4 حالات مجمعة للمادة في الفيزياء. خواص المواد في حالات التجميع المختلفة. الخصائص المقارنة للمواد غير المتبلورة والبلورية
الدول الإجمالية. السوائل. مراحل في الديناميكا الحرارية. انتقالات المرحلة.
المحاضرة 1.16.2 تحديث
يمكن أن توجد جميع المواد في ثلاث حالات من التجميع - السائل الصلبةو الغازي. الانتقالات بينهما مصحوبة بتغيير مفاجئ في عدد من الخصائص الفيزيائية (الكثافة ، التوصيل الحراري ، إلخ).
تعتمد حالة التجميع على الظروف المادية التي توجد فيها المادة. يرجع وجود العديد من حالات التجميع في مادة ما إلى الاختلافات في الحركة الحرارية لجزيئاتها (الذرات) وفي تفاعلها في ظل ظروف مختلفة.
غاز- حالة تجمع مادة تكون فيها الجسيمات غير مرتبطة أو ضعيفة للغاية بقوى التفاعل ؛ الطاقة الحركية للحركة الحرارية لجزيئاتها (الجزيئات ، الذرات) تتجاوز بشكل كبير الطاقة الكامنة للتفاعلات فيما بينها ، لذلك تتحرك الجسيمات بحرية تقريبًا ، وتملأ بالكامل الوعاء الذي توجد فيه ، وتتخذ شكلها. في الحالة الغازية ، ليس للمادة حجمها ولا شكلها الخاص. يمكن تحويل أي مادة إلى حالة غازية عن طريق تغيير الضغط ودرجة الحرارة.
سائل- حالة تجمع مادة وسيطة بين الصلبة والغازية. يتميز بحركة عالية للجسيمات ومساحة حرة صغيرة بينهما. يؤدي هذا إلى احتفاظ السوائل بحجمها واتخاذ شكل وعاء. في السائل ، تكون الجزيئات قريبة جدًا من بعضها البعض. لذلك ، فإن كثافة السائل أكبر بكثير من كثافة الغازات (عند الضغط العادي). خصائص السائل هي نفسها (الخواص) في جميع الاتجاهات ، باستثناء البلورات السائلة. عند تسخينها أو نقصانها في الكثافة ، تتغير خصائص السائل والتوصيل الحراري واللزوجة ، كقاعدة عامة ، في اتجاه التقارب مع خصائص الغازات.
تتكون الحركة الحرارية للجزيئات السائلة من مجموعة من الحركات التذبذبية الجماعية والقفزات العرضية للجزيئات من موضع توازن إلى آخر.
أجسام صلبة (بلورية)- الحالة الكلية للمادة ، وتتميز باستقرار شكل وطبيعة الحركة الحرارية للذرات. هذه الحركة هي اهتزازات الذرات (أو الأيونات) التي تشكل الجسم الصلب. عادة ما تكون سعة الاهتزاز صغيرة مقارنة بالمسافات بين الذرية.
خواص السوائل.
توجد جزيئات المادة في الحالة السائلة بالقرب من بعضها البعض تقريبًا. على عكس الأجسام البلورية الصلبة ، حيث تشكل الجزيئات هياكل مرتبة في جميع أنحاء حجم البلورة ويمكن أن تؤدي اهتزازات حرارية حول المراكز الثابتة ، تتمتع الجزيئات السائلة بحرية أكبر. كل جزيء من السائل ، وكذلك في الجسم الصلب ، "مثبت" من جميع الجوانب بالجزيئات المجاورة ويؤدي الاهتزازات الحرارية حول موضع توازن معين. ومع ذلك ، من وقت لآخر ، يمكن لأي جزيء أن ينتقل إلى مكان شاغر قريب. تحدث مثل هذه القفزات في السوائل بشكل متكرر ؛ لذلك ، لا ترتبط الجزيئات بمراكز معينة ، كما هو الحال في البلورات ، ويمكن أن تتحرك في جميع أنحاء الحجم الكلي للسائل. هذا ما يفسر سيولة السوائل. نظرًا للتفاعل القوي بين الجزيئات المتقاربة ، يمكن أن تشكل مجموعات محلية (غير مستقرة) مرتبة تحتوي على عدة جزيئات. هذه الظاهرة تسمى ترتيب قصير المدى.
نظرًا للتعبئة الكثيفة للجزيئات ، فإن انضغاط السوائل ، أي التغير في الحجم مع تغيير الضغط ، صغير جدًا ؛ إنه أقل بعشرات ومئات الآلاف من المرات من الغازات. على سبيل المثال ، لتغيير حجم الماء بنسبة 1٪ ، تحتاج إلى زيادة الضغط بحوالي 200 مرة. يتم تحقيق هذه الزيادة في الضغط مقارنة بالضغط الجوي على عمق حوالي 2 كم.
السوائل ، مثل المواد الصلبة ، تغير حجمها مع تغير درجة الحرارة. بالنسبة لنطاقات درجة الحرارة غير الكبيرة جدًا ، يتغير الحجم النسبي Δ الخامس / الخامس 0 يتناسب مع تغير درجة الحرارة Δ تي:
| |
المعامل β يسمى معامل تمدد درجة الحرارة. هذا المعامل للسوائل أكبر بعشر مرات من المعامل للمواد الصلبة. بالنسبة للماء ، على سبيل المثال ، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية في ≈ 2 10 -4 كلفن -1 ، للصلب - ست 3.6 10-5 كلفن -1 ، لزجاج الكوارتز - β كيلو فولت ≈ 9 10-6 كلفن -1.
التمدد الحراري للماء له شذوذ مثير للاهتمام ومهم للحياة على الأرض. عند درجات حرارة أقل من 4 درجات مئوية ، يتمدد الماء مع انخفاض درجة الحرارة (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
عندما يتجمد الماء ، يتمدد ، لذلك يبقى الجليد عائمًا على سطح الماء المتجمد. درجة حرارة الماء المتجمد تحت الجليد 0 درجة مئوية. في طبقات الماء الأكثر كثافة بالقرب من قاع الخزان ، تكون درجة الحرارة حوالي 4 درجات مئوية. بفضل هذا ، يمكن أن توجد الحياة في مياه الخزانات المتجمدة.
الميزة الأكثر إثارة للاهتمام للسوائل هو وجودها سطح الحرة. السائل ، على عكس الغازات ، لا يملأ الحجم الكامل للوعاء الذي يصب فيه. تتشكل واجهة بين السائل والغاز (أو البخار) ، والتي تكون في ظروف خاصة مقارنة ببقية كتلة السائل. الجزيئات الموجودة في الطبقة الحدودية للسائل ، على عكس الجزيئات الموجودة في عمقها ، ليست محاطة بجزيئات أخرى من نفس السائل من جميع الجوانب. يتم تعويض قوى التفاعل بين الجزيئات التي تعمل على أحد الجزيئات الموجودة داخل السائل من الجزيئات المجاورة ، في المتوسط ، بشكل متبادل. ينجذب أي جزيء في الطبقة الحدودية بواسطة جزيئات داخل السائل (يمكن إهمال القوى المؤثرة على جزيء معين من السائل من جزيئات الغاز (أو البخار)). نتيجة لذلك ، تظهر بعض القوة المحصلة موجهة في عمق السائل. يتم سحب جزيئات السطح إلى السائل بواسطة قوى الجذب بين الجزيئات. لكن يجب أن تكون جميع الجزيئات ، بما في ذلك تلك الموجودة في الطبقة الحدودية ، في حالة توازن. يتحقق هذا التوازن بسبب بعض الانخفاض في المسافة بين جزيئات الطبقة السطحية وأقرب جيرانها داخل السائل. عندما تقل المسافة بين الجزيئات ، تنشأ قوى التنافر. إذا كان متوسط المسافة بين الجزيئات داخل السائل هو ص 0 ، فإن جزيئات الطبقة السطحية تكون أكثر كثافة إلى حد ما ، وبالتالي يكون لديهم احتياطي إضافي من الطاقة الكامنة مقارنة بالجزيئات الداخلية. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه ، بسبب الانضغاط المنخفض للغاية ، فإن وجود طبقة سطحية معبأة بشكل أكثر كثافة لا يؤدي إلى أي تغيير ملحوظ في حجم السائل. إذا تحرك الجزيء من السطح إلى السائل ، فإن قوى التفاعل بين الجزيئات ستقوم بعمل إيجابي. على العكس من ذلك ، لسحب بعض الجزيئات من عمق السائل إلى السطح (أي زيادة مساحة سطح السائل) ، قوى خارجيةيجب أن تقوم بعمل جيد أخارجي يتناسب مع التغيير Δ سمساحة السطح:
| أتحويلة = σΔ س. |
يُطلق على المعامل σ معامل التوتر السطحي (σ> 0). وبالتالي ، فإن معامل التوتر السطحي يساوي الشغل المطلوب لزيادة مساحة سطح سائل عند درجة حرارة ثابتة بمقدار وحدة واحدة.
في النظام الدولي للوحدات ، يقاس معامل التوتر السطحي بالجول لكل مترمربع (J / م 2) أو نيوتن لكل متر (1 N / m \ u003d 1 J / m 2).
وبالتالي ، فإن جزيئات الطبقة السطحية للسائل لها فائض مقارنة بالجزيئات الموجودة داخل السائل الطاقة الكامنة. الطاقة الكامنة هيتناسب p من سطح السائل مع مساحته: 
(1.16.1)
من المعروف من الميكانيكا أن حالات التوازن لنظام ما تتوافق مع الحد الأدنى لقيمة طاقته الكامنة. ويترتب على ذلك أن السطح الحر للسائل يميل إلى تقليل مساحته. لهذا السبب ، تأخذ القطرة الحرة من السائل شكلاً كرويًا. يتصرف المائع كما لو أن القوى تعمل بشكل عرضي على سطحه ، مما يقلل (ينقبض) هذا السطح. هذه القوى تسمى قوى التوتر السطحي.
إن وجود قوى التوتر السطحي يجعل سطح السائل يبدو وكأنه غشاء مرن ممتد ، مع الاختلاف الوحيد أن القوى المرنة في الفيلم تعتمد على مساحة سطحه (أي على كيفية تشوه الفيلم) ، وقوى التوتر السطحي تعمل لا تعتمد على سوائل مساحة السطح.
تميل قوى التوتر السطحي إلى تقصير سطح الفيلم. لذلك يمكننا كتابة: (1.16.2)
وبالتالي ، يمكن تعريف معامل التوتر السطحي σ على أنه معامل قوة التوتر السطحي التي تعمل لكل وحدة طول من الخط الذي يحد السطح ( لهو طول هذا الخط).
