiooni olek on madalaim temperatuur, mille juures keha jääb tahkeks, teine ​​agregatsiooni olek on temperatuur, mille juures keha hakkab sulama ja vedelaks muutuma, kolmas agregatsiooni olek on kõrgeim temperatuur, mille juures aine muutub. gaasi. Iga keha, aine puhul on ühest agregatsiooniseisundist teise ülemineku temperatuur täiesti erinev, mõne jaoks on see madalam, mõne jaoks kõrgem, kuid igaühe jaoks on see rangelt selles järjestuses. Millisel temperatuuril muutub aine plasmaks? Kuna see on neljas olek, tähendab see, et sellesse ülemineku temperatuur on kõrgem kui igal eelmisel. Ja see on tõsi. Gaasi ioniseerimiseks on vaja väga kõrget temperatuuri. Madalaima temperatuuri ja madala ioniseeritud (umbes 1%) plasmat iseloomustab temperatuur kuni 100 tuhat kraadi. Maapealsetes tingimustes võib sellist plasmat jälgida välgu kujul. Välgukanali temperatuur võib ületada 30 tuhat kraadi, mis on 6 korda kõrgem kui Päikese pinna temperatuur. Muide, Päike ja kõik teised tähed on samuti plasma, enamasti kõrge temperatuuriga tähed. Teadus tõestab, et umbes 99% kogu universumi ainest on plasma.

Erinevalt madala temperatuuriga plasmast on kõrge temperatuuriga plasma ionisatsioon peaaegu 100% ja temperatuur on kuni 100 miljonit kraadi. See on tõesti tähetemperatuur. Maal leidub sellist plasmat ainult ühel juhul - termotuumasünteesi katseteks. Kontrollitud reaktsioon on üsna keeruline ja energiakulukas, kuid kontrollimatu reaktsioon on end tõestanud kolossaalse jõu relvana – termotuumapommina, mida NSV Liit katsetas 12. augustil 1953. aastal.

Plasma klassifitseeritakse mitte ainult temperatuuri ja ionisatsiooniastme, vaid ka tiheduse ja kvaasineutraalsuse järgi. Kollokatsioon plasma tihedus tavaliselt tähendab elektronide tihedus, see tähendab vabade elektronide arvu ruumalaühiku kohta. Noh, sellega on minu arvates kõik selge. Kuid mitte kõik ei tea, mis on kvaasineutraalsus. Plasma kvaasineutraalsus on selle üks olulisemaid omadusi, mis seisneb selle koostises sisalduvate positiivsete ioonide ja elektronide tiheduse peaaegu täpses võrdsuses. Plasma hea elektrijuhtivuse tõttu on positiivsete ja negatiivsete laengute eraldamine võimatu Debye pikkusest suurematel kaugustel ja aegadel, mis on suuremad kui plasma võnkeperiood. Peaaegu kogu plasma on peaaegu neutraalne. Mittekvaasineutraalse plasma näiteks on elektronkiir. Mitteneutraalsete plasmade tihedus peab aga olema väga väike, vastasel juhul lagunevad need kiiresti Coulombi tõrjumise tõttu.

Oleme vaadanud väga vähe plasma maapealseid näiteid. Aga neid on päris palju. Inimene on õppinud plasmat enda huvides kasutama. Tänu aine neljandale olekule saame kasutada gaaslahenduslampe, plasmateleviisoreid, elektrikaarkeevitust ja lasereid. Tavalised luminofoorlahenduslambid on samuti plasma. Meie maailmas on ka plasmalamp. Seda kasutatakse peamiselt teaduses kõige keerukamate plasmanähtuste, sealhulgas filamentatsiooni uurimiseks ja, mis kõige tähtsam, nägemiseks. Foto sellisest lambist on näha alloleval pildil:

Lisaks majapidamises kasutatavatele plasmaseadmetele võib Maal sageli näha ka looduslikku plasmat. Ühest tema näitest oleme juba rääkinud. See on välk. Kuid lisaks välgule võib plasmanähtusi nimetada virmalisteks, "Püha Elmo tuleks", Maa ionosfääriks ja loomulikult tuleks.

Pange tähele, et tuli, välk ja muud plasma ilmingud, nagu me seda nimetame, põlevad. Mis põhjustab plasmast nii eredat valgust? Plasma kuma tekib elektronide üleminekul suure energiaga olekust madala energiaga olekusse pärast rekombinatsiooni ioonidega. Selle protsessi tulemuseks on ergastatud gaasile vastava spektriga kiirgus. Sellepärast plasma helendab.

Rääkiksin veidi ka plasma ajaloost. Kunagi nimetati ju plasmaks ainult selliseid aineid nagu piima vedel komponent ja vere värvitu komponent. Kõik muutus 1879. aastal. Just sel aastal avastas kuulus inglise teadlane William Crookes gaaside elektrijuhtivust uurides plasma fenomeni. Tõsi, seda aine olekut nimetati plasmaks alles 1928. Ja seda tegi Irving Langmuir.

Kokkuvõtteks tahan öelda, et selline huvitav ja salapärane nähtus nagu keravälk, millest olen sellel saidil rohkem kui korra kirjutanud, on loomulikult ka plasmoid, nagu tavaline välk. See on võib-olla kõige ebatavalisem plasmoid kõigist maapealsetest plasmanähtustest. Keravälgu kohta on ju umbes 400 erinevat teooriat, kuid mitte ühtegi neist pole tunnistatud tõeliselt õigeks. Laboritingimustes said sarnased, kuid lühiajalised nähtused mitmed erinevatel viisidel, seega jääb küsimus keravälgu olemuse kohta lahtiseks.

