Siete estados de la materia
En la naturaleza, la materia se presenta en diversas formas. Son muy diferentes y extremadamente inconsistentes. Sin embargo, en términos de sus características estructurales básicas, se pueden dividir en algunas categorías, y cada categoría se denomina estado de la materia. Por ejemplo, existen tres estados bien conocidos: sólido, líquido y gaseoso. Los científicos modernos también han descubierto que la materia tiene otros estados, como el estado de plasma, el estado de neutrones (estado supersólido), el campo, la antimateria, etc.
Características de varios estados:
A menudo encuentro La materia está compuesta de muchas moléculas. Cada molécula está formada por varios átomos. Cada átomo está compuesto por un núcleo cargado positivamente y varios electrones cargados negativamente que lo rodean. El núcleo está compuesto por varios protones y neutrones. Los protones tienen carga positiva, al igual que los electrones tienen carga negativa. Los neutrones no tienen carga. Las masas de protones y neutrones son aproximadamente iguales, aproximadamente 1840 veces la masa de los electrones. Los electrones, protones y neutrones son todas las unidades básicas de la materia que la gente conoce actualmente, por eso también se les llama "partículas elementales". No sólo se han descubierto estos tres tipos de partículas elementales, sino también iones, mesones, hiperones, etc. Hasta ahora se han descubierto más de 300 tipos de partículas elementales, algunas tienen masas muy pequeñas, otras tienen masas relativamente grandes, algunas tienen carga positiva, otras tienen carga negativa y otras no. Desde moléculas hasta partículas elementales, debido a que son tan pequeñas que no pueden verse directamente a simple vista, se las denomina colectivamente partículas microscópicas. La materia que a menudo vemos en un determinado estado es un objeto macroscópico compuesto por una gran cantidad de estas partículas. Los diferentes estados son en realidad diferentes formas de agregación de estas partículas microscópicas. Sólido, líquido y gaseoso son tres estados de agregación diferentes con moléculas o átomos como unidades básicas.
Estado sólido
Los metales no parecen tener una forma natural determinada. Pero también son cristales. Porque, en realidad, una gran pieza de metal está compuesta de muchos granos pequeños.
Algunos sólidos son amorfos y las moléculas o átomos internos no están ordenados según ciertas reglas estrictas. El sólido que se forma al fundir cristales de cuarzo y luego enfriarlos se llama vidrio de cuarzo, que es una especie de vidrio amorfo. El vidrio ordinario también es amorfo. Dentro de estos cristales amorfos, la disposición de los átomos no es del todo irregular. Simplemente no hay regularidad en un área grande. Pero para cada átomo, la disposición de sus átomos vecinos sigue siendo regular. Por ejemplo, en el vidrio de cuarzo, los vecinos más cercanos de un átomo de silicio son siempre cuatro átomos de oxígeno, y los vecinos más cercanos de un átomo de oxígeno son siempre dos átomos de silicio. La disposición regular de moléculas o átomos en un rango amplio se denomina ordenamiento de largo alcance. Un monocristal es un sólido remotamente ordenado. La disposición regular que existe sólo en las inmediaciones de cada átomo se llama orden de corto alcance. El vidrio es un sólido ordenado de corto alcance.
En los últimos años se ha investigado mucho el estado cristalino y los materiales sólidos de los polímeros (es decir, hay muchos átomos en una misma molécula) y los materiales sólidos (como el polietileno, el nailon, plexiglás, etc.) se han utilizado ampliamente. El estado amorfo presenta una situación más compleja. Cada molécula de estos materiales es una larga cadena compuesta de muchas moléculas. El sólido que las compone es a menudo un enredo de cables desordenadamente retorcidos en el instrumento en su estado amorfo. Después de un procesamiento especial, estas largas cadenas también se pueden organizar ordenadamente para formar microhaces en forma de borlas y formar cristales. A veces, las cadenas largas también se pliegan según ciertas reglas para formar grandes cristales de polímero escamosos. En la naturaleza, la mayoría de los sólidos son cristales. Todo el reino mineral de roca (con algunas excepciones), los metales y la mayoría de los compuestos orgánicos e inorgánicos (incluidos los compuestos poliméricos mencionados anteriormente) son cristales. Incluso las fibras vegetales son cristales.