نتيجة لتأثير قوى التوتر السطحي في القطرات السائلة وداخل فقاعات الصابون ، ضغط زائد Δ ص. إذا قطعنا عقليًا قطرة كروية نصف قطرها صإلى نصفين ، يجب أن يكون كل منهما في حالة توازن تحت تأثير قوى التوتر السطحي المطبقة على حدود القطع بطول 2π صوقوى الضغط الزائد المؤثرة على المنطقة π صقسمان (الشكل 1.16.1). تتم كتابة حالة التوازن كـ
بالقرب من الحد الفاصل بين السائل والصلب والغاز ، يعتمد شكل السطح الحر للسائل على قوى التفاعل بين الجزيئات السائلة والجزيئات الصلبة (يمكن إهمال التفاعل مع جزيئات الغاز (أو البخار)). إذا كانت هذه القوى أكبر من قوى التفاعل بين جزيئات السائل نفسه ، فعندئذ السائل يبللسطح جسم صلب. في هذه الحالة ، يقترب السائل من سطح الجسم الصلب بزاوية حادة θ ، وهي خاصية مميزة للزوج السائل والصلب المحدد. الزاوية θ تسمى زاوية الأتصال. إذا تجاوزت قوى التفاعل بين الجزيئات السائلة قوى تفاعلها مع الجزيئات الصلبة ، فإن زاوية التلامس θ يتبين أنها منفرجة (الشكل 1.16.2 (2)). في هذه الحالة ، يُقال السائل لا تبللسطح جسم صلب. خلاف ذلك (الزاوية - الحادة) السائل يبللالسطح (الشكل 1.16.2 (1)). في ترطيب كاملθ = 0 ، في عدم التبليل الكاملθ = 180 درجة.
الظواهر الشعريةيسمى ارتفاع أو هبوط السوائل في الأنابيب ذات القطر الصغير - الشعيرات الدموية. ترتفع السوائل المبللة عبر الشعيرات الدموية ، وتنزل السوائل غير المبللة.
يوضح الشكل 1.16.3 أنبوب شعري بنصف قطر معين صخفضت بالطرف السفلي إلى سائل ترطيب كثافته ρ. الطرف العلوي للشعيرات الدموية مفتوح. يستمر ارتفاع السائل في الشعيرات الدموية حتى تصبح قوة الجاذبية المؤثرة على عمود السائل في الشعيرات الدموية متساوية في القيمة المطلقة مع الناتج Fن قوى التوتر السطحي التي تعمل على طول حدود التلامس بين السائل وسطح الشعيرات الدموية: Fر = Fن ، أين Fر = ملغ = ρ حπ ص 2 ز, Fن = σ2π صكوس θ.
هذا يعني: 
مع الترطيب الكامل θ = 0 ، cos θ = 1. في هذه الحالة
مع عدم ترطيب كامل ، θ = 180 درجة ، cos θ = –1 ، وبالتالي ، ح < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
يبلل الماء سطح الزجاج النظيف تقريبًا. وعلى العكس من ذلك ، لا يبلل الزئبق سطح الزجاج تمامًا. لذلك ، ينخفض مستوى الزئبق في الأنبوب الشعري الزجاجي إلى ما دون المستوى الموجود في الوعاء.
المعرفة الأكثر انتشارًا تدور حول ثلاث حالات للتجمع: سائل ، صلب ، غازي ، أحيانًا يفكرون بالبلازما ، وأحيانًا بلورات سائلة. في الآونة الأخيرة ، انتشرت على الإنترنت قائمة من 17 مرحلة من المادة ، مأخوذة من () الشهير ستيفن فراي. لذلك سنتحدث عنها بمزيد من التفصيل لأن. يجب على المرء أن يعرف المزيد عن المادة ، حتى لو كان ذلك فقط من أجل فهم العمليات التي تحدث في الكون بشكل أفضل.
تزداد قائمة الحالات الإجمالية للمادة الموضحة أدناه من أبرد الحالات إلى أحرها ، وهكذا. قد يستمر. في الوقت نفسه ، يجب أن يكون مفهوما أنه من الحالة الغازية (رقم 11) ، الأكثر "توسعا" ، على جانبي القائمة ، درجة ضغط المادة وضغطها (مع بعض التحفظات لمثل هذه الحالة غير المكتشفة) الحالات الافتراضية مثل الكم أو الشعاع أو التماثل الضعيف) تزداد بعد النص رسم بياني مرئي لتحولات طور المادة.
1. الكم- حالة تجمع مادة ما ، تتحقق بخفض درجة الحرارة إلى الصفر المطلق، ونتيجة لذلك تختفي الروابط الداخلية وتتفتت المادة إلى كواركات حرة.
2. مكثفات بوز-آينشتاين- الحالة الكلية للمادة ، والتي تعتمد على البوزونات المبردة إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (أقل من جزء من المليون من الدرجة فوق الصفر المطلق). في مثل هذه الحالة شديدة البرودة ، يجد عدد كبير بما فيه الكفاية من الذرات نفسها في أدنى حالاتها الكمومية الممكنة ، وتبدأ التأثيرات الكمومية في الظهور على المستوى العياني. يحدث مكثف بوز-آينشتاين (غالبًا ما يشار إليه باسم "مكثف بوز" ، أو ببساطة "رجوع") عندما تبرد عنصرًا كيميائيًا إلى درجات حرارة منخفضة للغاية (عادةً ما تكون أعلى بقليل من الصفر المطلق ، ناقص 273 درجة مئوية). ، هي درجة الحرارة النظرية عند الذي يتوقف كل شيء عن الحركة).
هذا هو المكان الذي تبدأ فيه الأشياء الغريبة. العمليات التي يمكن ملاحظتها عادة فقط على المستوى الذري تحدث الآن على نطاقات كبيرة بما يكفي ليتم ملاحظتها بالعين المجردة. على سبيل المثال ، إذا وضعت "ظهرًا" في دورق وقمت بتوفير درجة الحرارة المطلوبة ، فستبدأ المادة في الزحف إلى الحائط وفي النهاية تخرج من تلقاء نفسها.
على ما يبدو ، نحن هنا نتعامل مع محاولة فاشلة للمادة لخفض طاقتها (والتي هي بالفعل في أدنى المستويات الممكنة).
يؤدي إبطاء الذرات باستخدام معدات التبريد إلى إنتاج حالة كمية مفردة تُعرف باسم Bose condensate أو Bose-Einstein. تم التنبؤ بهذه الظاهرة في عام 1925 من قبل أ. أينشتاين ، كنتيجة لتعميم عمل S.Bose ، حيث تم بناء ميكانيكا إحصائية للجسيمات ، بدءًا من الفوتونات عديمة الكتلة إلى الذرات ذات الكتلة (مخطوطة أينشتاين ، والتي اعتبرت مفقودة ، تم العثور عليها في مكتبة جامعة ليدن في 2005). كانت نتيجة جهود Bose و Einstein هي مفهوم Bose للغاز الذي يخضع لإحصاءات Bose-Einstein ، والذي يصف التوزيع الإحصائي للجسيمات المتطابقة ذات الدوران الصحيح ، المسمى البوزونات. يمكن أن تكون البوزونات ، على سبيل المثال ، كل من الجسيمات الأولية الفردية - الفوتونات والذرات الكاملة ، مع بعضها البعض في نفس الحالات الكمومية. اقترح أينشتاين أن تبريد الذرات - البوزونات إلى درجات حرارة منخفضة جدًا ، من شأنه أن يجعلها تذهب (أو ، بعبارة أخرى ، تتكثف) إلى أدنى حالة كمية ممكنة. ستكون نتيجة هذا التكثيف ظهور شكل جديد من المادة.
يحدث هذا الانتقال تحت درجة الحرارة الحرجة ، وهو غاز ثلاثي الأبعاد متجانس يتكون من جسيمات غير متفاعلة بدون أي درجات داخلية من الحرية.
3. مكثفات الفرميونية- حالة تجمع المادة ، على غرار السند ، لكن تختلف في التركيب. عند الاقتراب من الصفر المطلق ، تتصرف الذرات بشكل مختلف اعتمادًا على حجم الزخم الزاوي الخاص بها (الدوران). البوزونات لها عدد صحيح يدور ، بينما الفرميونات تدور بمضاعفات 1/2 (1/2 ، 3/2 ، 5/2). تتبع الفرميونات مبدأ استبعاد باولي ، الذي ينص على أن فرميونين لا يمكن أن يكون لهما نفس الحالة الكمومية. بالنسبة للبوزونات ، لا يوجد مثل هذا الحظر ، وبالتالي لديهم فرصة للوجود في حالة كمومية واحدة وبالتالي تكوين ما يسمى بتكثيف بوز-آينشتاين. تكون عملية تكوين هذا المكثف مسؤولة عن الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق.
الإلكترونات لها دوران 1/2 وبالتالي فهي فرميونات. تتحد في أزواج (تسمى أزواج كوبر) ، والتي تشكل بعد ذلك مكثف بوز.
حاول العلماء الأمريكيون الحصول على نوع من الجزيء من ذرات الفرميون عن طريق التبريد العميق. كان الاختلاف عن الجزيئات الحقيقية هو عدم وجودها رابطة كيميائية- لقد تحركوا معًا بطريقة مترابطة. تبين أن الرابطة بين الذرات أقوى من الرابطة بين الإلكترونات في أزواج كوبر. بالنسبة لأزواج الفرميونات المتكونة ، لم يعد الدوران الكلي مضاعفًا لـ 1/2 ، لذلك ، يتصرفون بالفعل مثل البوزونات ويمكن أن يشكلوا مكثف بوز بحالة كمومية واحدة. أثناء التجربة ، تم تبريد غاز من ذرة البوتاسيوم 40 إلى 300 نانوكلفن ، بينما كان الغاز محاطًا بما يسمى بالمصيدة الضوئية. ثم تم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي ، والذي كان من الممكن تغيير طبيعة التفاعلات بين الذرات - بدلاً من التنافر القوي ، بدأت ملاحظة الجذب القوي. عند تحليل تأثير المجال المغناطيسي ، كان من الممكن إيجاد مثل هذه القيمة التي تبدأ عندها الذرات في التصرف مثل أزواج كوبر من الإلكترونات. في المرحلة التالية من التجربة ، يقترح العلماء الحصول على تأثيرات الموصلية الفائقة لمكثفات الفرميونات.
