手に持っている電話から足元の椅子まで、身の回りにあるものはすべて、さまざまな状態の物質で構成されています。あなたも物質でできています。物質は最大 8 つの異なる状態で存在しますが、自然に発生するのはそのうちの 4 つだけです。物質のさまざまな状態とは何ですか?また、日常生活のどこでそれを見ることができますか?
物質とは?
私たちはすべてが物質でできていることを知っていますが、物質とは何でしょうか?その質問に答えるには、宇宙のすべてを構成する物質、つまり素粒子に注目する必要があります。私たちが見たり、聞いたり、嗅いだり、味わったり、触ったりできるものはすべて、陽子、中性子、電子の 3 つの基本要素で構成されています。各原子には、正に帯電した陽子と中性に帯電した中性子を持つ原子核があります。これらの原子には、核を取り囲む殻もあり、原子から原子へ移動できる負に帯電した電子で満たされています。これらの原子の動きが物質の状態を決定します。これらの各状態はどのように見えますか?
不動の固体
まず、固体を詳しく見ていきます。原子レベルで拡大すると、あなたの家やあなたの周りの世界の固体オブジェクトを構成する原子がほとんど動かないか、まったく動かないことがわかります.それらは信じられないほど密度が高く、粒子がぎゅっと詰まっていて、動き回る余地がありません。これは、固体内の原子がまったく動いていないという意味ではありません。それどころか、これらの原子は振動します。しかし、狭いスペースにたくさんいるため、移動することができません。多くの元素は、十分に低い温度に達すると固体になります。たとえば、氷は華氏 32 度未満の温度で発生する固体の水です。
交換可能な液体
次に、物質の 2 番目の状態である液体があります。コップ一杯の水、炭酸飲料、またはその他の飲み物を飲んでいる場合、カップには液体が入っています。体積があり、入れた容器の形をとります。この形は、物質の中間状態になる傾向があります。ガスは冷えると液体になることがあります。固体は加熱すると液体になることがあります。液体中の原子は、温度に応じて加速したり減速したりできますが、温度が劇的に変化しない限り、固体を形成するほど凝縮することはありません。液体は固体よりも密度が低く、原子は自由に動くことができますが、圧縮するのは困難です。
アモルファスガス
原子が加速すると、物質の 3 番目の状態である気体に移行します。これらの粒子は多くの運動エネルギーを持ち、信じられないほど速く移動します。気体には形がなく、体積もないため、容器から放出すると、気体の原子は大気中に散逸します。液体とは異なり、気体を圧縮できます。酸素や窒素からプロパンやその他の燃料に至るまで、さまざまな状況でタンク内に圧縮ガスが存在します。深呼吸する。あなたが呼吸する空気は多くのガスで構成されています。私たちの大気は、78% の窒素、21% の酸素、0.9% のアルゴン、および微量のその他のガスで構成されています。やかんから出る蒸気は気体の水です。
焼夷プラズマ
物質の最後の自然発生状態は、この惑星でよく見られるものではありません。ただし、大気圏を離れると、より一般的になります。ジェファーソン研究所の科学者によると、それは宇宙で最も豊富な形態の物質である可能性があります。夜空を見上げると、目に見える小さな点のほとんどは、物質の第 4 状態の例です。星は、虚空にぶら下がっているプラズマの球を燃やしているだけです。地球上で少量のプラズマを生成する方法はありますが、常に最も安全な選択肢とは限りません。ブドウなどの食品をマイクロ波放射にさらすと、電子レンジでプラズマが生成されますが、その過程で電子レンジが破壊される可能性があります。
状態の変化:相転移
物質の 4 つの主要な状態は、常に同じであるとは限りません。相転移は、物質のある状態が別の状態に移行するときに発生します。これが発生する主な原因は 8 つあります。
固体に熱を加えて液体にすることを融解と呼びます .何かを溶かすのに高温は必要ありません.コインの反対側には 凍結 があります 液体が固体になるとき。液体ヘリウムを除くすべての液体は、氷点に達するほど冷えると凝固します。
私たちは今、暑さに戻っています。液体が気体になるまで熱を加えることは、気化として知られる相転移です。 .やかんの笛を吹く蒸気は気化の完璧な例です。その蒸気が液体に戻るとき、それは凝縮として知られています .これは通常、蒸気が液体の状態に戻るのに十分なほど冷たいものと接触したときに発生します。
相転移の中間段階を完全にスキップできる場合もあります。気体が固体になったり、固体が気体になったりすることがあります。前者は デポジション と呼ばれます 銀が裏打ちされた鏡の作成に最もよく使用され、表面に均一に塗布できるようになるまで銀蒸気がチャンバー内に浮遊します。後者は昇華と呼ばれます 、ドライアイスで最もよく見られます。ドライアイスは二酸化炭素を凍らせたもので、通常の状況では液体の状態になることは非常に困難です。溶け始めると、液体段階を完全にスキップして、直接気体状態に戻ります。昇華は凍結乾燥機の中で起こることでもあります。冷凍食品がゆっくりと加熱されるときに真空を導入すると、内部の水が昇華し、長期保存に最適なサバイバル食品が作成されます。
これで、再びプラズマで遊ぶことができます。 イオン化 ガスが点火してプラズマになるときに発生します。これは、プラズマ ボールのおもちゃで直接見ることができます。これが、ガラスを割ったり、ガスを逃がしたりすると機能しなくなる理由でもあります。 組換え プラズマが気体状態に戻るときに発生します。ネオンサインは組換えの完璧な例です。サインが点灯しているときは、電気が希ガスと反応してプラズマを生成します。オフにすると、プラズマは再び必要になるまでガス状態に戻ることができます。
ボーナス:ボーズ・アインシュタイン凝縮
私たちは何世紀にもわたって物質の 4 つの主要な状態を研究してきましたが、研究室で物質の 5 番目の状態を発見して作成したのは 1990 年代になってからのことです。それを作成するプロセスは非常に複雑になる可能性があります — それは自然界では発生しません.まず、お気に入りの元素の純粋な原子をいくつか取ります。次に、絶対零度のすぐ上まで冷却します。この信じられないほど低い温度では、個々の粒子は動き回るエネルギーがほとんどありません。この過冷却状態は、元素を固体状態を超えたものに変えます。ボーズ・アインシュタイン凝縮は、粒子が非常に似たものになり、1 つの巨大な超原子のように振る舞うときに発生します。
ボーナス:いくつかの余分な状態
科学が進歩するにつれて、私たちは物質の新しい状態を発見し続けていますが、それらは実験室や宇宙の深部でしか見つけることができません.フェルミオン凝縮はボーズ・アインシュタイン凝縮に似ており、原子をさらに低温に下げて超伝導体を作ります。科学者は 2003 年にこの物質の状態を発見しました。星を見上げると、物質の 2 つの異なる状態が見つかります。クォークグルーオン プラズマは、ビッグバンと宇宙の誕生からわずか数ミリ秒しか存在しない、物質の最も古い状態の 1 つです。物理学者たちはついに、この宇宙の始まりの証拠を再現することに成功しました。ブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器は、金イオンを非常に速く衝突させ、光の速度に近づいた.この物質の状態は、約 4 兆 C の温度に達します。その後、大質量星の中心で、縮退物質、つまり固体のように機能する超圧縮ガスを発見しました。縮退した星は、同じサイズの通常の星よりも小さいですが、より多くの質量を含んでいます。
物質の多くの状態
物質の 4 つの自然状態について学んだことがあるかもしれませんが、宇宙に存在するのはそれだけではありません。周りを見渡してください — あなたの周りの世界でどのような固体、液体、気体を識別できますか?
