物質の状態を判断する方法。 集約の様子

凝集状態とは何か、固体、液体、気体が持つ特徴や性質についての質問は、いくつかのトレーニング コースで検討されます。 物質には 3 つの古典的な状態があり、それぞれに構造の特徴があります。 これらの理解は、地球や生物、生産活動の科学を理解する上で重要なポイントとなります。 これらの質問は、物理学、化学、地理学、地質学、物理化学、その他の科学分野によって研究されます。 3 つの基本的な状態タイプのいずれかにある特定の条件下にある物質は、温度または圧力の上昇または下降によって変化する可能性があります。 自然、テクノロジー、日常生活の中で行われる、ある集合状態から別の集合状態への可能な遷移を考えてみましょう。

集合状態とは何ですか?

ラテン語起源の言葉「aggrego」は、ロシア語に翻訳すると「添付する」を意味します。 科学用語は、同じ体、物質の状態を指します。 特定の温度値とさまざまな圧力における固体、気体、液体の存在は、地球のすべての殻の特徴です。 3 つの基本的な集約状態に加えて、4 番目の状態もあります。 高温かつ一定の圧力になると、ガスはプラズマに変わります。 凝集状態とは何かをよりよく理解するには、物質や物体を構成する最小の粒子を思い出す必要があります。

上の図は次のことを示しています。 a - ガス。 b - 液体。 c は剛体です。 このような図において、円は物質の構成要素を示します。 これは象徴であり、実際、原子、分子、イオンは固体の球ではありません。 原子は、プラスに帯電した原子核から構成され、その周りをマイナスに帯電した電子が高速で移動します。 物質の微細構造を知ることは、異なる凝集形態間に存在する違いをより深く理解するのに役立ちます。

ミクロ世界についてのアイデア: 古代ギリシャから 17 世紀まで

物体を構成する粒子に関する最初の情報は、古代ギリシャに現れました。 思想家のデモクリトスとエピクロスは、そのような概念を原子として導入しました。 彼らは、さまざまな物質からなるこれらの最小の不可分粒子は、一定の形状と一定のサイズを持ち、互いに移動し相互作用することができると信じていました。 原子学は、当時の古代ギリシャの最も先進的な教えとなりました。 しかし、その発展は中世に減速しました。 それ以来、科学者たちはローマカトリック教会の異端審問によって迫害されました。 したがって、近代に至るまで、物質の集合状態がどのような状態であるかについて明確な概念はありませんでした。 17 世紀になって初めて、科学者 R. ボイル、M. ロモノーソフ、D. ダルトン、A. ラヴォアジエが原子分子理論の規定を定式化しましたが、その規定は今日でもその重要性を失っていません。

原子、分子、イオン - 物質の構造を表す微細な粒子

小宇宙の理解における重要な進歩は、電子顕微鏡が発明された 20 世紀に起こりました。 科学者によって以前に行われた発見を考慮に入れると、ミクロ世界の調和のとれた全体像をまとめることが可能でした。 物質の最小粒子の状態と挙動を記述する理論は非常に複雑であり、それらはこの分野に属します。物質のさまざまな集合状態の特徴を理解するには、さまざまな粒子を形成する主な構造粒子の名前と特徴を知るだけで十分です。物質。

1. 原子は化学的に分割できない粒子です。 化学反応では保存されますが、核では破壊されます。 金属や他の多くの原子構造物質は、通常の状態では凝集した固体状態を持っています。
2. 分子は、化学反応によって分解されて形成される粒子です。 酸素、水、二酸化炭素、硫黄。 通常の状態では、酸素、窒素、二酸化硫黄、炭素、酸素が集合した状態は気体です。
3. イオンは、原子や分子が電子を獲得したり失ったりするときに変化する荷電粒子であり、マイナスに帯電した微細な粒子です。 食塩、硫酸鉄、硫酸銅など、多くの塩はイオン構造を持っています。

粒子が特定の方法で空間に配置されている物質があります。 原子、イオン、分子の規則正しい相互位置は結晶格子と呼ばれます。 通常、固体ではイオンおよび原子の結晶格子が典型的であり、液体および気体では分子が典型的です。 ダイヤモンドは硬度が高いです。 その原子結晶格子は炭素原子によって形成されます。 しかし、軟質グラファイトもこの化学元素の原子で構成されています。 空間内での位置が異なるだけです。 硫黄の通常の凝集状態は固体ですが、高温になると液体となり非晶質の塊になります。

固体の凝集状態にある物質

通常の状態では、固体はその体積と形状を保持します。 たとえば、砂粒、砂糖粒、塩、岩や金属片などです。 砂糖を加熱すると溶け始め、粘稠な茶色の液体に変わります。 加熱を停止します - 再び固体が得られます。 これは、固体が液体に変化する主な条件の 1 つは、その加熱または物質粒子の内部エネルギーの増加であることを意味します。 食品に使用される塩の凝集固体状態も変化させることができます。 しかし、食卓塩を溶かすには、砂糖を加熱する場合よりも高い温度が必要です。 実際、砂糖は分子で構成され、食塩は荷電イオンで構成されており、互いにより強く引き付けられます。 液体の固体は結晶格子が壊れるため、その形状を保持できません。