4. مادة السوائل الفائقة- حالة لا تحتوي فيها المادة فعليًا على لزوجة ، وعندما تتدفق ، لا تتعرض للاحتكاك مع سطح صلب. ونتيجة لذلك ، على سبيل المثال ، تأثير مثير للاهتمام مثل "الزحف" التلقائي الكامل للهيليوم السائل من الوعاء على طول جدرانه ضد الجاذبية. بالطبع ، لا يوجد انتهاك لقانون الحفاظ على الطاقة هنا. في حالة عدم وجود قوى الاحتكاك ، تعمل قوى الجاذبية فقط على الهيليوم ، وقوى التفاعل بين الذرات بين الهيليوم وجدران الوعاء وبين ذرات الهيليوم. لذا ، فإن قوى التفاعل بين الذرات تتجاوز جميع القوى الأخرى مجتمعة. نتيجة لذلك ، يميل الهيليوم إلى الانتشار قدر الإمكان على جميع الأسطح الممكنة ، وبالتالي "يسافر" على طول جدران الوعاء. في عام 1938 ، أثبت العالم السوفيتي بيوتر كابيتسا أن الهليوم يمكن أن يوجد في حالة السوائل الفائقة.
تجدر الإشارة إلى أن العديد من الخصائص غير العادية للهيليوم معروفة منذ بعض الوقت. ومع ذلك ، في السنوات الأخيرة ، كان هذا العنصر الكيميائي "يفسدنا" بآثار مثيرة للاهتمام وغير متوقعة. لذلك ، في عام 2004 ، أثار كل من Moses Chan و Eun-Syong Kim من جامعة بنسلفانيا اهتمام العالم العلمي بزعم أنهما نجحا في الحصول على حالة جديدة تمامًا من الهيليوم - مادة صلبة فائقة السيولة. في هذه الحالة ، يمكن أن تتدفق بعض ذرات الهليوم في الشبكة البلورية حول الآخرين ، وبالتالي يمكن أن يتدفق الهيليوم من خلال نفسه. تم التنبؤ نظريًا بتأثير "الصلابة الفائقة" في عام 1969. وفي عام 2004 - كما لو كان تأكيدًا تجريبيًا. ومع ذلك ، أظهرت التجارب اللاحقة والغريبة جدًا أن كل شيء ليس بهذه البساطة ، وربما هذا التفسير للظاهرة ، الذي تم أخذه سابقًا بسبب السيولة الفائضة للهيليوم الصلب ، غير صحيح.
كانت تجربة العلماء بقيادة همفري ماريس من جامعة براون بالولايات المتحدة الأمريكية بسيطة وأنيقة. وضع العلماء أنبوب اختبار مقلوبًا في خزان مغلق بهليوم سائل. تم تجميد جزء من الهيليوم في أنبوب الاختبار وفي الخزان بطريقة تجعل الحد الفاصل بين السائل والصلب داخل أنبوب الاختبار أعلى منه في الخزان. بمعنى آخر ، كان هناك الهيليوم السائل في الجزء العلوي من الأنبوب ، والهيليوم الصلب في الجزء السفلي ، ومر بسلاسة إلى المرحلة الصلبة من الخزان ، حيث تم سكب القليل من الهيليوم السائل - أقل من مستوى السائل في أنبوب اختبار. إذا بدأ الهيليوم السائل بالتسرب عبر المادة الصلبة ، فإن فرق المستوى سينخفض ، وبعد ذلك يمكننا التحدث عن الهيليوم السائل الفائق. ومن حيث المبدأ ، في ثلاث تجارب من أصل 13 تجربة ، انخفض فرق المستوى بالفعل.
5. سوبرهارد المادة- حالة تجمع تكون فيها المادة شفافة ويمكن أن "تتدفق" مثل السائل ، ولكنها في الحقيقة خالية من اللزوجة. هذه السوائل معروفة منذ سنوات عديدة وتسمى السوائل الفائقة. الحقيقة هي أنه إذا تم تقليب السائل الفائق ، فسوف يدور إلى الأبد تقريبًا ، بينما يهدأ السائل الطبيعي في النهاية. تم إنشاء أول سائلين فائقين بواسطة باحثين باستخدام الهيليوم 4 والهيليوم 3. تم تبريدها تقريبًا إلى الصفر المطلق - إلى سالب 273 درجة مئوية. ومن الهليوم 4 ، تمكن العلماء الأمريكيون من الحصول على جسم فائق الصلابة. قاموا بضغط الهيليوم المجمد بالضغط أكثر من 60 مرة ، ثم تم تركيب الزجاج المملوء بالمادة على قرص دوار. عند درجة حرارة 0.175 درجة مئوية ، بدأ القرص فجأة في الدوران بحرية أكبر ، مما يشير ، وفقًا للعلماء ، إلى أن الهيليوم أصبح جسمًا خارقًا.
6. صلب- حالة تجمع المادة ، وتتميز باستقرار شكل وطبيعة الحركة الحرارية للذرات ، والتي تحدث اهتزازات صغيرة حول مواضع التوازن. الحالة المستقرة للمواد الصلبة بلورية. تمييز المواد الصلبة ذات الروابط الأيونية والتساهمية والمعدنية وأنواع أخرى من الروابط بين الذرات ، والتي تحدد تنوع خواصها الفيزيائية. يتم تحديد الخصائص الكهربائية وبعض الخصائص الأخرى للمواد الصلبة بشكل أساسي من خلال طبيعة حركة الإلكترونات الخارجية لذراتها. وفقًا لخصائصها الكهربائية ، يتم تقسيم المواد الصلبة إلى عوازل كهربائية وأشباه موصلات ومعادن ؛ وفقًا لخصائصها المغناطيسية ، يتم تقسيمها إلى مغناطيسات مغناطيسية ومغناطيسات وأجسام ذات بنية مغناطيسية مرتبة. لقد اتحدت التحقيقات الخاصة بخصائص المواد الصلبة في مجال كبير - فيزياء الجوامد ، والتي يتم تحفيز تطويرها من خلال احتياجات التكنولوجيا.
7. صلبة غير متبلورة- حالة تراكمية مكثفة لمادة ، تتميز بتناحي الخواص الفيزيائية بسبب الترتيب المضطرب للذرات والجزيئات. في المواد الصلبة غير المتبلورة ، تهتز الذرات حول نقاط عشوائية. على عكس الحالة البلورية ، فإن الانتقال من الحالة الصلبة غير المتبلورة إلى الحالة السائلة يحدث تدريجيًا. توجد مواد مختلفة في حالة غير متبلورة: زجاج ، راتنجات ، بلاستيك ، إلخ.
8. الكريستال السائل- هذه حالة محددة لتجميع مادة ما حيث تُظهر في نفس الوقت خصائص البلورة والسائل. يجب أن نحجز على الفور أنه لا يمكن أن تكون جميع المواد في حالة الكريستال السائل. ومع ذلك ، فإن بعض المواد العضوية، التي تحتوي على جزيئات معقدة ، يمكن أن تشكل حالة معينة من التجميع - البلور السائل. تحدث هذه الحالة أثناء ذوبان بلورات بعض المواد. عندما تذوب ، تتشكل مرحلة بلورية سائلة تختلف عن السوائل العادية. توجد هذه المرحلة في النطاق من درجة حرارة انصهار البلورة إلى درجة حرارة أعلى ، عند تسخينها تتحول البلورة السائلة إلى سائل عادي.
كيف تختلف البلورة السائلة عن البلورة السائلة والبلورة العادية وكيف تشبهها؟ مثل السائل العادي ، تتمتع البلورة السائلة بالسيولة وتتخذ شكل وعاء توضع فيه. وهو في هذا يختلف عن البلورات المعروفة للجميع. ومع ذلك ، على الرغم من هذه الخاصية ، التي توحدها مع السائل ، إلا أنها تتميز بخاصية البلورات. هذا هو الترتيب في الفضاء للجزيئات التي تشكل البلورة. صحيح أن هذا الترتيب ليس كاملاً كما هو الحال في البلورات العادية ، ولكنه مع ذلك يؤثر بشكل كبير على خصائص البلورات السائلة ، مما يميزها عن السوائل العادية. يتجلى الترتيب المكاني غير المكتمل للجزيئات التي تشكل بلورات سائلة في حقيقة أنه في البلورات السائلة لا يوجد ترتيب كامل في الترتيب المكاني لمراكز جاذبية الجزيئات ، على الرغم من أنه قد يكون هناك ترتيب جزئي. هذا يعني أنه ليس لديهم شبكة بلورية صلبة. لذلك ، فإن البلورات السائلة ، مثل السوائل العادية ، لها خاصية السيولة.
الخاصية المطلوبةالبلورات السائلة ، التي تجعلها أقرب إلى البلورات العادية ، هو وجود ترتيب في الاتجاه المكاني للجزيئات. يمكن أن يتجلى مثل هذا الترتيب في الاتجاه ، على سبيل المثال ، في حقيقة أن جميع محاور الجزيئات الطويلة في عينة بلورية سائلة يتم توجيهها بنفس الطريقة. يجب أن تحتوي هذه الجزيئات شكل ممدود. بالإضافة إلى أبسط ترتيب محدد لمحاور الجزيئات ، يمكن تحقيق ترتيب توجيهي أكثر تعقيدًا للجزيئات في البلورة السائلة.
اعتمادًا على نوع ترتيب المحاور الجزيئية ، تنقسم البلورات السائلة إلى ثلاثة أنواع: nematic و smectic و Colesteric.
تجري حاليًا الأبحاث حول فيزياء البلورات السائلة وتطبيقاتها على نطاق واسع في جميع البلدان الأكثر تقدمًا في العالم. يتركز البحث المحلي في كل من مؤسسات البحث الأكاديمية والصناعية وله تقاليد عريقة. تعمل أعمال ف.ك. فريدريكس إلى V.N. تسفيتكوفا. في السنوات الأخيرة ، الدراسة السريعة للبلورات السائلة ، قدم الباحثون الروس أيضًا مساهمة كبيرة في تطوير نظرية البلورات السائلة بشكل عام ، وبصريات البلورات السائلة على وجه الخصوص. لذا ، فإن أعمال I.G. تشيستياكوفا ، أ. كابوستينا ، S.A. برازوفسكي ، إس. بيكينا ، إل. Blinov والعديد من الباحثين السوفييت الآخرين معروفون على نطاق واسع في المجتمع العلمي ويعملون كأساس لعدد من التطبيقات التقنية الفعالة للبلورات السائلة.
نشأ وجود البلورات السائلة منذ وقت طويل جدًا ، أي في عام 1888 ، أي قبل قرن تقريبًا. على الرغم من أن العلماء قد واجهوا هذه الحالة قبل عام 1888 ، فقد تم اكتشافها رسميًا في وقت لاحق.