Tavalist plasmat loodi muidugi ka laborites. Kunagi oli see raske, kuid nüüd pole selline katse eriti raske. Kuna plasma on kindlalt meie igapäevaarsenali sisenenud, katsetavad nad sellega palju laborites.

Kõige huvitavam avastus plasma vallas oli katsed plasmaga nullgravitatsioonis. Selgub, et plasma kristalliseerub vaakumis. See juhtub nii: laetud plasmaosakesed hakkavad üksteist tõrjuma ja kui neil on piiratud maht, hõivavad nad neile eraldatud ruumi, hajudes eri suundades. See on üsna sarnane kristallvõrega. Kas see ei tähenda, et plasma on sulgev lüli aine esimese ja kolmanda oleku vahel? Muutub see ju gaasi ioniseerumise tõttu plasmaks ja vaakumis muutub plasma jälle justkui tahkeks. Aga see on vaid minu oletus.

Ka kosmoses leiduvatel plasmakristallidel on üsna kummaline struktuur. Seda struktuuri saab vaadelda ja uurida ainult ruumis, reaalses ruumivaakumis. Isegi kui loote Maale vaakumi ja asetate sinna plasma, surub gravitatsioon lihtsalt kogu sees tekkiva "pildi". Kosmoses tõusevad plasmakristallid lihtsalt õhku, moodustades kummalise kujuga kolmemõõtmelise kolmemõõtmelise struktuuri. Pärast orbiidil plasmavaatluse tulemuste saatmist Maa teadlastele selgus, et plasmas olevad keerised kordavad kummalisel kombel meie galaktika struktuuri. See tähendab, et tulevikus on plasmat uurides võimalik mõista, kuidas meie galaktika sündis. Allolevatel fotodel on näha sama kristalliseerunud plasma.

MÄÄRATLUS

Aine on suure hulga osakeste (aatomite, molekulide või ioonide) kogum.

Ainetel on keeruline struktuur. Aine osakesed interakteeruvad üksteisega. Aine osakeste vastasmõju olemus määrab selle agregatsiooni oleku.

Agregatsiooniseisundite tüübid

Eristatakse järgmisi agregatsiooni olekuid: tahke, vedel, gaas, plasma.

Tahkes olekus on osakesed tavaliselt ühendatud korrapäraseks geomeetriliseks struktuuriks. Osakeste sideenergia on suurem kui nende soojusvibratsiooni energia.

Kui kehatemperatuuri tõsta, suureneb osakeste soojusvibratsiooni energia. Teatud temperatuuril muutub soojusvibratsiooni energia suuremaks kui sidemete energia. Sellel temperatuuril osakeste vahelised sidemed katkevad ja moodustuvad uuesti. Sel juhul sooritavad osakesed erinevat tüüpi liigutusi (võnkumised, pöörlemised, liigutused üksteise suhtes jne). Samal ajal on nad endiselt üksteisega kontaktis. Õige geomeetriline struktuur on katki. Aine on vedelas olekus.

Temperatuuri edasise tõusuga intensiivistuvad termilised kõikumised, osakestevahelised sidemed muutuvad veelgi nõrgemaks ja praktiliselt puuduvad. Aine on gaasilises olekus. Lihtsaim ainemudel on ideaalne gaas, mille puhul arvatakse, et osakesed liiguvad vabalt igas suunas, interakteeruvad üksteisega ainult kokkupõrke hetkel ning elastse löögi seadused on täidetud.

Võime järeldada, et temperatuuri tõustes läheb aine korrastatud struktuurist korrastamata olekusse.

Plasma on gaasiline aine, mis koosneb neutraalsete osakeste, ioonide ja elektronide segust.

Temperatuur ja rõhk aine erinevates olekutes

Aine erinevad agregatsiooniseisundid määratakse temperatuuri ja rõhuga. Madal rõhk ja kõrge temperatuur vastavad gaasidele. Madalatel temperatuuridel on aine tavaliselt tahkes olekus. Vahetemperatuurid viitavad vedelas olekus olevatele ainetele. Aine agregeeritud olekute iseloomustamiseks kasutatakse sageli faasidiagrammi. See on diagramm, mis näitab agregatsiooni oleku sõltuvust rõhust ja temperatuurist.

Gaaside peamine omadus on nende paisumisvõime ja kokkusurutavus. Gaasidel pole kuju, nad võtavad selle anuma kuju, millesse need asetatakse. Gaasi maht määrab anuma mahu. Gaase võib omavahel segada mis tahes vahekorras.

Vedelikel pole kuju, kuid neil on maht. Vedelikud ei suru hästi kokku, ainult kõrgel rõhul.

Tahketel ainetel on kuju ja maht. Tahkes olekus võib esineda metalliliste, ioonsete ja kovalentsete sidemetega ühendeid.

Näited probleemide lahendamisest

NÄIDE 1

Harjutus

Joonistage mõne abstraktse aine faasiskeem. Selgitage selle tähendust.

