Estat de la matèria
De Viquipèdia
| Fases de la Matèria |
| Comunes |
| Menys habituals |
| Fases magnètiques |
En física i en química, un estat de la matèria, o fases, correspon de fet a una sèrie d'estats macroscòpics, que tenen un conjunt de propietats físiques i químiques relativament uniformes (densitat, estructura cristal·lina, index de refracció, ...).
Taula de continguts |
[edita] Estat sòlid
Mantenint constant la pressió, a baixa temperatura els cossos es presenten en forma sòlida de manera que els àtoms es troben entrellaçats formant generalment estructures cristal·lines, això confereix al cos la capacitat de suportar forces sense deformació aparent. Són, per tant, agregats generalment rígids, durs i resistents. L'estat sòlid presenta les següents característiques:
- Força de cohesió (atracció).
- Vibració.
- Té forma pròpia.
- Els sòlids no es poden comprimir.
- Resistents a fragmentar-se.
- Volum definit.
- Pot ser orgànic o inorgànic.
- Tenen una densitat alta
[edita] Estat líquid
Incrementant la temperatura el sòlid es va "descomponent" fins a desaparèixer l'estructura cristal·lina arribant a l'estat líquid, la característica principal del qual és la capacitat de fluir i adaptar-se a la forma del recipient que el conté. En aquest cas, encara existeix un cert lligam entre els àtoms del cos, encara que de molta menor intensitat que en el cas dels sòlids. L'estat líquid presenta les següents característiques:
- Força de cohesió menor (regular)
- Moviment-energia cinètica.
- Sense forma definida.
- Pren el volum de l'envàs que el conté.
- En fred es comprimeix, exceptuant l'aigua.
- Posseïx fluïdesa.
- Pot presentar fenomen de difusió.
[edita] Estat gasós
Finalment, incrementant encara més la temperatura s'arriba a l'estat gasós. Els àtoms o molècules del gas es troben virtualment lliures de manera que són capaços d'ocupar tot l'espai del recipient que el conté, encara que seria millor dir que es distribuïx o reparteix per tot l'espai disponible. L'estat gasós presenta les següents característiques:
- Força de cohesió gairebé nul·la.
- Sense forma definida.
- Sense volum definit.
- Es pot comprimir fàcilment.
- Exerceix pressió sobre les parets del recipient que els conté.
- Els gasos es mouen amb llibertat.
[edita] Plasma
Al plasma se l'anomena també "el quart estat de la matèria", a més dels tres "clàssics", sòlid, líquid i gas. És un gas en el qual els àtoms s'han trencat, i que està format per electrons negatius i per ions positius, àtoms que han perdut electrons i han quedat amb una càrrega elèctrica positiva i que estan movent-se lliurement.
A diferència dels gasos freds (p.e. l'aire a la temperatura ambient), els plasmes conduïxen l'electricitat i són fortament influïts pels camps magnètics. El llum fluorescent, molt utilitzat en la llar i en el treball, conté plasma (el seu component principal és el vapor de mercuri) que escalfa i agita l'electricitat, mitjançant la línia de força a la qual està connectada el llum. La línia fa positiu elèctricament a un extrem i l'altre negatiu causa que els ions (+) s'accelerin cap a l'extrem (-), i que els electrons (-) vagin cap a l'extrem (+). Les partícules accelerades guanyen energia, col·lideixen amb els àtoms, expulsen electrons addicionals i així mantenen el plasma, fins i tot encara que es recombinin partícules. Les col·lisions també fan que els àtoms emetin llum i, de fet, aquesta forma de llum és més eficient que els llums tradicionals. Els rètols de neó i les llums urbanes funcionen per un principi similar i també s'usen en electrònica.
[edita] Condensat de Bose-Einstein
Un altre estat de la matèria és el condensat de Bose-Einstein (CBE), predit en 1924 per Satyendra Nath Bose i Albert Einstein, i obtingut en 1995 (els físics Eric A. Cornell, Carl I. Wieman i Wolfgang Ketterle van compartir el Premi Nobel de Física de l'any 2001 per aquest fet). Aquest estat s'aconsegueix a temperatures properes al zero absolut i es caracteritza perquè tots els àtoms es troben en el mateix lloc, formant un superàtom.
[edita] Altres estats de la matèria
Existeixen altres possibles estats de la matèria; alguns d'aquests només existeixen sota condicions extremes, com en l'interior d'estrelles mortes, o al començament de l'Univers, després del Big Bang:
- Fluids supercrítics. Un fluid supercrític (FSC) és qualsevol substància que es trobi en condicions de pressió i temperatura superiors al seu punt crític. Tenen unes propietats típiques, el que habitualment es denomina com "un híbrid entre un líquid i un gas", és a dir, pot difondre com un gas, i dissoldre materials com un líquid. Els FSC es caracteritzen per la gran quantitat de densitats que poden adoptar. Per damunt de les condicions crítiques, petits canvis en la pressió i la temperatura produeixen grans canvis en la densitat.
- Superfluid. El superfluid és un estat de la matèria caracteritzat per l'absència total de viscositat, la qual cosa el diferencia d'una substància molt fluida, la qual tindria una viscositat propera a zero, però no exactament igual a zero, de manera que, en un circuit tancat, fluiria interminablement sense fricció. Va ser descoberta el 1937 per Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen i Don Miseno, i al seu estudi se l'anomena hidrodinàmica quàntica. És un fenomen físic que té lloc a molt baixes temperatures, a prop del zero absolut, límit en el qual cessa tota activitat. Un inconvenient és que gairebé tots els elements es congelen a aquestes temperatures. Però hi ha una excepció: la de l'heli. Hi ha dos isòtops estables de l'heli, l'heli-4 (que és molt comú) i l'heli-3 (que és estrany) i es produeix en la desintegració beta del triti en reactors nuclears. També es troba en la superfície de la Lluna, arrossegat fins allà pel vent solar.