أول من اكتشف البلورات السائلة كان عالم النبات النمساوي راينتسر. عند التحقيق في مادة الكوليستريل بنزوات الجديدة التي صنعها ، وجد أنه عند درجة حرارة 145 درجة مئوية ، تذوب بلورات هذه المادة ، وتشكل سائلًا غائمًا ينثر الضوء بشدة. مع استمرار التسخين ، عند الوصول إلى درجة حرارة 179 درجة مئوية ، يصبح السائل واضحًا ، أي أنه يبدأ في التصرف بصريًا مثل سائل عادي ، مثل الماء. أظهر بنزوات الكوليستريل خصائص غير متوقعة في المرحلة العكرة. عند فحص هذه المرحلة تحت مجهر مستقطب ، وجد راينيتسر أن لديها الانكسار. هذا يعني أن معامل انكسار الضوء ، أي سرعة الضوء في هذه المرحلة ، يعتمد على الاستقطاب.
9. سائل- حالة تجمع المادة ، التي تجمع بين سمات الحالة الصلبة (الحفاظ على الحجم ، وقوة شد معينة) والحالة الغازية (تغير الشكل). يتميز السائل بترتيب قصير المدى في ترتيب الجسيمات (جزيئات ، ذرات) وفرق بسيط في الطاقة الحركية للحركة الحرارية للجزيئات وطاقتها الكامنة للتفاعل. تتكون الحركة الحرارية للجزيئات السائلة من التذبذبات حول مواضع التوازن والقفزات النادرة نسبيًا من موضع توازن إلى آخر ، والتي ترتبط بسيولة السائل.
10. السائل فوق الحرج(GFR) هي حالة تجميع مادة ما ، حيث يختفي الفرق بين مرحلتي السائل والغاز. أي مادة عند درجة حرارة وضغط أعلى من النقطة الحرجة هي سائل فوق حرج. خصائص المادة في الحالة فوق الحرجة هي وسيطة بين خصائصها في مراحل الغاز والسائل. وبالتالي ، فإن SCF لديها كثافة عالية ، قريبة من السائل ، ولزوجة منخفضة ، مثل الغازات. معامل الانتشار في هذه الحالة له قيمة وسيطة بين السائل والغاز. يمكن استخدام المواد في الحالة فوق الحرجة كبدائل للمذيبات العضوية في العمليات المختبرية والصناعية. حظي الماء فوق الحرج وثاني أكسيد الكربون فوق الحرج بأكبر قدر من الاهتمام والتوزيع فيما يتعلق بخصائص معينة.
من أهم خصائص الحالة فوق الحرجة القدرة على إذابة المواد. عن طريق تغيير درجة حرارة أو ضغط السائل ، يمكن للمرء أن يغير خصائصه في نطاق واسع. وبالتالي ، من الممكن الحصول على مائع تكون خصائصه قريبة من سائل أو غاز. وهكذا ، تزداد قوة إذابة المائع مع زيادة الكثافة (عند درجة حرارة ثابتة). نظرًا لأن الكثافة تزداد مع زيادة الضغط ، فإن تغيير الضغط يمكن أن يؤثر على قدرة تذويب السائل (عند درجة حرارة ثابتة). في حالة درجة الحرارة ، يكون اعتماد خصائص السوائل أكثر تعقيدًا إلى حد ما - عند كثافة ثابتة ، تزداد أيضًا قوة إذابة المائع ، ولكن بالقرب من النقطة الحرجة ، يمكن أن تؤدي الزيادة الطفيفة في درجة الحرارة إلى انخفاض حاد في الكثافة ، وبالتالي ، حل السلطة. تختلط السوائل فوق الحرجة مع بعضها البعض إلى أجل غير مسمى ، لذلك عند الوصول إلى النقطة الحرجة للخليط ، سيكون النظام دائمًا أحادي الطور. يمكن حساب درجة الحرارة الحرجة التقريبية لخليط ثنائي كمتوسط حسابي للمعلمات الحرجة للمواد Tc (mix) = (جزء جزيئي من A) x TcA + (جزء جزيئي من B) x TcB.
11. غازي- (الغاز الفرنسي ، من الفوضى اليونانية) ، الحالة الكلية للمادة التي تتجاوز فيها الطاقة الحركية للحركة الحرارية لجزيئاتها (الجزيئات ، الذرات ، الأيونات) بشكل كبير الطاقة الكامنة للتفاعلات بينها ، وبالتالي الجسيمات التحرك بحرية ، وملء بشكل موحد في حالة عدم وجود الحقول الخارجية ، والحجم الكامل المقدم لهم.
12. البلازما- (من البلازما اليونانية - مصبوب ، على شكل) ، حالة المادة ، وهي غاز مؤين ، تكون فيها تركيزات الشحنات الموجبة والسالبة متساوية (شبه حيادية). الغالبية العظمى من المادة في الكون في حالة البلازما: النجوم والسدم المجرية والوسط النجمي. بالقرب من الأرض ، توجد البلازما على شكل الرياح الشمسية والغلاف المغناطيسي والأيونوسفير. يجري فحص البلازما عالية الحرارة (T ~ 106-108 K) من خليط من الديوتيريوم والتريتيوم بهدف تنفيذ اندماج نووي حراري محكوم. تُستخدم البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة (T Ј 105K) في العديد من أجهزة تفريغ الغاز (ليزر الغاز ، وأجهزة الأيونات ، ومولدات MHD ، ومشاعل البلازما ، ومحركات البلازما ، وما إلى ذلك) ، وكذلك في التكنولوجيا (انظر تعدين البلازما ، وحفر البلازما ، تقنية البلازما).
13. المادة المنحلة- هي مرحلة وسيطة بين البلازما والنيوترونيوم. لوحظ في الأقزام البيضاء ويلعب دورًا مهمًا في تطور النجوم. عندما تكون الذرات تحت ظروف درجات حرارة وضغوط شديدة الارتفاع ، فإنها تفقد إلكتروناتها (تدخل في غاز الإلكترون). بمعنى آخر ، هم مؤينون تمامًا (بلازما). يتم تحديد ضغط هذا الغاز (البلازما) بواسطة ضغط الإلكترون. إذا كانت الكثافة عالية جدًا ، فستضطر جميع الجسيمات إلى الاقتراب من بعضها البعض. يمكن أن تكون الإلكترونات في حالات ذات طاقات معينة ، ولا يمكن لإلكترونين أن يكون لهما نفس الطاقة (إلا إذا كانت تدورهما في الاتجاه المعاكس). وهكذا ، في غاز كثيف ، تتحول جميع مستويات الطاقة المنخفضة إلى أن تمتلئ بالإلكترونات. يسمى هذا الغاز المتدهور. في هذه الحالة ، تُظهر الإلكترونات ضغط إلكترون متدهور يقاوم قوى الجاذبية.
14. النيوترونيوم- حالة التجمع الذي تمر فيه المادة تحت ضغط عالٍ للغاية ، وهو أمر لا يمكن الوصول إليه في المختبر حتى الآن ، ولكنه موجود داخل النجوم النيوترونية. أثناء الانتقال إلى حالة النيوترونات ، تتفاعل إلكترونات المادة مع البروتونات وتتحول إلى نيوترونات. نتيجة لذلك ، تتكون المادة في الحالة النيوترونية بالكامل من نيوترونات ولها كثافة من رتبة النووية. يجب ألا تكون درجة حرارة المادة في هذه الحالة عالية جدًا (في معادلة الطاقة ، لا تزيد عن مائة ميغا إلكترون فولت).
مع زيادة قوية في درجة الحرارة (مئات من MeV وما فوق) ، في حالة النيوترون ، تبدأ العديد من الميزونات في الولادة والقضاء. مع زيادة أخرى في درجة الحرارة ، يحدث التفكك ، وتنتقل المادة إلى حالة بلازما كوارك-غلوون. لم يعد يتألف من الهادرونات ، بل من كواركات وغلوونات ولدت واختفت باستمرار.
15. بلازما كوارك-غلوون(الكروموبلازم) هي حالة كلية للمادة في فيزياء الطاقة العالية وفيزياء الجسيمات الأولية ، حيث تنتقل المادة الهادرونيك إلى حالة مشابهة للحالة التي تكون فيها الإلكترونات والأيونات في البلازما العادية.
عادة ما تكون المادة في الهادرونات في حالة تسمى الحالة عديمة اللون ("الأبيض"). أي أن الكواركات ذات الألوان المختلفة تعوض بعضها البعض. توجد حالة مماثلة في المادة العادية - عندما تكون جميع الذرات متعادلة كهربائيًا ، أي ،
يتم تعويض الشحنات الموجبة فيها بأخرى سلبية. في درجات الحرارة المرتفعة ، يمكن أن يحدث تأين الذرات ، بينما يتم فصل الشحنات ، وتصبح المادة ، كما يقولون ، "شبه محايدة". أي أن سحابة المادة بأكملها تظل محايدة ، ولا تتوقف جسيماتها الفردية عن أن تكون محايدة. من المفترض أن نفس الشيء يمكن أن يحدث مع مادة الهادرونيك - عند استخدام طاقات عالية جدًا ، يتم تحرير اللون وجعل المادة "شبه عديمة اللون".
من المفترض أن موضوع الكون كان في حالة بلازما الكوارك-غلوون في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم. يمكن الآن تكوين بلازما كوارك-غلوون لفترة قصيرة في تصادم جسيمات ذات طاقات عالية جدًا.
تم الحصول على بلازما Quark-gluon بشكل تجريبي في معجل RHIC في مختبر Brookhaven الوطني في 2005. تم الحصول على درجة حرارة البلازما القصوى البالغة 4 تريليون درجة مئوية هناك في فبراير 2010.
16. مادة غريبة- حالة التجميع ، حيث يتم ضغط المادة إلى القيم الحدية للكثافة ، يمكن أن توجد في شكل "حساء الكوارك". يمكن أن يزن سنتيمتر مكعب من المادة في هذه الحالة بلايين الأطنان ؛ إلى جانب ذلك ، فإنه يحول أي مادة طبيعية تتلامس معها إلى نفس الشكل "الغريب" مع إطلاق كمية كبيرة من الطاقة.
الطاقة التي يمكن إطلاقها أثناء تحول جوهر النجم إلى "مادة غريبة" ستؤدي إلى انفجار فائق القوة لـ "كوارك نوفا" - ووفقًا لـ ليهي و وايد ، فقد كانت بالضبط هذا الانفجار الذي لاحظه علماء الفلك في سبتمبر 2006.