Estado líquido
La característica externa del estado líquido se diferencia del sólido en que tiene un volumen determinado, pero ya no es una disposición fija y regular debido a su fluidez. En comparación con los cristales, las moléculas líquidas pierden el orden de largo alcance. Pero los experimentos han demostrado que el orden a corto plazo se mantiene dentro del líquido. Desde este punto de vista, los líquidos y los sólidos amorfos tienen la misma estructura, excepto que cada región pequeña y ordenada del líquido puede moverse entre sí. En este sentido, el estado sólido amorfo no es un sólido en sentido estricto, es simplemente un líquido demasiado espeso o demasiado frío.
El grado de ordenamiento de las moléculas en un líquido varía con el tipo de moléculas del fluido.
El estado de cristal líquido, que se ha estudiado mucho en los últimos años y ha sido muy utilizado, se llama cristal líquido, que es un líquido con un alto grado de orden. Se parece a un cristal en muchos aspectos excepto en su fluidez.
Los cristales líquidos conocidos actualmente son cristales líquidos esmécticos. Sus moléculas tienen forma de varilla y las varillas están dispuestas capa por capa. Aunque la disposición de las moléculas en cada capa es caótica, las capas permanecen relativamente estables. La fluidez de este tipo de cristal líquido simplemente se desliza entre capas y el orden de las moléculas en esta capa es bastante alto. Menos ordenados son los cristales líquidos que miran hacia afuera. Aunque sus moléculas en forma de varillas están orientadas en la misma dirección, ya no tienen capas. La pantalla digital de algunas calculadoras electrónicas o relojes electrónicos utiliza este tipo de cristal líquido. También hay una especie de cristal líquido cuyas moléculas también están dispuestas en capas. El eje largo de las moléculas en cada capa gira en un pequeño ángulo en una dirección capa por capa. Al igual que una pila de placas de cobre girando en ángulo una por una de abajo hacia arriba. Este tipo de cristal líquido se llama cristal líquido tipo vesícula biliar.
Estado gaseoso
La diferencia entre el estado gaseoso y el estado líquido es que en este estado de agregación de moléculas, ni siquiera existe el orden de corto alcance. La distancia entre las moléculas de un gas es mucho mayor que la distancia entre moléculas sólidas o líquidas. Las posiciones relativas entre las moléculas de gas no están fijadas en absoluto y se convierten en un estado completamente caótico.
Estado plasma
Calentar el líquido para aumentar su temperatura puede convertirlo en gas. Si el gas se recalienta y la temperatura vuelve a aumentar, ¿cuál será el resultado del reflujo? En los gases ordinarios, la unidad más pequeña de materia es la molécula. A medida que aumenta la temperatura del gas, aumenta la velocidad de las moléculas. Esto hace que dos moléculas se rompan en átomos individuales cuando chocan. Este tipo de gas compuesto de átomos que alimentan unidades básicas se llama gas atómico.
A medida que la temperatura del gas atómico aumenta aún más, la velocidad del movimiento atómico también aumenta. Finalmente, puede aumentar hasta el punto en que dos átomos se “romperán” al chocar. En este momento, uno o más electrones del átomo quedan eliminados y se mueven libremente en el espacio. Estos electrones se llaman electrones libres. Los átomos restantes sin electrones están cargados positivamente y se denominan iones positivos. (Cuando la temperatura es demasiado alta, todos los electrones del átomo pueden cortarse, dejando sólo el núcleo). El proceso de descomposición de un átomo neutro en varios electrones e iones positivos se llama ionización. A temperaturas de varios miles de grados, casi todos los átomos del gas se ionizan formando iones positivos y electrones. Este objeto compuesto por iones positivos y electrones que se mueven a gran velocidad se llama plasma. La estructura de sus gases es bastante diferente. Este estado de la materia se llama estado de plasma, generalmente también llamado cuarto estado de la materia.
Además de la ionización de moléculas provocada por la colisión de moléculas a altas temperaturas, las descargas en gases (como los rayos en el aire) también pueden provocar ionización. Cuando un gas es irradiado por radiación (como rayos ultravioleta, rayos X y rayos Y), sus átomos también pueden ionizarse.