- Supersòlid. Aquest material és un sòlid en el sentit que la totalitat dels àtoms de l'heli - (4) que el componen estan congelats en una pel·lícula cristal·lina rígida, de forma semblant a com ho estan els àtoms i les molècules en un sòlid normal com el gel. La diferència és que, en aquest cas, el terme "congelat" no significa "estacionari". Com a la pel·lícula d'heli-4 és molt freda, tot just un desè de grau sobre el zero absolut, comencen a imperar les lleis de la incertesa quàntica. En efecte, els àtoms d'heli comencen a comportar com si fossin sòlids i fluids a la vegada. De fet, en les circumstàncies adequades, una fracció dels àtoms d'heli comença a moure's a través de la pel·lícula com una substància coneguda com "súper-fluid", un líquid que es mou sense cap fricció. D'aquí el seu nom de "súper-sòlid".
- Matèria degenerada. S'anomena matèria degenerada a aquella en la qual una fracció important de la pressió prové del principi d'exclusió de Pauli, que estableix que dos fermions no poden tenir els mateixos números quàntics. Segons les condicions, la degeneració de diferents partícules pot contribuir a la pressió d'un objecte compacte, de manera que una nana blanca és sostinguda per la degeneració d'electrons, mentre que una estrella de neutrons no col lapsa a causa de l'efecte combinat de la pressió de neutrons degenerats i la pressió deguda a la part repulsiva de la interacció forta entre barions.
- Condensat fermiònic. Creat a la universitat de Colorado per primera vegada el 1999, el primer condensat de Fermi format per àtoms va ser creat el 2003. El condensat fermiònic, considerat com el sisè estat de la matèria, és una fase supèrflua formada per partícules fermions a temperatures baixes. Està molt relacionat amb el condensat de Bose-Einstein. A diferència dels condensats de Bose-Einstein, els fermions condensats es formen utilitzant fermions en lloc de bosons. Dit d'una altra manera, el condensat de Fermi és un estat d'agregació de la matèria en la qual la matèria adquireix superfluïdesa. Es crea a molt baixes temperatures, molt a prop del zero absolut.
- Plasma quark-gluó. El plasma de quark-gluons (QGP) és una fase de la cromodinàmica quàntica (QCD) que existeix quan la temperatura i/o la densitat són molt elevades. Aquest estat es compon de quarks i gluons, gairebé lliures, que són els components bàsics de la matèria. Es creu que va existir durant els primers 20 a 30 microsegons després que l'univers nasqués en el moment del Big Bang. Els experiments en el Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN van tractar primer de crear QGP en els anys vuitanta i noranta, i es va poder aconseguir de manera parcial.[1] Actualment, experiments al Col·lisionador d'Ions Relativament Pesats (RHIC) en el Laboratori Nacional Brookhaven (Estats Units) continuen aquest esforç.[2] Tres nous experiments es duen a terme en el Gran Col lisionador d'Hadrons (LHC) del CERN, ALICE,[3] ATLAS i CM, continuant amb l'estudi de les propietats del QGP.
- Matèria estranya o matèria de quarks. En química nuclear, física de partícules i astrofísica, el terme s'usa de dues maneres, una més àmplia i l'altra més específica.
- El significat més ampli és tan sols matèria de quarks que conté tres "tipus" de quarks: amunt, avall i estrany. En aquesta definició, hi ha una pressió crítica i una densitat crítica associada, i quan la matèria nuclear (feta de protons i neutrons) es comprimeix més enllà d'aquesta densitat, els protons i neutrons es dissociar en els quarks que els componen, resultant així matèria de quarks (probablement matèria estranya).
- El significat més estricte es refereix a la matèria de quarks que és més estable que la matèria nuclear. La idea que això podria passar és la "hipòtesi de la matèria estranya" d'Bodmer[4] i Witten.[5] En aquesta definició, la pressió crítica és zero: el veritable estat fonamental de la matèria és sempre matèria de quarks. Els nuclis que veiem en la matèria que ens envolta, que són "gotes" de matèria nuclear, són necessàriament metaestables, i donat el temps suficient (o l'estímul extern adequat) decaurien en gotes de matèria estranya, els strangelets.
[edita] Canvis d'estat
Per a cada element o compost químic existeixen unes determinades condicions de pressió i temperatura a les quals es produïxen els canvis d'estat, havent d'interpretar-se, quan es fa referència únicament a la temperatura de canvi d'estat, que aquesta es refereix a la pressió de 1 atm (la pressió atmosfèrica). D'aquesta manera, en condicions normals (pressió atmosfèrica i 20 °C) hi ha composts tant en estat sòlid com líquid i gasós.
[edita] Referències
- ↑ "Experiments" a newstate-matter.web.cern.ch.
- ↑ RHIC a Bnl.gov.
- ↑ Informacions a aliceinfo.cern.ch
- ↑ A. Bodmer. "Collapsed Nuclei" Phys. Rev. D4, 1601 (1971)
- ↑ E. Witten, "Cosmic Separation Of Phases" Phys. Rev. D30, 272 (1984)