بدأت عملية تكوين هذه المادة مع مستعر أعظم عادي ، تحول إليه نجم ضخم. نتيجة للانفجار الأول تشكل نجم نيوتروني. ولكن ، وفقًا لـ ليهي ووييد ، لم يدم طويلًا - حيث بدا أن دورانه قد تباطأ بسبب مجاله المغناطيسي ، فقد بدأ في الانكماش أكثر ، مع تكوين جلطة من "الأشياء الغريبة" ، مما أدى إلى أقوى حتى من انفجار مستعر أعظم عادي ، إطلاق الطاقة - والطبقات الخارجية لمادة النجم النيوتروني السابق ، تطير في الفضاء المحيط بسرعة تقترب من سرعة الضوء.
17. مسألة متناظرة بقوة- هذه مادة مضغوطة لدرجة أن الجزيئات الدقيقة الموجودة بداخلها توضع فوق بعضها البعض ، وينهار الجسم نفسه في ثقب أسود. يتم شرح مصطلح "التناظر" على النحو التالي: لنأخذ الحالات الإجمالية للمادة المعروفة للجميع من مقاعد المدرسة - صلبة ، سائلة ، غازية. من أجل التحديد ، ضع في اعتبارك أن البلورة اللانهائية المثالية هي مادة صلبة. لها تناسق معين يسمى التناظر المنفصل فيما يتعلق بالترجمة. هذا يعني أنه إذا تم إزاحة الشبكة البلورية بمسافة تساوي الفترة الفاصلة بين ذرتين ، فلن يتغير شيء فيها - ستتوافق البلورة مع نفسها. إذا ذابت البلورة ، فسيكون تناسق السائل الناتج مختلفًا: سيزداد. في البلورة ، كانت النقاط التي كانت بعيدة عن بعضها البعض على مسافات معينة فقط ، ما يسمى بالعقد الشبكية البلورية ، حيث توجد ذرات متطابقة ، متكافئة.
السائل متجانس في جميع أنحاء حجمه ، ولا يمكن تمييز جميع نقاطه عن بعضها البعض. هذا يعني أنه يمكن إزاحة السوائل عن طريق أي مسافات عشوائية (وليس فقط عن طريق بعض المسافات المنفصلة ، كما هو الحال في البلورة) أو تدويرها بأي زوايا عشوائية (والتي لا يمكن القيام بها في البلورات على الإطلاق) وسوف تتطابق مع نفسها. درجة التناظر أعلى. الغاز أكثر تناسقًا: يحتل السائل حجمًا معينًا في الوعاء ويوجد عدم تناسق داخل الوعاء ، حيث يوجد سائل ، ونقاط لا يوجد فيها. من ناحية أخرى ، يحتل الغاز الحجم الكامل المقدم له ، وبهذا المعنى لا يمكن تمييز جميع نقاطه عن بعضها البعض. ومع ذلك ، سيكون من الأصح التحدث هنا ليس عن النقاط ، ولكن عن العناصر الصغيرة ، ولكن العيانية ، لأنه على المستوى المجهري لا تزال هناك اختلافات. في بعض الأوقات توجد ذرات أو جزيئات ، بينما لا توجد ذرات أو جزيئات أخرى. يُلاحظ التماثل فقط في المتوسط ، إما في بعض معلمات الحجم العيانية ، أو في الوقت المناسب.
لكن لا يوجد حتى الآن تناظر فوري على المستوى المجهري. إذا ضغطت المادة بقوة شديدة ، إلى ضغوط غير مقبولة في الحياة اليومية ، وضغطت حتى تتسحق الذرات ، وتغلغل أصدافها بعضها البعض ، وبدأت النوى تتلامس ، ينشأ التناظر على المستوى المجهري. جميع النوى متشابهة ومضغوطة ضد بعضها البعض ، ليس هناك فقط مسافات بين الذرات ، ولكن أيضًا مسافات داخلية ، وتصبح المادة متجانسة (مادة غريبة).
ولكن هناك أيضًا مستوى تحت المجهر. تتكون النوى من البروتونات والنيوترونات التي تتحرك داخل النواة. هناك أيضا بعض المسافة بينهما. إذا واصلت الضغط حتى يتم سحق النوى أيضًا ، فسوف تضغط النيوكليونات بشدة على بعضها البعض. بعد ذلك ، على المستوى دون المجهري ، سيظهر التناظر ، وهو ليس حتى داخل النوى العادية.
مما قيل ، يمكن للمرء أن يرى اتجاهًا محددًا تمامًا: كلما ارتفعت درجة الحرارة وارتفاع الضغط ، أصبحت المادة أكثر تناسقًا. بناءً على هذه الاعتبارات ، فإن المادة المضغوطة إلى أقصى حد تسمى متناظرة بشدة.
18. مسألة متناظرة ضعيف- حالة معاكسة للمادة شديدة التناظر في خصائصها ، والتي كانت موجودة في بدايات الكون عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة بلانك ، ربما بعد 10-12 ثانية من الانفجار العظيم ، عندما كانت القوى القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية قوة خارقة واحدة . في هذه الحالة ، يتم ضغط المادة لدرجة أن كتلتها تتحول إلى طاقة ، والتي تبدأ في الانتفاخ ، أي التمدد إلى أجل غير مسمى. ليس من الممكن حتى الآن تحقيق طاقات للإنتاج التجريبي للقوة العظمى ونقل المادة إلى هذه المرحلة في ظل الظروف الأرضية ، على الرغم من أن مثل هذه المحاولات جرت في مصادم الهادرونات الكبير من أجل دراسة الكون المبكر. نظرًا لغياب تفاعل الجاذبية في تكوين القوة الخارقة التي تشكل هذه المادة ، فإن القوة الخارقة ليست متماثلة بشكل كافٍ بالمقارنة مع القوة الفائقة التناسق ، والتي تحتوي على جميع أنواع التفاعلات الأربعة. لذلك ، تلقت حالة التجميع هذه مثل هذا الاسم.
19. مادة الإشعاع- هذه ، في الواقع ، لم تعد مادة ، ولكن الطاقة في أنقى صورها. ومع ذلك ، فإن هذه الحالة الافتراضية للتجمع هي التي سيأخذها الجسم الذي وصل إلى سرعة الضوء. يمكن الحصول عليها أيضًا عن طريق تسخين الجسم إلى درجة حرارة بلانك (1032 كلفن) ، أي عن طريق تشتيت جزيئات المادة إلى سرعة الضوء. على النحو التالي من نظرية النسبية ، عندما تصل السرعة إلى أكثر من 0.99 ثانية ، تبدأ كتلة الجسم في النمو بشكل أسرع بكثير من التسارع "الطبيعي" ، بالإضافة إلى أن الجسم يطول ، ويدفأ ، أي أنه يبدأ في تشع في طيف الأشعة تحت الحمراء. عند عبور عتبة 0.999 ثانية ، يتغير الجسم بشكل كبير ويبدأ في انتقال الطور السريع إلى حالة الحزمة. على النحو التالي من صيغة أينشتاين ، المأخوذة بالكامل ، تتكون الكتلة المتزايدة للمادة النهائية من كتل مفصولة عن الجسم على شكل إشعاع حراري وأشعة سينية وبصرية وغيرها ، طاقة كل منها هي وصفه المصطلح التالي في الصيغة. وهكذا ، فإن الجسم الذي يقترب من سرعة الضوء سيبدأ في الإشعاع في جميع الأطياف ، وينمو في الطول ويتباطأ بمرور الوقت ، ويصبح رقيقًا إلى طول بلانك ، أي عند الوصول إلى السرعة c ، سيتحول الجسم إلى جسم نحيف وطويل بلا حدود. يتحرك الشعاع بسرعة الضوء ويتكون من فوتونات ليس لها طول ، وكتلته اللانهائية ستتحول بالكامل إلى طاقة. لذلك ، تسمى هذه المادة بالإشعاع.
الحالة الإجمالية للمادة
مادة- مجموعة من الجسيمات الواقعية مترابطة ببعضها بواسطة روابط كيميائية وتحت ظروف معينة في إحدى حالات التجميع. تتكون أي مادة من مجموعة من عدد كبير جدًا من الجسيمات: الذرات والجزيئات والأيونات ، والتي يمكن أن تتحد مع بعضها البعض في شكل روابط ، وتسمى أيضًا التجمعات أو التجمعات. اعتمادًا على درجة حرارة وسلوك الجسيمات في الشركات الزميلة (الترتيب المتبادل للجسيمات ، وعددها وتفاعلها في المنتسب ، بالإضافة إلى توزيع الشركاء في الفضاء وتفاعلهم مع بعضهم البعض) ، يمكن أن تكون المادة في حالتين رئيسيتين من التجميع - بلوري (صلب) أو غازي ،وفي حالات التجميع الانتقالية - غير متبلور (صلب) ، بلوري سائل ، سائل وبخار.تتكثف حالات التجميع الصلبة والسائلة والسائلة ، ويتم تفريغها بقوة بخار وغاز.
مرحلة- هذه مجموعة من المناطق الدقيقة المتجانسة ، تتميز بنفس الترتيب والتركيز للجسيمات ومحاطة بحجم مجهري لمادة محددة بواجهة. في هذا الفهم ، تكون المرحلة مميزة فقط للمواد الموجودة في الحالة البلورية والغازية ، لأن إنها دول مجمعة متجانسة.
الطورية- هذه مجموعة من المناطق الدقيقة غير المتجانسة التي تختلف عن بعضها البعض في درجة ترتيب الجسيمات أو تركيزها ومحاطة بحجم مجهري لمادة محددة بواجهة. في هذا الفهم ، الطور الطوري هو خاصية مميزة فقط للمواد الموجودة في حالات انتقال غير متجانسة من التجميع. يمكن أن تختلط الأطوار والميتافازات المختلفة مع بعضها البعض ، وتشكل حالة تجميع واحدة ، ومن ثم لا توجد واجهة بينهما.
عادة لا تفصل بين مفهوم حالة التجميع "الأساسية" و "الانتقالية". غالبًا ما تستخدم مفاهيم "الحالة الكلية" و "الطور" و "الطور الوسيط" كمرادفات. من المستحسن النظر في خمس حالات مجمعة محتملة لحالة المواد: صلب ، بلوري سائل ، سائل ، بخار ، غازي.يسمى الانتقال من مرحلة إلى مرحلة أخرى بمرحلة انتقالية من الدرجة الأولى والثانية. تتميز انتقالات الطور من النوع الأول بما يلي:
تغير مفاجئ في المقادير الفيزيائية التي تصف حالة المادة (الحجم ، الكثافة ، اللزوجة ، إلخ) ؛
درجة حرارة معينة يحدث فيها انتقال طور معين
حرارة معينة تميز هذا الانتقال ، لأن كسر الروابط الجزيئية.