Debido a que los iones del plasma están cargados y pueden moverse libremente, tienen una gran conductividad. Además, tiene alta temperatura y fluidez, por lo que tiene muchas aplicaciones. El uso de haces de plasma para cortar metal es un ion común. También se puede utilizar un haz de plasma extremadamente fino como bisturí para realizar operaciones quirúrgicas. En los últimos años, el plasma se ha utilizado como material de trabajo para la generación de energía mediante fluidos magnéticos. En reacciones termonucleares controladas, el plasma también se utiliza para obtener temperaturas extremadamente altas. Algunas personas incluso imaginan utilizar plasma como motor a reacción para proporcionar energía a las naves espaciales. Este tipo de motor tiene un empuje mucho mayor que el motor de cohete actual.
Para obtener plasma en tierra se necesita un dispositivo muy complicado. No existe plasma de origen natural. Pero fuera de la Tierra, el Sol y las estrellas son sustancias calientes y casi completamente ionizadas (por ejemplo, la temperatura de la superficie del Sol es de 6.000 grados y la temperatura central es de 20 millones de grados). El gas interestelar también está ionizado debido a la radiación de la estrella, por lo que también es plasma. Por tanto, se puede decir que la mayor parte de la materia del universo son protones y electrones, y por tanto también se encuentra en estado de plasma. Esta gruesa capa de atmósfera se llama ionosfera. Desempeña un papel muy importante en las comunicaciones por radio en la superficie terrestre.
En la Tierra, los estados de agregación de iones con los que podemos entrar en contacto y estudiar pueden incluirse en los cuatro estados anteriores.
Más allá de la tierra, el universo es infinito, y existen otros tipos de estados de la materia.
Estado de neutrones
El universo es inalámbrico Fuera de la Tierra, además de los diversos estados de la materia mencionados anteriormente, la gente también ha descubierto que existe otro estado de agregación de partículas llamado neutrón. Estado subestado, también llamado estado súper sólido. Existe un tipo de estrella formada por materia en estado de neutrones, llamada estrella de neutrones.
Hay muchísimas estrellas en el universo. Cada estrella es un sol. Son muy calientes y pueden emitir luz por sí solas. ¿De dónde viene la energía brillante? Ahora hay pruebas suficientes para demostrar que su energía es causada por reacciones termonucleares de los núcleos atómicos llevadas a cabo por partículas en las estrellas a temperaturas extremadamente altas. Durante la reacción, la presión del gas del plasma de alta temperatura y la presión de la radiación de la luz emitida se dirigen hacia afuera, lo que hace que la estrella se expanda y se disipe. Sin embargo, la atracción gravitacional del material dentro de la estrella sobre el material exterior crea una enorme atracción. presión interna, lo que hace que la estrella se reduzca de tamaño. Precisamente gracias al equilibrio entre estas dos presiones opuestas la estrella mantiene un cierto volumen estable. Este es actualmente el caso de nuestro Sol.
Sin embargo, los núcleos atómicos de la estrella no pueden continuar indefinidamente y el "combustible nuclear" también se "quemará". A medida que se quema el combustible nuclear, la estrella irradia cada vez menos energía y la radiación exterior se hace cada vez más pequeña. Por lo tanto, la radiación interior generada por la gravedad se vuelve cada vez mayor. Debido al efecto de compresión de esta presión, las partículas de la estrella se comprimen cada vez más. Cuando la reacción nuclear no se puede mantener, la presión aumentará hasta cierto punto, lo que hará que los electrones originalmente unidos en el plasma queden completamente comprimidos. el núcleo y los electrones que contiene quedarán completamente comprimidos. Los protones se combinan para formar neutrones. De esta forma, el plasma deja de existir y todos se convierten en neutrones. La estrella en este momento ha alcanzado su vejez, que es la llamada estrella de neutrones. Este tipo de material que está completamente compuesto de neutrones bajo una presión anormalmente enorme (mucho mayor que la presión en el centro del sol... ¡mil millones de atmósferas!) se llama estado de neutrones. Los cálculos teóricos señalan que una estrella de neutrones tiene una masa similar a la de nuestro sol, pero tiene sólo unas pocas docenas de kilómetros de diámetro y su densidad puede alcanzar 10^15 g/cm^3 = 10^9 toneladas/cm^3 . ¡La masa de un material en estado de neutrones del tamaño de una soja puede alcanzar decenas de millones de toneladas!