Lahendus

Teeme joonise. Olekudiagramm on näidatud joonisel 1. See koosneb kolmest piirkonnast, mis vastavad aine kristalsele (tahkele) olekule, vedelale ja gaasilisele olekule. Need alad on eraldatud kõveratega, mis näitavad vastastikku pöördprotsesside piire: 01 - sulamine - kristalliseerumine; 02 - keetmine - kondenseerumine; 03 - sublimatsioon - desublimatsioon. Kõigi kõverate lõikepunkt (O) on kolmikpunkt. Sel hetkel võib aine eksisteerida kolmes agregatsiooni olekus. Kui aine temperatuur on kriitilisest kõrgem () (punkt 2), siis kineetiline energia osakeste potentsiaalne energia on suurem kui nende vastasmõju potentsiaalne energia, sellistel temperatuuridel muutub aine igal rõhul gaasiks. Faasidiagrammil on selge, et kui rõhk on suurem kui , siis temperatuuri tõustes tahke aine sulab. Pärast sulamist põhjustab rõhu tõus keemistemperatuuri tõusu. Kui rõhk on väiksem kui , viib tahke aine temperatuuri tõus selle otse gaasilisse olekusse (sublimatsioon) (punkt G).

NÄIDE 2

Harjutus

Selgitage, mis eristab üht agregatsiooniseisundit teisest?

Lahendus

Erinevates agregatsiooniseisundites on aatomitel (molekulidel) erinev paigutus. Seega on kristallvõrede aatomid (molekulid või ioonid) paigutatud korrapäraselt ja võivad tasakaaluasendites tekitada väikeseid vibratsioone. Gaasimolekulid on korrastamata olekus ja võivad liikuda suurte vahemaade taha. Lisaks on erinevates agregatsiooniseisundites (sama aine massi korral) erinevatel temperatuuridel ainete siseenergia erinev. Ühest agregatsiooniseisundist teise ülemineku protsessidega kaasneb siseenergia muutus. Üleminek: tahke - vedel - gaas tähendab siseenergia suurenemist, kuna molekulide liikumise kineetiline energia suureneb.

Levinumad teadmised on kolmest agregatsiooni olekust: vedel, tahke, gaasiline, mõnikord mäletavad nad plasmat, harvemini vedelkristallilist. Hiljuti levis Internetis nimekiri 17 aine faasist, mis on võetud kuulsalt () Stephen Frylt. Seetõttu räägime teile neist lähemalt, sest... Sa peaksid mateeriast natuke rohkem teadma, kasvõi selleks, et paremini mõista Universumis toimuvaid protsesse.

Allpool toodud aine agregeeritud olekute loend pikeneb kõige külmemast olekust kõige kuumemani jne. võib jätkata. Samal ajal tuleb mõista, et gaasilisest olekust (nr 11), kõige "kokkusurumata" kuni loendi mõlemale poolele, aine kokkusurumisaste ja selle rõhk (mõningate reservatsioonidega selliste uurimata ainete puhul hüpoteetilised seisundid nagu kvant, kiir või nõrgalt sümmeetriline) suurenevad.

1. Kvant- aine agregatsiooni olek, mis saavutatakse siis, kui temperatuur langeb absoluutse nullini, mille tulemusena kaovad sisemised sidemed ja aine mureneb vabadeks kvarkideks.

2. Bose-Einsteini kondensaat– absoluutse nulli lähedase temperatuurini (vähem kui miljondik kraadi üle absoluutse nulli) jahutatud aine agregatsiooni olek, mille aluseks on bosonid. Sellises väga lahedas olekus piisab suur hulk aatomid satuvad oma minimaalsetesse võimalikesse kvantolekutesse ja kvantefektid hakkavad avalduma makroskoopilisel tasandil. Bose-Einsteini kondensaat (mida sageli nimetatakse Bose kondensaadiks või lihtsalt "beck") tekib siis, kui jahutate keemilise elemendi äärmiselt madalale temperatuurile (tavaliselt veidi üle absoluutse nulli, miinus 273 kraadi Celsiuse järgi, on teoreetiline temperatuur, mille juures kõik toimub). peatub liikumisel).
Siin hakkavadki ainega juhtuma täiesti kummalised asjad. Protsessid, mida tavaliselt vaadeldakse ainult aatomitasandil, toimuvad nüüd palja silmaga vaatlemiseks piisavalt suurel skaalal. Näiteks kui asetate "tagasi" labori keeduklaasi ja tagate soovitud temperatuuri, hakkab aine mööda seina üles hiilima ja lõpuks ise välja tulema.
Ilmselt on siin tegemist aine asjatu katsega alandada oma energiat (mis on juba kõigist võimalikest tasemetest madalaimal tasemel).
Aatomite aeglustamine jahutusseadmete abil tekitab ainsuse kvantoleku, mida tuntakse Bose või Bose-Einsteini kondensaadina. Seda nähtust ennustas 1925. aastal A. Einstein S. Bose'i töö üldistamise tulemusena, kus statistiline mehaanika ehitati osakeste jaoks alates massita footonitest kuni massi kandvate aatomiteni (avastati kadunuks peetud Einsteini käsikiri Leideni ülikooli raamatukogus 2005 ). Bose'i ja Einsteini jõupingutuste tulemuseks oli Bose'i kontseptsioon Bose-Einsteini statistikale alluvast gaasist, mis kirjeldab identsete täisarvuliste spinniga osakeste, mida nimetatakse bosoniteks, statistilist jaotust. Bosonid, mis on näiteks üksikud elementaarosakesed – footonid ja terved aatomid, võivad olla üksteisega samas kvantolekus. Einstein tegi ettepaneku, et bosoni aatomite jahutamine väga madalale temperatuurile põhjustaks nende muundumise (või teisisõnu kondenseerumise) madalaimasse võimalikku kvantolekusse. Sellise kondenseerumise tagajärjeks on tekkimine uus vorm ained.
See üleminek toimub allapoole kriitilist temperatuuri, mis on homogeense kolmemõõtmelise gaasi jaoks, mis koosneb interakteeruvatest osakestest, millel puudub sisemine vabadusaste.