يتم ملاحظة انتقالات الطور من النوع الأول أثناء الانتقال من حالة تجميع إلى حالة تجميع أخرى. تتم ملاحظة انتقالات الطور من النوع الثاني عندما يتغير ترتيب الجسيمات داخل حالة واحدة من التجميع ، وتتميز بما يلي:
تغيير تدريجي في الخصائص الفيزيائية للمادة ؛
التغيير في ترتيب جسيمات مادة ما تحت تأثير تدرج الحقول الخارجية أو عند درجة حرارة معينة ، تسمى درجة حرارة انتقال الطور ؛
حرارة انتقالات الطور من الدرجة الثانية تساوي الصفر وتقترب منه.
يتمثل الاختلاف الرئيسي بين انتقالات الطور بالترتيب الأول والثاني في أنه خلال التحولات من النوع الأول ، أولاً وقبل كل شيء ، تتغير طاقة جسيمات النظام ، وفي حالة التحولات من النوع الثاني ، يتم ترتيب جزيئات النظام.
يسمى انتقال المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة ذوبانوتتميز بنقطة انصهارها. يسمى انتقال المادة من الحالة السائلة إلى حالة البخار تبخروتتميز بدرجة الغليان. بالنسبة لبعض المواد ذات الوزن الجزيئي الصغير والتفاعل الجزيئي الضعيف ، يكون الانتقال المباشر من الحالة الصلبة إلى حالة البخار ممكنًا ، متجاوزًا الحالة السائلة. يسمى هذا التحول تسامي.يمكن أن تستمر كل هذه العمليات في الاتجاه المعاكس: ثم يتم استدعاؤها التجميد والتكثيف وإزالة الذوبان.
يمكن أن تكون المواد التي لا تتحلل أثناء الذوبان والغليان ، حسب درجة الحرارة والضغط ، في جميع حالات التجمع الأربع.
الحالة الصلبة
في درجات حرارة منخفضة بدرجة كافية ، تكون جميع المواد تقريبًا في الحالة الصلبة. في هذه الحالة ، المسافة بين جسيمات مادة ما يمكن مقارنتها بحجم الجسيمات نفسها ، مما يضمن تفاعلها القوي وزيادة كبيرة في طاقتها الكامنة على الطاقة الحركية. هذا يؤدي إلى ترتيب داخلي في ترتيب الجسيمات. لذلك ، تتميز المواد الصلبة بشكلها الخاص ، وقوتها الميكانيكية ، وحجمها الثابت (فهي عمليا غير قابلة للضغط). اعتمادًا على درجة ترتيب الجسيمات ، يتم تقسيم المواد الصلبة إلى بلوري وغير متبلور.
تتميز المواد البلورية بوجود نظام في ترتيب جميع الجسيمات. تتكون المرحلة الصلبة من المواد البلورية من جزيئات تشكل بنية متجانسة ، تتميز بالتكرار الصارم لنفس الخلية في جميع الاتجاهات. تميز الخلية الأولية للبلورة دورية ثلاثية الأبعاد في ترتيب الجسيمات ، أي لها شعرية الكريستال. تصنف المشابك البلورية حسب نوع الجزيئات التي تتكون منها البلورة وطبيعة القوى الجاذبة بينها.
يمكن أن يكون للعديد من المواد البلورية ، اعتمادًا على الظروف (درجة الحرارة والضغط) ، بنية بلورية مختلفة. هذه الظاهرة تسمى تعدد الأشكال.تعديلات متعددة الأشكال معروفة للكربون: الجرافيت ، الفوليرين ، الماس ، الكاربين.
مواد غير متبلورة (عديمة الشكل).هذه الحالة نموذجية للبوليمرات. تنحني الجزيئات الطويلة بسهولة وتتشابك مع الجزيئات الأخرى ، مما يؤدي إلى عدم انتظام في ترتيب الجزيئات.
الفرق بين الجسيمات غير المتبلورة والجسيمات البلورية:
الخواص - تشابه الخصائص الفيزيائية والكيميائية للجسم أو الوسط في جميع الاتجاهات ، أي استقلالية الخصائص عن الاتجاه ؛
لا توجد نقطة انصهار ثابتة.
الزجاج والكوارتز المنصهر والعديد من البوليمرات لها هيكل غير متبلور. المواد غير المتبلورة أقل استقرارًا من المواد البلورية ، وبالتالي يمكن لأي جسم غير متبلور أن ينتقل في النهاية إلى حالة أكثر استقرارًا من الناحية النشطة - حالة بلورية.
الحالة السائلة
مع ارتفاع درجة الحرارة ، تزداد طاقة الاهتزازات الحرارية للجسيمات ، ولكل مادة درجة حرارة ، تبدأ منها طاقة الاهتزازات الحرارية التي تتجاوز طاقة الرابطة. يمكن للجسيمات أداء حركات مختلفة ، وتتحول بالنسبة لبعضها البعض. لا يزالون على اتصال ، على الرغم من انتهاك الهيكل الهندسي الصحيح للجسيمات - المادة موجودة في حالة سائلة. بسبب تنقل الجسيمات ، تتميز الحالة السائلة بالحركة البراونية وانتشار وتقلب الجسيمات. من الخصائص المهمة للسائل اللزوجة ، والتي تميز القوى الترابطية التي تمنع التدفق الحر للسائل.
تحتل السوائل موقعًا وسيطًا بين الحالة الغازية والصلبة للمواد. هيكل أكثر تنظيماً من الغاز ، ولكنه أقل من مادة صلبة.
الدول الغازية والبخارية
عادة لا يتم تمييز حالة البخار الغازي.
غاز - هذا نظام متجانس متخلخل للغاية ، يتكون من جزيئات فردية متباعدة عن بعضها البعض ، والتي يمكن اعتبارها مرحلة ديناميكية واحدة.
بخار - هذا نظام غير متجانس مفرغ بشكل كبير ، وهو عبارة عن مزيج من الجزيئات وشبكات صغيرة غير مستقرة تتكون من هذه الجزيئات.
تشرح النظرية الحركية الجزيئية خصائص الغاز المثالي بناءً على الافتراضات التالية: تقوم الجزيئات بحركة عشوائية مستمرة ؛ حجم جزيئات الغاز لا يكاد يذكر مقارنة بالمسافات بين الجزيئات ؛ لا توجد قوى جذابة أو منفرة بين جزيئات الغاز ؛ متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الغاز يتناسب مع درجة حرارته المطلقة. نظرًا لعدم أهمية قوى التفاعل بين الجزيئات ووجود حجم حر كبير ، تتميز الغازات بـ: معدل مرتفع للحركة الحرارية والانتشار الجزيئي ، ورغبة الجزيئات في احتلال أكبر حجم ممكن ، وكذلك ارتفاع الانضغاطية.
يتميز نظام الطور الغازي المعزول بأربعة معايير: الضغط ودرجة الحرارة والحجم وكمية المادة. يتم وصف العلاقة بين هذه المعلمات من خلال معادلة الحالة للغاز المثالي:
R = 8.31 kJ / mol هو ثابت الغاز العام.
في هذا القسم ، سوف ننظر في الدول الإجمالية، حيث تكمن المادة من حولنا وقوى التفاعل بين جسيمات المادة ، وهي خاصية مميزة لكل حالة من الحالات الكلية.
1. الحالة الصلبة,
2. الحالة السائلةو
3. الحالة الغازية.
في كثير من الأحيان يتم تمييز حالة التجميع الرابعة - بلازما.
في بعض الأحيان ، تعتبر حالة البلازما أحد أنواع الحالة الغازية.
البلازما - غاز مؤين جزئيًا أو كليًا، غالبًا ما توجد في درجات حرارة عالية.
بلازماهي حالة المادة الأكثر شيوعًا في الكون ، لأن مادة النجوم في هذه الحالة.
للجميع حالة التجميعالسمات المميزة في طبيعة التفاعل بين جزيئات المادة ، مما يؤثر على خواصها الفيزيائية والكيميائية.
يمكن أن تكون كل مادة في حالات تجميع مختلفة. في درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية ، تكون جميع المواد موجودة الحالة الصلبة. ولكن مع ارتفاع درجة حرارتها ، تصبح كذلك السوائل، ومن بعد غازات. عند مزيد من التسخين ، تتأين (تفقد الذرات بعض إلكتروناتها) وتنتقل إلى الحالة بلازما.
غاز
الحالة الغازية(من الهولندية. gas ، يعود إلى لغة يونانية أخرى. Χάος ) تتميز بضعف الروابط بين الجزيئات المكونة لها.
تتحرك الجزيئات أو الذرات المكونة للغاز بشكل عشوائي ، وفي نفس الوقت ، تقع في مسافات كبيرة (مقارنة بأحجامها) عن بعضها البعض في معظم الأوقات. وبالتالي قوى التفاعل بين جزيئات الغاز لا تذكر.
السمة الرئيسية للغازهو أنه يملأ كل المساحة المتاحة دون تشكيل سطح. تختلط الغازات دائمًا. الغاز مادة متناحرة، أي أن خصائصه لا تعتمد على الاتجاه.
في حالة عدم وجود الجاذبية الضغطنفس الشيء في جميع النقاط في الغاز. في مجال قوى الجاذبية ، تختلف الكثافة والضغط عند كل نقطة ، وتتناقص مع الارتفاع. وفقًا لذلك ، في مجال الجاذبية ، يصبح خليط الغازات غير متجانس. غازات ثقيلةتميل إلى الاستقرار أكثر وأكثر رئتين- لترتفع.
الغاز لديه انضغاطية عالية- عندما يزداد الضغط تزداد كثافته. مع ارتفاع درجة الحرارة ، فإنها تتمدد.
عند الضغط ، يمكن أن يتحول الغاز إلى سائل.، لكن التكثيف لا يحدث في أي درجة حرارة ، ولكن عند درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة. درجة الحرارة الحرجة هي خاصية مميزة لغاز معين وتعتمد على قوى التفاعل بين جزيئاته. لذلك ، على سبيل المثال ، الغاز الهيليوميمكن تسييله فقط في درجات حرارة أقل 4.2 ك.
هناك غازات تنتقل ، عند تبريدها ، إلى جسم صلب ، متجاوزة المرحلة السائلة. يسمى تحول السائل إلى غاز بالتبخر ، ويسمى التحول المباشر للمادة الصلبة إلى غاز تسامي.
صلب
الحالة الصلبةبالمقارنة مع حالات التجميع الأخرى تتميز باستقرار الشكل.
يميز بلوريو المواد الصلبة غير المتبلورة.