Además de ser extremadamente densas, las estrellas de neutrones también tienen la característica de que pueden emitir ondas electromagnéticas, especialmente rayos X, de forma estrictamente periódica. Debido a esta radiación periódica, las estrellas de neutrones también reciben el nombre de púlsares. El período de emisión del primer púlsar descubierto en 1967 fue de 1,3373 segundos. La estabilidad de su período puede utilizarse como estándar para medir el tiempo. Hasta 1975 se habían identificado hasta 147 estrellas de neutrones.
¿Se considera el estado neutrón la sustancia más densa? Esto aún no se puede decir, la investigación astronómica señala que cuando una estrella alcanza el estado de neutrones, puede encogerse por un tiempo y finalmente volverse extremadamente densa y tener una fuerza gravitacional tan fuerte que, una vez que cae, no puede salir materia. la luz que emite ya no se puede difundir externamente. Se convirtió en algo completamente oscuro. Estas estrellas "muertas" se denominan "agujeros negros".
Campo
Durante más de medio siglo, la ciencia ha determinado que, además del estado de agregación de partículas mencionado anteriormente, el campo también es una forma de existencia material.
¿Qué es un campo? Probablemente conozcas los campos eléctricos y magnéticos. Las cargas eléctricas están rodeadas de campos eléctricos y las cargas en movimiento están rodeadas de campos magnéticos. Reconocer que un campo es un tipo de sustancia está estrechamente relacionado con el reconocimiento que tienen las personas de los campos eléctricos y magnéticos en movimiento. Las transmisiones de radio y televisión utilizan la estación transmisora para difundir los campos eléctricos y magnéticos de la antena a las áreas circundantes. Esta es una onda electromagnética, y la onda electromagnética es una forma de campo. La luz también es una onda electromagnética. La luz y las ondas electromagnéticas se denominan colectivamente campos electromagnéticos. Los campos tienen masa, energía y momento. En este sentido es lo mismo que la materia que conocemos habitualmente, que está compuesta de partículas. La razón por la cual nuestras radios y televisores pueden recibir radio o televisión es en realidad un reflejo de la energía del campo electromagnético enviado desde la estación de radio o televisión.
Los campos no tienen masa ni energía concentrada en un área pequeña como las partículas, ni tienen contabilidad individual como las partículas. La longitud siempre impregna los espacios más grandes. Por ejemplo, una carga está rodeada por un campo eléctrico. Cuando una estación de radio está funcionando, hay campos electromagnéticos por todas partes a su alrededor. Por otro lado, el movimiento de un campo no tiene una órbita definida como las partículas. El movimiento de un campo siempre toma la forma de ondas.
Por eso los campos electromagnéticos en movimiento también se denominan ondas electromagnéticas.
Además del campo electromagnético, también existe un campo en el núcleo atómico entre protones y neutrones. Es diferente del campo electromagnético y se llama campo nuclear o campo de mesones. También es una sustancia en forma de campo. El campo gravitacional también es un tipo de campo, y ahora la gente también piensa que es un tipo de sustancia. Si puedes imaginar que en el universo la luz de las estrellas se propaga por todas partes, que hay un efecto gravitacional entre las estrellas y que también hay campos en los núcleos atómicos de las estrellas, entonces puedes darte cuenta de que en todo el universo, tales campos El estado material también es extremadamente común y existe en todas partes.
Aunque existe una diferencia entre campos y partículas, con el desarrollo de la ciencia, esta diferencia poco a poco va desapareciendo. A principios de este siglo se descubrió que los campos tienen propiedades de partículas. Por ejemplo, en el caso de la luz, el efecto fotoeléctrico que produce sólo puede explicarse por la naturaleza partícula de las ondas luminosas. Por tanto, podemos decir que la luz está compuesta de partículas. Esta partícula se llama fotón. Varias ondas electromagnéticas están compuestas de fotones correspondientes. Los efectos eléctricos o magnéticos entre cargas se realizan utilizando fotones como medio intermedio. Asimismo, se ha demostrado que existe un tipo de partícula correspondiente al campo nuclear, llamada mesón. La interacción entre protones y neutrones se logra a través de mesones como medio.
