物質の状態は、物質が存在する形態です。日常生活で観察される物質の 4 つの状態は、固体、液体、および気体です。特別な条件が必要ですが、物質の他の状態も存在します。ここでは、物質の状態、その特性、およびそれらの間の相転移の名前を見てみましょう。
物質の状態とは?
物質とは、質量があり、空間を占有するものです。それは、亜原子粒子、原子、イオン、および化合物で構成されています。これらの粒子がしっかりと結合して接近している場合もあれば、粒子がゆるく結合して広く離れている場合もあります。物質の状態は、物質が示す性質を表します。基本的に、物質の状態は、その粒子がどれだけのエネルギーを持っているかに依存します。
温度や圧力を変えることで物質のエネルギーを変化させ、物質をある状態から別の状態に遷移させることができます。しかし、物質が状態を変えても、その正体は変わりません。ですから、氷を溶かしてから沸騰させると、物質の状態は変化しますが、常に水です。
物質の状態のリスト
物質の 4 つの基本的な状態は、固体、液体、気体、およびプラズマです。しかし、科学者たちは、極限条件下で存在する物質の新しい状態を発見しています.
ソリッド
固体は、定義された形状と体積を持つ物質の状態です。固体中の原子、イオン、および分子は、互いに密集し、結晶を形成する場合があります。固体の例には、岩、氷、ダイヤモンド、および木材が含まれます。
液体
液体とは、定義された体積を持ち、形状が定義されていない物質の状態です。つまり、液体は容器の形をとります。液体中の粒子は固体中よりもエネルギーが大きいため、粒子は離れており、組織化されていません (よりランダムです)。液体の例には、水、ジュース、植物油などがあります。
ガス
気体は、定義された体積または定義された形状のいずれかを欠いている物質の状態です。液体のように、気体は容器の形をしています。液体とは異なり、気体は容易に膨張または収縮して容器の全容積を満たします。気体中の粒子は、固体や液体よりも多くのエネルギーを持っています。それらは、液体よりもさらに離れてランダムになる傾向があります。気体の例には、空気、水蒸気、ヘリウムなどがあります。
プラズマ
プラズマは、すべての粒子が電荷を持っていることを除いて、気体に似た物質の状態です。また、プラズマは非常に低い圧力で存在する傾向があるため、粒子は気体よりもさらに離れています。プラズマは、イオン、電子、または陽子で構成されます。プラズマの例には、稲妻、オーロラ、太陽、ネオンサインの内部などがあります。
ボース・アインシュタイン凝縮
ボーズ・アインシュタイン凝縮 (BEC) は、物質の第 5 状態と呼ばれることがあります。ボーズ・アインシュタイン凝縮体では、原子とイオンは別々の粒子としての振る舞いを停止し、単一の波動関数を使用して記述できる単一の量子状態に崩壊します。この物質の状態は、1995 年にエリック コーネルとカール ウィーマンによって実験的に検証されました。ボーズ・アインシュタイン凝縮体は、通常の固体よりも「低温」であり、絶対零度に非常に近い状態を形成する可能性があります。
超流動
超流動は、ある種の物質によって形成される第 2 の液体状態です。超流動は粘度ゼロを示します。 1937 年にヘリウムの超流動が観測されました。ヘリウムは摩擦なしで流れることができるため、超流動ヘリウムは容器の壁をよじ登り、側面から滴り落ちました。 Bose-Einstein 凝縮体のように、超流動は絶対零度付近で発生します。
フェルミオン凝縮
フェルミオン凝縮は、クォークやレプトンなどのフェルミオンで構成されている点を除いて、ボーズ アインシュタイン凝縮に似た物質の状態です。通常、パウリの排他原理は、フェルミオンが同じ量子状態に入ることを禁止します。フェルミオン凝縮では、フェルミオンのペアがボソンとして振る舞い、複数のペアが同じ量子状態に入ることができます。
リュードベリ問題
リュードベリ物質は、励起されたイオンが凝縮するときに形成されるプラズマの一種です。
フォトニック マター
フォトニック物質は、光子が見かけの質量を持ち、互いに相互作用できるように、光子が気体と相互作用するときに形成される物質の状態です。見かけの質量を持つ光子は、フォトニック「分子」を形成することさえできます。
カラーガラス凝縮物
色ガラス凝縮体は、原子核が液体の速度に近い速度で移動するときに存在すると提案されている物質の状態です。その速度のために、核は運動方向に沿って圧縮されているように見えます。これにより、核のグルーオンが密度の高い壁または領域のように見えます。
その他の状態
クォーク物質、縮退物質、ドロップレット、量子ホール状態、超ガラス、超固体、ストリングネット液体など、物質の他の状態が提案されています。
物質の状態間の相転移
温度と圧力の変化により、物質はある状態から別の状態に変化します。この変化は、相転移または相変化と呼ばれます。相転移の例としては、氷 (固体) が溶けて水 (液体) になることや、水が沸騰して水蒸気 (気体) になることが挙げられます。固体、液体、気体、およびプラズマ間の相転移の名前は次のとおりです。
- 溶ける :固体から液体への相転移
- 凍結中 :液体から固体への相転移
- 蒸発 :液体から気体への相転移
- 結露 :気体から液体への相転移
- 昇華 :固体から気体への相転移
- デポジション :気体から固体への相転移
- イオン化 :ガスからプラズマへの相転移
- 脱イオンまたは再結合 :プラズマからガスへの相転移
参考文献
- グッドスタイン、D.L. （1985）。 状態 .ドーバー・フェニックス。 ISBN 978-0-486-49506-4.
- Murthy, G.;ら。 （1997）。 「フラストレーションのある二次元格子上の超流動と超固体」。 フィジカル レビュー B . 55 (5):3104. doi:10.1103/PhysRevB.55.3104
- Sutton, A.P. (1993). 物質の電子構造 .オックスフォード科学出版。 ISBN 978-0-19-851754-2.
- Wahab, M.A. (2005). 固体物理学:材料の構造と特性 .アルファサイエンス。 ISBN 978-1-84265-218-3.
- ホワイト、F. (2003). 流体力学 .マグロウヒル。 ISBN 978-0-07-240217-9。