الحالة البلورية للمادة
يرجع استقرار شكل المواد الصلبة إلى حقيقة أن معظم المواد الصلبة بها البنية البلورية.
في هذه الحالة تكون المسافات بين جزيئات المادة صغيرة وقوى التفاعل بينها كبيرة مما يحدد ثبات الشكل.
من السهل التحقق من التركيب البلوري للعديد من المواد الصلبة عن طريق تقسيم قطعة من المادة وفحص الكسر الناتج. عادة ، عند الاستراحة (على سبيل المثال ، في السكر ، والكبريت ، والمعادن ، وما إلى ذلك) ، تكون الوجوه البلورية الصغيرة الموجودة في زوايا مختلفة مرئية بوضوح ، ولامعة بسبب الانعكاس المختلف للضوء بواسطتها.
في الحالات التي تكون فيها البلورات صغيرة جدًا ، يمكن إنشاء التركيب البلوري للمادة باستخدام المجهر.
أشكال الكريستال
كل مادة تتشكل بلوراتشكل محدد تماما.
يمكن تلخيص تنوع الأشكال البلورية في سبع مجموعات:
1. ثلاثي الميل(متوازٍ) ،
2.أحادي الميل(المنشور مع متوازي الأضلاع في القاعدة) ،
3. معيني(متوازي مستطيل) ،
4. رباعي الزوايا(مستطيل متوازي مع مربع في القاعدة) ،
5. ثلاثي الزوايا,
6. سداسي الشكل(المنشور مع قاعدة اليمين في المنتصف
سداسي الزوايا)،
7. مكعب(مكعب).
تتبلور العديد من المواد ، ولا سيما الحديد والنحاس والماس وكلوريد الصوديوم نظام مكعب. أبسط أشكال هذا النظام هي مكعب ، ثماني السطوح ، رباعي السطوح.
المغنيسيوم والزنك والجليد والكوارتز تتبلور في نظام سداسي. الأشكال الرئيسية لهذا النظام هي المنشورات سداسية و bipyramid.
نادراً ما تتوافق البلورات الطبيعية ، وكذلك البلورات التي تم الحصول عليها بشكل مصطنع ، مع الأشكال النظرية تمامًا. عادة ، عندما تصلب المادة المنصهرة ، تنمو البلورات معًا وبالتالي فإن شكل كل منها ليس صحيحًا تمامًا.
ومع ذلك ، بغض النظر عن مدى تطور البلورة بشكل غير متساو ، وبغض النظر عن مدى تشوه شكلها ، تظل الزوايا التي تتقارب عندها الوجوه البلورية في نفس المادة ثابتة.
تباين الخواص
لا تقتصر ملامح الأجسام البلورية على شكل البلورات. على الرغم من أن المادة في البلورة متجانسة تمامًا ، إلا أن العديد من خصائصها الفيزيائية - القوة ، والتوصيل الحراري ، والعلاقة بالضوء ، وما إلى ذلك - ليست دائمًا متشابهة في اتجاهات مختلفة داخل البلورة. تسمى هذه الميزة الهامة للمواد البلورية تباين الخواص.
التركيب الداخلي للبلورات. المشابك الكريستال.
يعكس الشكل الخارجي للبلورة هيكلها الداخلي ويرجع ذلك إلى الترتيب الصحيح للجسيمات التي تتكون منها البلورة - الجزيئات أو الذرات أو الأيونات.
يمكن تمثيل هذا الترتيب على أنه شعرية الكريستال- إطار مكاني يتكون من خطوط مستقيمة متقاطعة. عند نقاط تقاطع الخطوط - عقد شعريةهي مراكز الجسيمات.
اعتمادًا على طبيعة الجسيمات الموجودة في عقد الشبكة البلورية ، وعلى أي قوى التفاعل السائدة بينها في بلورة معينة ، يتم تمييز الأنواع التالية المشابك الكريستال:
1. الجزيئية,
2. الذري,
3. الأيونيةو
4. معدن.
المشابك الجزيئية والذرية متأصلة في المواد ذات الرابطة التساهمية ، والأيونية - في المركبات الأيونية ، والمعدنية - في المعادن وسبائكها.
توجد ذرات في عقد المشابك الذرية. هم متصلون ببعضهم البعض الرابطة التساهمية.
هناك عدد قليل نسبيًا من المواد التي تحتوي على شبكات ذرية. أنهم ينتمون إلى الماس والسيليكونوبعض المركبات غير العضوية.
تتميز هذه المواد بصلابة عالية ، فهي مقاومة للحرارة وغير قابلة للذوبان عمليًا في أي مذيبات. هذه الخصائص ترجع إلى متانتها. الرابطة التساهمية.
تقع الجزيئات في عقد المشابك الجزيئية. هم متصلون ببعضهم البعض القوى بين الجزيئات.
هناك الكثير من المواد ذات الشبكة الجزيئية. أنهم ينتمون إلى اللافلزات، باستثناء الكربون والسيليكون ، كل شيء مركبات العضويةمع رابطة غير أيونية و العديد من المركبات غير العضوية.
تكون قوى التفاعل بين الجزيئات أضعف بكثير من قوى الروابط التساهمية ، وبالتالي فإن البلورات الجزيئية لها صلابة منخفضة وقابلة للانصهار ومتطايرة.
في عقد المشابك الأيونية ، توجد أيونات موجبة وسالبة الشحنة ، بالتناوب. هم مرتبطون ببعضهم البعض بالقوى جذب كهرباء.
تشمل المركبات الأيونية التي تشكل المشابك الأيونية معظم الأملاح وعدد قليل من الأكاسيد.
بالقوة المشابك الأيونيةأدنى من الذري ، لكنه يتجاوز الجزيئي.
المركبات الأيونية لها نقاط انصهار عالية نسبيًا. تقلبها في معظم الحالات ليس كبيرا.
توجد في عقد المشابك المعدنية ذرات معدنية ، حيث تتحرك الإلكترونات المشتركة بين هذه الذرات بحرية.
يمكن أن يفسر وجود الإلكترونات الحرة في المشابك البلورية للمعادن العديد من خصائصها: اللدونة ، القابلية للتطويع ، اللمعان المعدني ، التوصيل الكهربائي والحراري العالي.
هناك مواد في بلوراتها نوعان من التفاعلات بين الجسيمات يلعبان دورًا مهمًا. لذلك ، في الجرافيت ، ترتبط ذرات الكربون ببعضها البعض في نفس الاتجاهات. الرابطة التساهميةوفي غيرهم معدني. لذلك ، يمكن أيضًا اعتبار شبكة الجرافيت نوويو كيف فلز.
في العديد من المركبات غير العضوية ، على سبيل المثال ، في BeO، ZnS، CuCl، الاتصال بين الجسيمات الموجودة في مواقع الشبكة جزئيًا أيونيوجزئيا تساهمية. لذلك ، يمكن اعتبار المشابك لهذه المركبات وسيطة بين أيونيو الذري.
حالة غير متبلورة للمادة
خصائص المواد غير المتبلورة
من بين المواد الصلبة ، هناك تلك الموجودة في الكسر التي لا يمكن العثور على علامات بلورات. على سبيل المثال ، إذا كسرت قطعة من الزجاج العادي ، فسيكون كسرها سلسًا ، وعلى عكس فواصل البلورات ، فهي محدودة ليس بالسطوح المسطحة ، ولكن بالأسطح البيضاوية.
لوحظت صورة مماثلة عند تقسيم قطع من الراتنج والصمغ وبعض المواد الأخرى. هذه الحالة من المادة تسمى عديم الشكل.
الاختلافات بين بلوريو عديم الشكلتتجلى الجثث بشكل خاص في علاقتها بالتدفئة.
بينما تذوب بلورات كل مادة عند درجة حرارة محددة بدقة ، وعند نفس درجة الحرارة يحدث الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة ، الأجسام غير المتبلورة ليس لها نقطة انصهار ثابتة. عند تسخينه ، يلين الجسم غير المتبلور تدريجياً ، ويبدأ في الانتشار ، وأخيراً يصبح سائلاً تمامًا. عندما يبرد ، فإنه أيضا تصلب تدريجيا.
نظرًا لعدم وجود نقطة انصهار محددة ، تتمتع الأجسام غير المتبلورة بقدرة مختلفة: كثير منهم يتدفق مثل السوائل، بمعنى آخر. مع العمل المطول لقوى صغيرة نسبيًا ، فإنها تغير شكلها تدريجياً. على سبيل المثال ، قطعة من الراتنج الموضوعة على سطح مستو تنتشر في غرفة دافئة لعدة أسابيع ، على شكل قرص.
هيكل المواد غير المتبلورة
الاختلافات بين بلوري وغير متبلورحالة المادة على النحو التالي.
ترتيب الجزيئات في الكريستال، التي تعكسها خلية الوحدة ، يتم حفظها في مساحات كبيرة من البلورات ، وفي حالة البلورات جيدة التكوين - في مجملها.
الخامس أجسام غير متبلورةالترتيب في ترتيب الجسيمات لوحظ فقط في مناطق صغيرة جدًا. علاوة على ذلك ، في عدد من الأجسام غير المتبلورة ، حتى هذا الترتيب المحلي يكون تقريبيًا فقط.
يمكن تلخيص هذا الاختلاف على النحو التالي:
- يتميز الهيكل البلوري بالترتيب بعيد المدى,
- هيكل أجسام غير متبلورة - قريب.
أمثلة على المواد غير المتبلورة.
وتشمل المواد غير المتبلورة المستقرة زجاج(اصطناعي وبركاني) وطبيعي وصناعي الراتنجات والمواد اللاصقة والبارافين والشمعوإلخ.
الانتقال من حالة غير متبلورة إلى حالة بلورية.
يمكن أن تكون بعض المواد في كل من الحالات البلورية وغير المتبلورة. ثاني أكسيد السيليكون SiO 2يحدث في الطبيعة في شكل جيد التكوين بلورات الكوارتز، وكذلك في الحالة غير المتبلورة ( معدن الصوان).
حيث تكون الحالة البلورية دائمًا أكثر استقرارًا. لذلك ، فإن الانتقال التلقائي من مادة بلورية إلى مادة غير متبلورة أمر مستحيل ، والتحول العكسي - انتقال تلقائي من حالة غير متبلورة إلى حالة بلورية - ممكن ويمكن ملاحظته في بعض الأحيان.
مثال على هذا التحول نزع المزج- التبلور العفوي للزجاج عند درجات حرارة مرتفعة مصحوبًا بتدميرها.
حالة غير متبلورةيتم الحصول على العديد من المواد بمعدل عالٍ من تصلب (تبريد) ذوبان السائل.