El campo no sólo tiene propiedades de partículas, sino que en la década de 1920 también se demostró que las partículas tienen propiedades de onda. El movimiento de electrones, protones y neutrones, especialmente dentro de los átomos, también presenta claramente características ondulatorias. Por tanto, en un sentido más general, una partícula también es un campo.
Los campos tienen propiedades de partículas y las partículas tienen propiedades de campo. Resumiendo estas dos formas de materia, la materia natural tiene propiedades tanto de partícula como de campo (o propiedades ondulatorias). Esta es una explicación del fenómeno onda-partícula de la materia.
La interconexión entre campos y partículas materiales también se refleja en su capacidad de transformarse entre sí. Un haz de rayos y (o un fotón y) puede convertirse en dos partículas bajo ciertas condiciones, una es un electrón cargado negativamente y la otra es un positrón cargado positivamente con la misma masa que el electrón. Este proceso se llama generación de pares de electrones. Por el contrario, cuando un electrón y un positrón se encuentran, ambos desaparecen y se convierten en fotones y. Este proceso en el que los electrones positivos y negativos se encuentran y desaparecen se llama aniquilación de pares de electrones.
La dualidad onda-partícula y la transformación mutua de campos y partículas reflejan la unidad del mundo material objetivo. Este es uno de los mayores logros de las ciencias naturales modernas.
Antimateria
En la naturaleza, además de los electrones cargados negativamente, también existe un positrón, que es igual a un electrón en otros aspectos, y su carga eléctrica es igual a la de un electrón. Para un electrón, este positrón se llama antipartícula. Su existencia fue señalada teóricamente por primera vez en la década de 1920. Fue descubierto oficialmente en el laboratorio en 1932. Los más comunes son los positrones que se encuentran en pares de electrones. En muchas reacciones nucleares, suele aparecer como producto.
En estudios posteriores se señaló teóricamente la existencia de antiprotones y antineutrones. La única diferencia entre un antiprotón y un protón es el signo de la carga, que tiene carga negativa. Los antineutrones, al igual que los neutrones, no tienen carga; la diferencia radica en sus propiedades magnéticas. Los neutrones son magnéticos y giran constantemente. La dirección del eje de rotación del neutrón es opuesta a la del polo N del pequeño imán, mientras que la dirección del antineutrón es la misma. En 1955 se descubrieron en el laboratorio los antiprotones y antineutrones. Todos ellos se producen cuando un protón de alta velocidad choca contra otro protón.
Ahora, la investigación sobre partículas elementales ha demostrado que se han descubierto más de 300 tipos de partículas elementales, todas las cuales existen en pares de partículas positivas y negativas. Como solíamos pensar que la materia está compuesta de electrones, protones, neutrones, etc., estas antipartículas se denominan colectivamente antimateria. Cabe señalar que algunas partículas existen en una sola forma, sin distinción positiva o negativa. En otras palabras, dichas partículas son sus propias antipartículas. Los fotones son tales partículas y los piones neutros también lo son.
Un átomo de hidrógeno normal está formado por un electrón rodeando a un protón. También es posible imaginar un antiátomo más complejo, cuyo núcleo esté compuesto de antiprotones y antineutrones, rodeado por varios positrones.
En los antiátomos, los movimientos de cada antipartícula son exactamente los mismos que los de las partículas universales en los átomos de materia. Tienen la misma energía, por lo que la luz que emiten es exactamente la misma que la luz emitida por los átomos de materia correspondientes.
En la Tierra las antipartículas naturales y la antimateria no existen. En una reacción nuclear, las antipartículas producidas están rodeadas por una gran cantidad de partículas normales correspondientes, por lo que se combinarán con las partículas normales correspondientes y las aniquilarán poco después de su producción, y al mismo tiempo emitirán fotones gamma. Pero esto no significa que la antimateria no pueda existir en forma natural en el universo más allá de la Tierra. Por supuesto, es imposible que materia y antimateria existan en la misma estrella, porque serán aniquiladas cuando se unan. Hay otra "razón" para que la gente imagine que existen estrellas de antimateria, que es la simetría de la naturaleza.