Вещество и его состояния

Не можешь изменить порядок вещей — измени свое отношение к ним.

Сенека

Вещество — один из видов материи, из которого состоит весь окружающий нас мир. Его образуют большое скопление различных частиц, структур. Вещество представляет собой однородный (гомогенный) вид материи, т. е. такой материи, каждая частица которой имеет одинаковые физически свойства. Разные изделия, имеющие различное назначение и форму, могу быть изготовлены из одного и того же материала и их вещество будет одинаковым. Под веществом понимают чистую материю, без примесей. По материалом — вещество того же наименования, полученное в реальны условиях, т. е. имеющее неизбежные примеси.

В зависимости от условий среды вещество может находиться в твердом, жидком, газообразном и плазменном агрегатных состояниях. Микроструктура и состояние движения частиц в этих состояниях вещества носят различный характер. Рассмотрим их.

Твердое состояние. При достаточно низких температурах вещество находится в твердом состоянии, энергия системы минимальна и из всех возможных взаимных расположении частиц реализуются упорядоченные, называемые кристаллическими. Под понятием кристалл (кристаллическо тело) разумеют прежде всего периодичность его микроскопической структуры. В кристалле каждый атом окружен другими, расположенными определенным образом атомами, и если эта конфигурация атомов обладает наименьшей возможной энергией, ясно, что она должна повторяться и в любы других структурах тела. Простейшая конфигурация атомов, которая периодически повторяется вдоль тела во всех трех измерениях, образует элементарную ячейку кристаллической решетки. Кристаллическая решетк обладает симметрией переноса вдоль соответствующего направления. Естественно, физические величины также обладают такой же периодичностью Число типов симметрии в природе ограничено. В решетках между атомам существует ионная, ковалентная, металлическая и ван-дер-ваальсова связи. В реальных кристаллических телах существуют различные дефект решетки: точечные дефекты (вакансии — пустые незаполненные мест в узлах решетки; межузельные атомы внедрения); линейные дефекты к которым относятся дислокации, — наличие в решетке лишней кристаллической полуплоскости. По энергетическому характеру распределени электронных состояний в кристаллах в природе существуют три основные группы кристаллических твердых тел: металлы, диэлектрики и полупроводники. Они имеют различные свойства электрической проводимости тока. Атомы в твердом теле не могут значительно удаляться от свои равновесных положений — узлов кристаллической решетки. Их движени в основном сводится к колебаниям вблизи узлов решетки. Геометрия кристаллического состояния вещества при обычных давлениях и температурах отличается необычайным разнообразием, хотя число типов решето и ограничено. Свойства веществ определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением. В качестве примера можно указат на алмаз и графит — вещества, состоящие из одних и тех же атомов углерода, но имеющие различные кристаллические решетки. Тела могут сильн отличаться в отношении механических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств. Зная атомную природу тел и зависимость указанных свойств от нее, можно целенаправленно создавать новые материалы.

Жидкое состояние. При повышении температуры скачкообразно происходит фазовый переход кристалл — жидкость (плавление) и при этом поглощается удельная теплота перехода. Каждое вещество имеет строг определенную температуру плавления. Жидкость — это вещества, в которых взаимодействие между частицами велико и в то же время теплово движение частиц является сложным. В жидком состоянии атомы уж не являются строго локализованными, т. е. связанными с какими-то определенными положениями в теле. Они совершают колебательное движени и могут перескакивать, поэтому жидкости, сохраняя объем, могут изменять свою форму. Тепловые свойства конкретных жидкостей существенн индивидуальны.

Газообразное состояние. При дальнейшем повышении температуры вещества при определенной температуре, характерной для данного вещества, происходит фазовый переход жидкость — газ. В газах частицы совертают хаотическое поступательное движение. Вещество в газообразном состоянии представляет собой совокупность многих слабо взаимодействующих частиц и практически полностью теряет свою индивидуальность Это связано с малой плотностью газообразного вещества. В разряженны газах, по существу, отсутствует взаимное влияние атомов, а значит, не проявляется их индивидуальная атомная структура. Газы всех веществ (пр нормальных условиях) с хорошей точностью подчиняются одинаковы закономерностям.

Плазменное состояние. Дальнейшее весьма значительное повышение температуры (до 10⁴—10⁵ К) среды ведет к ионизации атомов, т. е. распаду их на ионы и свободные электроны. Частично или полностью ионизированный газ образует особое состояние вещества, называемое плазмой Поскольку ионы и электроны в отличие от атомов несут нескомпенсирован-ные электрические заряды, их взаимное влияние становится существенным Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, чт сближает се с конденсированным состоянием, т. е. с твердыми телами и жидкостями. В плазме легко возбуждаются всякого рода упругоэлектрически колебания. Особыми свойствами обладают вещества при сверхвысоки температурах и больших плотностях. При температурах -10⁷ К достигаетс полная ионизация плазмы: вещество состоит из «голых» ядер и свободны электронов. При дальнейшем повышении температуры начинаются ядер-ные превращения (-10⁸ К). При температурах свыше 10⁹ К ядра разрушаются; при этом вещество состоит из протонов и электронов. Наконец, пр температурах свыше 10¹³ К возможно широкое превращение частиц дру в друга. Это все рассматривалось при нормальном давлении. При невысокой температуре изменение давления также приводит к изменению состояния вещества. При сжатии вещества до -10⁸ атм электронные оболочк атомов деформируются и возможно свободное движение внешних электронов, т. е. «металлизация» вещества. При достаточном сжатии веществ до -10¹² атм роль взаимодействия электронов с ядрами становится несущественной и вещество можно рассматривать как электронный газ большо плотности. Когда давление газа становится порядка 10¹⁸ атм, происходи захват электронов ядрами с испусканием нейтрино и уменьшением заряд и энергии связи ядра. При давлении 10^2<1 атм нейтроны преобладают на электронами и вещество можно рассматривать как нейтронный газ. Пр давлении 10 ²⁷ атм нейтронный газ имеет плотность ядерного вещества.