3. Fermioni kondensaat- aine agregatsiooni olek, mis on sarnane alusmaterjaliga, kuid erinev struktuurilt. Absoluutsele nullile lähenedes käituvad aatomid erinevalt sõltuvalt nende enda nurkimpulsi (spinni) suurusest. Bosonitel on spinnid täisarvu väärtused, ja fermionide puhul - 1/2 kordsed (1/2, 3/2, 5/2). Fermioonid järgivad Pauli välistamise põhimõtet, mis ütleb, et kahel fermionil ei saa olla sama kvantolekut. Bosonite puhul sellist keeldu ei ole ja seetõttu on neil võimalus eksisteerida ühes kvantseisundis ja seeläbi moodustada nn Bose-Einsteini kondensaat. Selle kondensaadi moodustumise protsess vastutab ülijuhtivasse olekusse ülemineku eest.
Elektronidel on spin 1/2 ja seetõttu klassifitseeritakse need fermioonideks. Need ühinevad paarideks (nn Cooperi paarideks), mis seejärel moodustavad Bose'i kondensaadi.
Ameerika teadlased on püüdnud saada fermioni aatomitest sügava jahutamise teel teatud tüüpi molekule. Erinevus pärismolekulidest seisnes selles, et neid ei olnud keemiline side- nad kolisid lihtsalt kokku, korrelatsioonis. Side aatomite vahel osutus veelgi tugevamaks kui elektronide vahel Cooperi paarides. Saadud fermioonipaaride koguspinn ei ole enam 1/2 kordne, seetõttu käituvad nad juba nagu bosonid ja võivad moodustada Bose'i kondensaadi ühe kvantolekuga. Katse käigus jahutati kaalium-40 aatomist koosnev gaas 300 nanokelvinini, samal ajal kui gaas suleti nn optilisse lõksu. Seejärel rakendati välist magnetvälja, mille abil oli võimalik muuta aatomitevaheliste interaktsioonide olemust - tugeva tõuke asemel hakati jälgima tugevat külgetõmmet. Magnetvälja mõju analüüsimisel õnnestus leida väärtus, mille juures aatomid hakkasid käituma nagu Cooperi elektronpaarid. Sees järgmine etapp Eksperimendi põhjal loodavad teadlased saada fermionkondensaatide ülijuhtivuse efekte.

4. Ülivedelik aine- olek, milles ainel praktiliselt puudub viskoossus ja voolu ajal ei teki sellel tahke pinnaga hõõrdumist. Selle tagajärjeks on näiteks selline huvitav efekt nagu ülivedeliku heeliumi täielik spontaanne “välja hiilimine” anumast mööda selle seinu vastu gravitatsioonijõudu. Loomulikult ei ole siin tegemist energia jäävuse seaduse rikkumisega. Hõõrdejõudude puudumisel mõjutavad heeliumi ainult gravitatsioonijõud, heeliumi ja anuma seinte ning heeliumi aatomite vahelise aatomitevahelise interaktsiooni jõud. Seega ületavad aatomitevahelise interaktsiooni jõud kõik muud jõud kokku. Selle tulemusena kipub heelium levima nii palju kui võimalik kõikidele võimalikele pindadele ja seetõttu "rändab" mööda anuma seinu. 1938. aastal tõestas Nõukogude teadlane Pjotr ​​Kapitsa, et heelium võib eksisteerida ülivedelas olekus.
Väärib märkimist, et paljud heeliumi ebatavalised omadused on tuntud juba mõnda aega. Siiski isegi sisse viimastel aastatel see keemiline element rikub meid huvitavate ja ootamatute mõjudega. Nii paelusid 2004. aastal Moses Chan ja Eun-Syong Kim Pennsylvania ülikoolist teadusmaailma teatega, et neil õnnestus saada täiesti uus heeliumi olek – ülivedel tahke aine. Selles olekus võivad mõned kristallvõre heeliumi aatomid voolata ümber teiste ja heelium võib seega voolata läbi iseenda. Teoreetiliselt ennustati ülikõvaduse efekti juba 1969. aastal. Ja siis 2004. aastal näis olevat eksperimentaalne kinnitus. Hilisemad ja väga huvitavad katsed näitasid aga, et kõik pole nii lihtne ja võib-olla on selline nähtuse tõlgendus, mida varem peeti tahke heeliumi ülivoolavusena, vale.
USA Browni ülikooli Humphrey Marise juhitud teadlaste eksperiment oli lihtne ja elegantne. Teadlased asetasid tagurpidi katseklaasi suletud paaki, mis sisaldas vedelat heeliumi. Nad külmutasid osa heeliumist katseklaasis ja reservuaaris nii, et vedeliku ja tahke aine piir katseklaasis oli kõrgem kui reservuaaris. Teisisõnu, katseklaasi ülemises osas oli vedel heelium, alumises osas oli tahke heelium, see läks sujuvalt reservuaari tahkesse faasi, mille kohale kallati veidi vedelat heeliumi - madalamal kui vedelik tase katseklaasis. Kui vedel heelium hakkaks läbi tahke heeliumi lekkima, siis tasemete erinevus väheneks ja siis saame rääkida tahkest ülivedelast heeliumist. Ja põhimõtteliselt 13 katsest kolmes tasemete erinevus tegelikult vähenes.