للمعادن والسبائك حالة غير متبلورةتتشكل ، كقاعدة عامة ، إذا تم تبريد الذوبان لفترة من الوقت بترتيب الكسور أو عشرات الميلي ثانية. بالنسبة للزجاج ، يكفي معدل تبريد أقل بكثير.
كوارتز (SiO2) لديه أيضًا معدل تبلور منخفض. لذلك ، فإن المنتجات المصبوبة منه غير متبلورة. ومع ذلك ، فإن الكوارتز الطبيعي ، الذي تبلور مئات وآلاف السنين عندما تبرد قشرة الأرض أو الطبقات العميقة من البراكين ، له بنية حبيبات خشنة ، على عكس الزجاج البركاني ، الذي تجمد على السطح وبالتالي فهو غير متبلور.
السوائل
السائل هو حالة وسيطة بين مادة صلبة وغاز.
الحالة السائلةهو وسيط بين الغازية والبلورية. وفقًا لبعض الخصائص ، فإن السوائل قريبة من غازات، وفقا للآخرين - ل أجسام صلبة.
مع الغازات ، يتم تجميع السوائل ، أولاً وقبل كل شيء ، من خلال الخواصو سيولة. يحدد الأخير قدرة السائل على تغيير شكله بسهولة.
لكن كثافة عاليةو انضغاطية منخفضةالسوائل تجعلهم أقرب إلى أجسام صلبة.
تشير قدرة السوائل على تغيير شكلها بسهولة إلى عدم وجود قوى صلبة للتفاعل بين الجزيئات فيها.
في الوقت نفسه ، تشير الانضغاطية المنخفضة للسوائل ، والتي تحدد القدرة على الحفاظ على حجم ثابت عند درجة حرارة معينة ، إلى وجود قوى تفاعل بين الجسيمات ، وإن لم تكن جامدة ، ولكنها لا تزال مهمة.
نسبة الطاقة الكامنة والحركية.
تتميز كل حالة من حالات التجميع بنسبتها الخاصة بين الطاقات المحتملة والحركية لجزيئات المادة.
في المواد الصلبة ، يكون متوسط الطاقة الكامنة للجسيمات أكبر من متوسط طاقتها الحركية.لذلك ، في المواد الصلبة ، تحتل الجسيمات مواقع معينة بالنسبة لبعضها البعض وتتأرجح فقط بالنسبة لهذه المواضع.
بالنسبة للغازات ، يتم عكس نسبة الطاقة، ونتيجة لذلك تكون جزيئات الغاز دائمًا في حالة حركة فوضوية ولا توجد عمليا أي قوى تماسك بين الجزيئات ، بحيث يحتل الغاز دائمًا الحجم الكامل المقدم له.
في حالة السوائل ، تكون الطاقات الحركية والمحتملة للجسيمات متماثلة تقريبًا، بمعنى آخر. ترتبط الجسيمات ببعضها البعض ، ولكن ليس بشكل صارم. لذلك ، السوائل سائلة ، ولكن لها حجم ثابت عند درجة حرارة معينة.
تتشابه هياكل السوائل والأجسام غير المتبلورة.
نتيجة لتطبيق طرق التحليل الإنشائي على السوائل ، وجد أن الهيكل السوائل تشبه الأجسام غير المتبلورة. معظم السوائل لها ترتيب قصير المدى- عدد أقرب الجيران لكل جزيء وترتيبهم المتبادل متماثل تقريبًا في جميع أنحاء حجم السائل بالكامل.
تختلف درجة ترتيب الجزيئات في السوائل المختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يتغير مع درجة الحرارة.
في درجات الحرارة المنخفضة ، التي تتجاوز قليلاً نقطة انصهار مادة معينة ، تكون درجة الترتيب في ترتيب جزيئات سائل معين عالية.
مع ارتفاع درجة الحرارة ، تنخفض و مع ارتفاع درجة حرارة السائل ، تقترب خصائص السائل أكثر فأكثر من خصائص الغاز. عند الوصول إلى درجة الحرارة الحرجة ، يختفي التمييز بين السائل والغاز.
نظرًا للتشابه في التركيب الداخلي للسوائل والأجسام غير المتبلورة ، غالبًا ما تُعتبر هذه الأخيرة سوائل ذات لزوجة عالية جدًا ، ويتم تصنيف المواد في الحالة البلورية فقط على أنها مواد صلبة.
تشبيه أجسام غير متبلورةلكن في السوائل ، يجب أن نتذكر أنه في الأجسام غير المتبلورة ، على عكس السوائل العادية ، تتمتع الجسيمات بحركة طفيفة - كما هو الحال في البلورات.
الحالات المجمعة للمادة(من اللاتينية aggrego - أرفق ، أنا أوصل) - هذه حالات من نفس المادة ، والانتقالات التي تتوافق مع التغيرات المفاجئة في الطاقة الحرة والكثافة وغيرها من المعلمات الفيزيائية للمادة.
الغاز (الغاز الفرنسي ، المشتق من الفوضى اليونانية)- هو - هي الحالة الإجمالية للمادة، حيث تكون قوى التفاعل لجسيماتها التي تملأ الحجم الكامل المقدم لها ضئيلة. في الغازات ، تكون المسافات بين الجزيئات كبيرة وتتحرك الجزيئات بحرية تقريبًا.
يمكن اعتبار الغازات على أنها أبخرة شديدة الحرارة أو منخفضة التشبع. ونتيجة لذلك ، يوجد بخار فوق سطح كل سائل. عندما يرتفع ضغط البخار إلى حد معين ، يسمى ضغط البخار المشبع ، يتوقف تبخر السائل ، لأن السائل يصبح كما هو. يتسبب انخفاض حجم البخار المشبع في حدوث أجزاء من البخار بدلاً من زيادة الضغط. لذلك ، لا يمكن أن يكون ضغط البخار أعلى. تتميز حالة التشبع بكتلة التشبع الموجودة في 1 م 3 من كتلة البخار المشبعة ، والتي تعتمد على درجة الحرارة. بخار مشبعقد تصبح غير مشبعة إذا زاد الحجم أو ارتفعت درجة الحرارة. إذا كانت درجة حرارة البخار أعلى بكثير من النقطة المقابلة لضغط معين ، يسمى البخار محمص للغاية.
البلازما غاز مؤين جزئيًا أو كليًا تتساوى فيه كثافة الشحنات الموجبة والسالبة تقريبًا. تتكون الشمس والنجوم وسحب المادة بين النجوم من غازات - متعادلة أو مؤينة (بلازما). على عكس حالات التجميع الأخرى ، فإن البلازما عبارة عن غاز من الجسيمات المشحونة (أيونات ، إلكترونات) تتفاعل كهربائيًا مع بعضها البعض على مسافات كبيرة ، ولكن ليس لها أوامر قصيرة المدى أو طويلة المدى في ترتيب الجسيمات.
سائل- هذه حالة تجمع مادة وسيطة بين الصلبة والغازية. تحتوي السوائل على بعض سمات المادة الصلبة (تحافظ على حجمها ، وتشكل سطحًا ، ولها قوة شد معينة) وغازًا (يأخذ شكل الوعاء الذي يقع فيه). الحركة الحرارية لجزيئات (ذرات) السائل عبارة عن مزيج من التقلبات الصغيرة حول مواضع التوازن والقفزات المتكررة من موضع توازن إلى آخر. في الوقت نفسه ، تحدث حركات بطيئة للجزيئات وتذبذباتها داخل أحجام صغيرة ، وتنتهك القفزات المتكررة للجزيئات الترتيب بعيد المدى في ترتيب الجزيئات وتتسبب في سيولة السوائل ، وتؤدي التذبذبات الصغيرة حول مواضع التوازن إلى وجود قصر قصير. -الترتيب في السوائل.السوائل والمواد الصلبة ، على عكس الغازات ، يمكن اعتبارها وسائط عالية التكثيف. في داخلها ، توجد الجزيئات (الذرات) بالقرب من بعضها البعض وتكون قوى التفاعل عدة مرات من حيث الحجم أكبر من الغازات. لذلك ، السوائل والمواد الصلبة لها معنوي فرص محدودةمن أجل التوسع ، من الواضح أنه لا يمكن أن يشغل حجمًا عشوائيًا ، لكن في الحجم الثابت يحتفظون بحجمهم ، بغض النظر عن الحجم الذي يتم وضعه. يمكن أيضًا أن تحدث التحولات من حالة التجميع الأكثر ترتيبًا في الهيكل إلى حالة أقل ترتيبًا بشكل مستمر. في هذا الصدد ، بدلاً من مفهوم حالة التجميع ، يُنصح باستخدام مفهوم أوسع - مفهوم المرحلة.
مرحلةهي مجموعة جميع أجزاء النظام التي لها نفس الشيء التركيب الكيميائيوفي نفس الحالة. يبرر ذلك الوجود المتزامن لمراحل التوازن الديناميكي الحراري في نظام متعدد الأطوار: سائل ببخاره المشبع ؛ الماء والجليد عند نقطة الانصهار ؛ سائلين غير قابلين للامتزاج (خليط من الماء مع ثلاثي إيثيل أمين) ، يختلفان في التركيز ؛ وجود مواد صلبة غير متبلورة تحتفظ ببنية السائل (الحالة غير المتبلورة).
الحالة الصلبة غير المتبلورة للمادةهو نوع من حالة التبريد الفائق للسائل ويختلف عن السوائل العادية في لزوجة أعلى بكثير و القيم العدديةالخصائص الحركية.
الحالة الصلبة المتبلورة للمادة- هذه حالة تجمع ، تتميز بقوى تفاعل كبيرة بين جزيئات المادة (الذرات ، الجزيئات ، الأيونات). تتأرجح جسيمات المواد الصلبة حول مواضع التوازن المتوسطة ، والتي تسمى عُقد الشبكة البلورية ؛ تتميز بنية هذه المواد بدرجة عالية من الترتيب (ترتيب بعيد المدى وقصير المدى) - ترتيب في الترتيب (ترتيب التنسيق) ، في اتجاه (ترتيب التوجيه) للجسيمات الهيكلية ، أو ترتيب في الخصائص الفيزيائية ( على سبيل المثال ، في اتجاه اللحظات المغناطيسية أو لحظات ثنائية القطب الكهربائية). منطقة وجود المرحلة السائلة العادية للسوائل النقية والبلورات السائلة والسائلة محدودة من جانب درجات الحرارة المنخفضة انتقالات المرحلةعلى التوالي ، في الحالة الصلبة (التبلور) ، السائل الفائق ، والسائل متباين الخواص.