5. Ülikõva aine- agregatsiooni olek, milles aine on läbipaistev ja võib "voolada" nagu vedelik, kuid tegelikult puudub sellel viskoossus. Selliseid vedelikke on tuntud juba aastaid; Fakt on see, et kui supervedelikku segada, ringleb see peaaegu igavesti, samas kui tavaline vedelik lõpuks rahuneb. Esimesed kaks supervedelikku lõid teadlased heelium-4 ja heelium-3 abil. Need jahutati peaaegu absoluutse nullini – miinus 273 kraadi Celsiuse järgi. Ja heelium-4-st õnnestus Ameerika teadlastel saada ülitahke keha. Nad surusid külmunud heeliumi kokku rohkem kui 60-kordse rõhuga ja asetasid seejärel ainega täidetud klaasi pöörlevale kettale. Temperatuuril 0,175 Celsiuse järgi hakkas ketas ühtäkki vabamalt pöörlema, mis teadlaste sõnul viitab sellele, et heeliumist on saanud superkeha.

6. Tahke- aine agregatsiooni olek, mida iseloomustab kuju stabiilsus ja aatomite soojusliikumise iseloom, mis tekitavad tasakaaluasendites väikeseid vibratsioone. Tahkete ainete stabiilne olek on kristalne. Aatomite vahel on tahkeid aineid, millel on ioonsed, kovalentsed, metallilised ja muud tüüpi sidemed, mis määrab nende füüsikaliste omaduste mitmekesisuse. Tahkete ainete elektrilised ja mõned muud omadused on peamiselt määratud selle aatomite väliselektronide liikumise iseloomuga. Elektriliste omaduste alusel jaotatakse tahked ained dielektrikuteks, pooljuhtideks ja metallideks, tahked ained diamagnetilisteks, paramagnetilisteks ja korrastatud magnetstruktuuriga kehadeks. Tahkete ainete omaduste uuringud on sulandunud suureks valdkonnaks - tahkisfüüsikaks, mille arengut soodustavad tehnoloogia vajadused.

7. Amorfne tahke aine- aine kondenseerunud agregatsiooni olek, mida iseloomustab füüsikaliste omaduste isotroopsus, mis on tingitud aatomite ja molekulide ebakorrapärasest paigutusest. Amorfsel kujul tahked ained Aatomid vibreerivad juhuslikult paiknevate punktide ümber. Erinevalt kristalsest olekust toimub üleminek tahkest amorfsest vedelast järk-järgult. Erinevad ained on amorfses olekus: klaas, vaigud, plastmassid jne.

8. Vedelkristall on aine spetsiifiline agregaatolek, milles sellel on samaaegselt kristalli ja vedeliku omadused. Tuleb kohe märkida, et kõik ained ei saa olla vedelkristallilises olekus. Mõned keerukate molekulidega orgaanilised ained võivad aga moodustada spetsiifilise agregatsioonioleku – vedelkristallilise. See seisund tekib siis, kui teatud ainete kristallid sulavad. Nende sulamisel moodustub vedelkristalliline faas, mis erineb tavalistest vedelikest. See faas esineb vahemikus kristalli sulamistemperatuurist kõrgema temperatuurini, milleni kuumutamisel vedelkristall muutub tavaliseks vedelikuks.
Mille poolest erineb vedelkristall vedelast ja tavalisest kristallist ning mille poolest see nendega sarnaneb? Nagu tavaline vedelik, on ka vedelkristall voolav ja võtab selle anuma kuju, millesse see asetatakse. Nii erineb see kõigile tuntud kristallidest. Kuid vaatamata sellele omadusele, mis ühendab selle vedelikuga, on sellel kristallidele iseloomulik omadus. See on kristalli moodustavate molekulide järjestus ruumis. Tõsi, see järjestamine pole nii täielik kui tavalistes kristallides, kuid sellegipoolest mõjutab see oluliselt vedelkristallide omadusi, mis eristab neid tavalistest vedelikest. Vedelkristalli moodustavate molekulide mittetäielik ruumiline järjestus avaldub selles, et vedelkristallides puudub molekulide raskuskeskmete ruumilises paigutuses täielik kord, kuigi osaline kord võib esineda. See tähendab, et neil puudub jäik kristallvõre. Seetõttu on vedelkristallidel, nagu ka tavalistel vedelikel, voolavus.
Vedelkristallide kohustuslik omadus, mis lähendab neid tavalistele kristallidele, on molekulide ruumilise orientatsiooni järjekorra olemasolu. Selline orientatsiooni järjekord võib väljenduda näiteks selles, et vedelkristallilises proovis on kõik molekulide pikad teljed orienteeritud ühtemoodi. Need molekulid peavad olema pikliku kujuga. Lisaks molekulaarsete telgede kõige lihtsamale järjestusele võib vedelkristallides esineda ka keerulisem molekulide orientatsioonijärjekord.
Sõltuvalt molekulaarsete telgede järjestuse tüübist jagunevad vedelkristallid kolme tüüpi: nemaatilised, smektilised ja kolesteerilised.
Vedelkristallide füüsikat ja nende rakendusi käsitlevaid uuringuid tehakse praegu laialdaselt kõigis maailma arenenumates riikides. Kodumaised teadusuuringud on koondunud nii akadeemilistesse kui ka tööstuslikesse uurimisasutustesse ning sellel on pikad traditsioonid. V.K. teosed, mis valmisid kolmekümnendatel Leningradis, said laialdaselt tuntuks ja tunnustatuks. Fredericks V.N. Tsvetkova. Viimastel aastatel on kiire vedelkristallide uurimine näinud ka kodumaiste teadlaste panust vedelkristallide uurimise laiemalt ja eriti vedelkristallide optika arengusse. Seega on I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovski, S.A. Pikina, L.M. Blinov ja paljud teised nõukogude teadlased on teadlaskonnale laialdaselt tuntud ja on aluseks paljudele vedelkristallide tõhusatele tehnilistele rakendustele.
Vedelkristallide olemasolu tehti kindlaks juba ammu, nimelt 1888. aastal ehk peaaegu sajand tagasi. Kuigi teadlased puutusid selle aine olekuga kokku enne 1888. aastat, avastati see ametlikult hiljem.
Esimesena avastas vedelkristallid Austria botaanik Reinitzer. Tema sünteesitud uut ainet kolesterüülbensoaati uurides avastas ta, et temperatuuril 145°C sulavad selle aine kristallid, moodustades häguse vedeliku, mis hajutab tugevalt valgust. Kuumutamise jätkudes muutub vedelik temperatuurini 179°C saavutades selgeks, st hakkab optiliselt käituma nagu tavaline vedelik, näiteks vesi. Kolesterüülbensoaat näitas häguses faasis ootamatuid omadusi. Seda faasi polariseeriva mikroskoobi all uurides avastas Reinitzer, et sellel on kahekordne murdumine. See tähendab, et valguse murdumisnäitaja ehk valguse kiirus selles faasis sõltub polarisatsioonist.

9. Vedelik- aine agregatsiooni olek, mis ühendab tahke oleku (mahu säilimine, teatav tõmbetugevus) ja gaasilise oleku (kuju muutlikkus) tunnused. Vedelikke iseloomustab osakeste (molekulide, aatomite) paigutuse lühimaakord ja väike erinevus molekulide soojusliikumise kineetilises energias ja nende potentsiaalses interaktsioonienergias. Vedelike molekulide soojusliikumine koosneb võnkumisest tasakaaluasendite ümber ja suhteliselt harvaesinevatest hüpetest ühest tasakaaluasendist teise on sellega seotud vedeliku voolavus.

10. Ülekriitiline vedelik(SCF) on aine agregatsiooni olek, mille puhul kaob erinevus vedela ja gaasifaasi vahel. Iga aine, mille temperatuur ja rõhk on üle selle kriitilise punkti, on ülekriitiline vedelik. Aine omadused ülekriitilises olekus on vahepealsed selle gaasi- ja vedelfaasis olevate omaduste vahel. Seega on SCF-il nagu gaasidel suur tihedus, vedelikule lähedane ja madal viskoossus. Difusioonikoefitsiendil on sel juhul vedeliku ja gaasi vahepealne väärtus. Ülekriitilises olekus aineid saab kasutada orgaaniliste lahustite asendajana labori- ja tööstusprotsessides. Suurimat huvi ja levikut on teatud omaduste tõttu pälvinud superkriitiline vesi ja ülekriitiline süsihappegaas.
Ülekriitilise oleku üks olulisemaid omadusi on võime lahustada aineid. Vedeliku temperatuuri või rõhu muutmisega saate muuta selle omadusi laias vahemikus. Seega on võimalik saada vedelikku, mille omadused on lähedased kas vedelikule või gaasile. Seega suureneb vedeliku lahustumisvõime tiheduse suurenedes (konstantsel temperatuuril). Kuna tihedus suureneb rõhu tõustes, võib rõhu muutmine mõjutada vedeliku lahustumisvõimet (konstantsel temperatuuril). Temperatuuri puhul on vedeliku omaduste sõltuvus mõnevõrra keerulisem - konstantse tiheduse juures suureneb ka vedeliku lahustumisvõime, kuid kriitilise punkti lähedal võib kerge temperatuuri tõus põhjustada järsu tiheduse langus ja vastavalt ka lahustumisvõime. Ülekriitilised vedelikud segunevad üksteisega piiramatult, nii et segu kriitilise punkti saavutamisel on süsteem alati ühefaasiline. Binaarse segu ligikaudse kriitilise temperatuuri saab arvutada ainete kriitiliste parameetrite aritmeetilise keskmisena Tc(mix) = (moolifraktsioon A) x TcA + (moolifraktsioon B) x TcB.

11. Gaasiline- (prantsuse gaz, kreeka keelest kaos - kaos), aine agregatsiooni olek, milles selle osakeste (molekulide, aatomite, ioonide) soojusliikumise kineetiline energia ületab oluliselt nendevaheliste interaktsioonide potentsiaalset energiat ja seetõttu. osakesed liiguvad vabalt, täites väliste väljade puudumisel ühtlaselt kogu neile antud mahu.

12. Plasma- (kreekakeelsest plasmast – voolitud, vormitud), aine olek, mis on ioniseeritud gaas, milles positiivsete ja negatiivsete laengute kontsentratsioonid on võrdsed (kvaasineutraalsus). Valdav enamus Universumi ainest on plasma olekus: tähed, galaktika udukogud ja tähtedevaheline keskkond. Maa lähedal eksisteerib plasma kujul päikese tuul, magnetosfäär ja ionosfäär. Uuritakse kõrge temperatuuriga plasmat (T ~ 106 - 108K) deuteeriumi ja triitiumi segust eesmärgiga rakendada kontrollitud termotuumasünteesi. Madala temperatuuriga plasmat (T Ј 105K) kasutatakse erinevates gaaslahendusseadmetes (gaaslaserid, ioonseadmed, MHD generaatorid, plasmatronid, plasmamootorid jne), aga ka tehnoloogias (vt Plasmametallurgia, Plasma puurimine, Plasma tehnoloogia).

13. Mandunud aine— on vahepealne staadium plasma ja neutrooniumi vahel. Seda täheldatakse valgetes kääbustes ja see mängib tähtede evolutsioonis olulist rolli. Kui aatomid puutuvad kokku ülikõrge temperatuuri ja rõhuga, kaotavad nad oma elektronid (neist saab elektrongaas). Teisisõnu, nad on täielikult ioniseeritud (plasma). Sellise gaasi (plasma) rõhu määrab elektronide rõhk. Kui tihedus on väga suur, surutakse kõik osakesed üksteisele lähemale. Elektronid võivad eksisteerida kindla energiaga olekutes ja kahel elektronil ei saa olla sama energiat (välja arvatud juhul, kui nende spinnid on vastupidised). Seega on tihedas gaasis kõik madalamad energiatasemed täidetud elektronidega. Sellist gaasi nimetatakse degenereerunud gaasiks. Selles olekus avaldavad elektronid degenereerunud elektronirõhku, mis neutraliseerib gravitatsioonijõude.

14. Neutroon- agregatsiooniseisund, millesse aine liigub ülikõrgel rõhul, mis on veel laboris kättesaamatu, kuid eksisteerib neutrontähtede sees. Neutroniolekusse üleminekul interakteeruvad aine elektronid prootonitega ja muutuvad neutroniteks. Selle tulemusena koosneb neutroni olekus olev aine täielikult neutronitest ja selle tihedus on tuuma suurusjärgus. Aine temperatuur ei tohiks olla liiga kõrge (energiaekvivalendis mitte rohkem kui sada MeV).
Temperatuuri tugeva tõusuga (sadu MeV ja üle selle) hakkavad sündima ja neutronites annihileeruma erinevad mesonid. Temperatuuri edasise tõusuga toimub dekonfineerumine ja aine läheb kvark-gluoonplasma olekusse. See ei koosne enam hadronitest, vaid pidevalt sündivatest ja kaduvatest kvarkidest ja gluoonidest.

15. Kvark-gluoonplasma(kromoplasma) - aine agregatsiooni seisund kõrgenergia füüsikas ja füüsikas elementaarosakesed, milles hadroonaine läheb olekusse, mis sarnaneb olekuga, milles elektronid ja ioonid leiduvad tavalises plasmas.
Tavaliselt on hadronites olev aine nn värvitu (“valge”) olekus. See tähendab, et erinevat värvi kvargid tühistavad üksteist. Sarnane olek eksisteerib ka tavaaines – kui kõik aatomid on elektriliselt neutraalsed, st.
positiivsed laengud neid kompenseerivad negatiivsed. Kõrgel temperatuuril võib toimuda aatomite ionisatsioon, mille käigus laengud eralduvad ja aine muutub, nagu öeldakse, "kvaasineutraalseks". See tähendab, et kogu ainepilv tervikuna jääb neutraalseks, kuid selle üksikud osakesed lakkavad olemast neutraalsed. Ilmselt võib sama juhtuda hadroonse ainega - väga kõrged energiad, värv eraldub ja muudab aine peaaegu värvituks.
Arvatavasti oli Universumi aine esimestel hetkedel pärast Suurt Pauku kvark-gluoonplasma olekus. Nüüd võib väga suure energiaga osakeste kokkupõrke käigus tekkida lühiajaliselt kvark-gluoonplasma.
Kvark-gluoonplasma toodeti eksperimentaalselt Brookhaveni riikliku labori RHIC kiirendis 2005. aastal. Plasma maksimaalne temperatuur 4 triljonit kraadi Celsiuse järgi saadi seal 2010. aasta veebruaris.

16. Kummaline aine- agregatsiooni olek, milles aine on kokkusurutud maksimaalse tiheduseni, see võib eksisteerida kvargisupi kujul; Kuupsentimeetrine aine selles olekus kaalub miljardeid tonne; lisaks muudab see kõik tavalised ained, millega see kokku puutub, samasuguseks "kummaliseks" vormiks, vabastades märkimisväärse koguse energiat.
Energia, mis võib vabaneda, kui tähe tuum muutub "kummaliseks aineks", viib "kvarginoova" ülivõimsa plahvatuseni - ja Leahy ja Uyedi sõnul on see täpselt see, mida astronoomid 2006. aasta septembris täheldasid.
Selle aine moodustumise protsess algas tavalise supernoovaga, milleks muutus massiivne täht. Esimese plahvatuse tulemusena tekkis neutrontäht. Kuid Leahy ja Uyedi sõnul oli see väga lühiajaline, kuna selle pöörlemine näis olevat aeglustunud. magnetväli, hakkas see veelgi rohkem kokku tõmbuma, moodustades “kummalise aine” klombi, mis tõi kaasa veelgi võimsama energia vabanemise kui tavalise supernoova plahvatuse ajal – ja endise neutrontähe välimised ainekihid hajusid ümbritsev ruum valguse kiirusele lähedase kiirusega .

17. Tugevalt sümmeetriline aine- see on aine, mis on kokku surutud sellisel määral, et selle sees olevad mikroosakesed kihistuvad üksteise peale ja keha ise variseb kokku must auk. Mõistet “sümmeetria” seletatakse järgmiselt: Võtame kõigile koolist teadaolevad aine agregatiivsed olekud – tahke, vedel, gaasiline. Kindluse mõttes vaatleme ideaalset lõpmatut kristalli tahkeks aineks. Ülekandmise suhtes on teatud, nn diskreetne sümmeetria. See tähendab, et kui nihutada kristallvõre kahe aatomi vahelise intervalliga võrdse vahemaa võrra, ei muutu selles midagi – kristall langeb kokku iseendaga. Kui kristall on sulanud, on saadud vedeliku sümmeetria erinev: see suureneb. Kristallis olid samaväärsed ainult üksteisest teatud vahemaade kaugusel asuvad punktid, kristallvõre nn sõlmed, milles paiknesid identsed aatomid.
Vedelik on kogu mahu ulatuses homogeenne, kõik selle punktid on üksteisest eristamatud. See tähendab, et vedelikke saab tõrjuda suvaliste vahemaadega (ja mitte ainult mõne diskreetse vahemaa võrra, nagu kristalli puhul) või pöörata mis tahes suvalise nurga all (mida kristallides üldse teha ei saa) ja see langeb iseendaga kokku. Selle sümmeetriaaste on kõrgem. Gaas on veelgi sümmeetrilisem: vedelik hõivab anumas teatud mahu ja anuma sees on asümmeetria, kus vedelikku on, ja punktid, kus seda ei ole. Gaas hõivab kogu talle antud mahu ja selles mõttes on kõik selle punktid üksteisest eristamatud. Siiski oleks siin õigem rääkida mitte punktidest, vaid väikestest, kuid makroskoopilistest elementidest, sest mikroskoopilisel tasemel on siiski erinevusi. Teatud ajahetkedel on aatomeid või molekule, teistes aga mitte. Sümmeetriat täheldatakse ainult keskmiselt, kas mõne makroskoopilise mahuparameetri või aja jooksul.
Kuid mikroskoopilisel tasemel pole endiselt vahetut sümmeetriat. Kui aine surutakse kokku väga tugevalt, igapäevaelus vastuvõetamatute surveteni, surutakse kokku nii, et aatomid purustatakse, nende kestad tungivad üksteisesse ja tuumad hakkavad kokku puutuma, tekib sümmeetria mikroskoopilisel tasandil. Kõik tuumad on identsed ja üksteise vastu surutud, ei teki mitte ainult aatomitevahelisi, vaid ka tuumadevahelisi kaugusi ning aine muutub homogeenseks (kummaline aine).
Kuid on ka submikroskoopiline tase. Tuumad koosnevad prootonitest ja neutronitest, mis liiguvad tuuma sees ringi. Nende vahele jääb ka veidi ruumi. Kui jätkate surumist nii, et tuumad purustatakse, suruvad nukleonid tihedalt üksteise vastu. Seejärel tekib submikroskoopilisel tasemel sümmeetria, mida pole isegi tavaliste tuumade sees.
Öeldu põhjal võib märgata väga kindlat trendi: mida kõrgem on temperatuur ja suurem rõhk, seda sümmeetrilisemaks aine muutub. Nendest kaalutlustest lähtuvalt nimetatakse maksimaalselt kokkusurutud ainet ülisümmeetriliseks.

18. Nõrgalt sümmeetriline aine- olek, mis on oma omadustelt vastupidine tugevalt sümmeetrilisele ainele, mis esineb väga varajases universumis Plancki omale lähedasel temperatuuril, võib-olla 10–12 sekundit pärast Suurt Pauku, kui tugev, nõrk ja elektromagnetiline jõud esindasid ühte ülijõudu. Selles olekus on aine kokku surutud sedavõrd, et selle mass muutub energiaks, mis hakkab paisuma ehk lõpmatuseni paisuma. Maapealsetes tingimustes ei ole veel võimalik saavutada energiaid eksperimentaalseks ülivõimsuse saamiseks ja aine ülekandmiseks sellesse faasi, kuigi varajase universumi uurimiseks tehti selliseid katseid Suure hadronite põrgataja juures. Kuna seda ainet moodustavas ülijõus puudub gravitatsiooniline vastastikmõju, ei ole ülijõud piisavalt sümmeetriline võrreldes supersümmeetrilise jõuga, mis sisaldab kõiki nelja interaktsiooni tüüpi. Seetõttu sai see koondseisund sellise nime.

19. Kiiraine- see pole tegelikult enam mateeria, vaid energia puhtal kujul. Valguse kiiruse saavutanud keha võtab aga just sellise hüpoteetilise agregatsiooniseisundi. Seda võib saada ka keha kuumutamisel Plancki temperatuurini (1032K), st kiirendades aine molekule valguse kiiruseni. Relatiivsusteooriast nähtub, et kui kiirus jõuab üle 0,99 s, hakkab keha mass kasvama palju kiiremini kui "tavalise" kiirenduse korral, lisaks keha pikeneb, kuumeneb, see tähendab, et see hakkab kasvama kiirgavad infrapunaspektris. 0,999 s läve ületamisel muutub keha radikaalselt ja algab kiire faasiüleminek kuni kiiriolekuni. Nagu Einsteini valemist tervikuna nähtub, koosneb lõppaine kasvav mass massidest, mis on kehast eraldatud soojus-, röntgen-, optilise ja muu kiirguse kujul, millest igaühe energiat kirjeldab järgmine termin valemis. Seega hakkab valguse kiirusele lähenev keha kiirgama kõigis spektrites, kasvama pikemaks ja ajas aeglustuma, hõrenedes Plancki pikkuseni, st kiiruse c saavutamisel muutub keha lõpmatult pikaks ja õhuke valguskiir, mis liigub valguse kiirusel ja koosneb footonitest, millel pole pikkust, ning selle lõpmatu mass muundatakse täielikult energiaks. Seetõttu nimetatakse sellist ainet kiireks.