融解中の塩の凝集の液体状態は、結晶内のイオン間の結合の切断によって説明されます。 電荷を運ぶことができる荷電粒子が放出されます。 溶融塩は電気を通し、導体です。 化学、冶金、エンジニアリング産業では、固体を液体に変換して、そこから新しい化合物を得たり、異なる形状を与えたりします。 金属合金は広く使用されています。 固体原料の凝集状態の変化に伴い、その入手方法はいくつかあります。

液体は凝集の基本的な状態の 1 つです

丸底フラスコに 50 ml の水を注ぐと、その物質がすぐに化学容器の形になることがわかります。 しかし、フラスコから水を注ぐとすぐに、液体はすぐにテーブルの表面に広がります。 水の量は同じ50mlのままですが、形状が変わります。 これらの特徴は、物質の存在の液体形態の特徴です。 液体には、アルコール、植物油、酸などの多くの有機物質が含まれます。

牛乳は乳濁液、つまり脂肪の滴が入った液体です。 有用な液体鉱物は石油です。 陸上および海洋の掘削装置を使用して井戸から抽出されます。 海水は工業の原料でもあります。 川や湖の淡水との違いは、主に塩類を含む溶解物質の含有量にあります。 水域の表面から蒸発する際、H 2 O 分子のみが蒸気状態になり、溶質は残ります。 海水から有用物質を得る方法や浄化方法はこの性質を利用しています。

塩を完全に除去すると蒸留水が得られます。 100℃で沸騰し、0℃で凍ります。 塩水はさまざまな温度で沸騰し、氷になります。 たとえば、北極海の水は表面温度 2°C で凍ります。

通常の状態における水銀の凝集状態は液体です。 この銀灰色の金属には通常、医療用体温計が詰められています。 加熱すると水銀柱がスケール上に浮き上がり、物質が膨張します。 なぜ水銀ではなく、赤い塗料で着色されたアルコールが使用されるのでしょうか? これは液体金属の性質によって説明されます。 30度の霜が降りると、水銀の凝集状態が変化し、物質は固体になります。

体温計が壊れて水銀がこぼれた場合、銀球を手で集めるのは危険です。 水銀蒸気を吸入すると有害です。この物質は非常に有毒です。 このような場合、子供たちは親や大人に助けを求める必要があります。

気体状態

気体はその体積や形状を保持できません。 フラスコを上部まで酸素で満たします (化学式は O 2)。 フラスコを開けるとすぐに、物質の分子が部屋の空気と混ざり始めます。 これはブラウン運動によるものです。 古代ギリシャの科学者デモクリトスでさえ、物質の粒子は絶えず運動していると信じていました。 固体では、通常の条件下では、原子、分子、イオンが結晶格子から離れ、他の粒子との結合から解放される機会がありません。 これは外部から大量のエネルギーが供給されて初めて可能となります。

液体では、粒子間の距離は固体よりもわずかに大きいため、分子間結合を切断するのに必要なエネルギーは少なくなります。 たとえば、酸素の液体凝集状態は、気体の温度が -183 °C に低下した場合にのみ観察されます。 -223 °C では、O 2 分子が固体を形成します。 温度が所定の値を超えると、酸素は気体に変わります。 通常の状態ではこのような形になります。 産業企業では、大気を分離し、そこから窒素と酸素を取得するための特別な設備が設置されています。 まず空気が冷却されて液化し、その後徐々に温度が上昇します。 窒素と酸素は異なる条件下で気体になります。

地球の大気には、体積比で 21% の酸素と 78% の窒素が含まれています。 液体の形態では、これらの物質は地球のガス状の外皮中には存在しません。 液体酸素は水色で、医療施設で使用するために高圧でシリンダーに充填されます。 産業や建設では、多くのプロセスで液化ガスが必要です。 酸素は、ガス溶接や金属の切断、化学における無機物質や有機物質の酸化反応に必要です。 酸素ボンベのバルブを開けると圧力が下がり、液体は気体に変わります。

液化プロパン、メタン、ブタンは、エネルギー、輸送、産業、家庭活動で広く使用されています。 これらの物質は、天然ガスから、または石油原料の分解（分解）中に得られます。 炭素の液体および気体の混合物は、多くの国の経済において重要な役割を果たしています。 しかし、石油と天然ガスの埋蔵量は深刻に枯渇している。 科学者によると、この原料は100〜120年持続します。 代替エネルギー源は空気の流れ (風) です。 発電所の運転には、流れの速い川、海岸の潮汐、海洋が利用されます。

酸素は、他のガスと同様に、プラズマを表す 4 番目の凝集状態になることがあります。 固体から気体状態への異常な遷移は、結晶性ヨウ素の特徴です。 濃い紫色の物質は昇華を受け、液体状態を迂回して気体に変わります。

物質の集合的な形態から別の集合形態への移行はどのように行われるのでしょうか?

物質の集合状態の変化は化学変化を伴うものではなく、物理現象です。 温度が上昇すると、多くの固体が溶けて液体に変わります。 温度がさらに上昇すると蒸発、つまり物質が気体状態になる可能性があります。 自然界と経済界では、このような遷移は地球上の主要物質の 1 つに特徴的です。 氷、液体、蒸気は、さまざまな外部条件下における水の状態です。 化合物は同じで、その式はH 2 Oです。0℃以下の温度では、水は結晶化します。つまり、氷になります。 温度が上昇すると、得られた結晶が破壊され、氷が溶け、液体の水が再び得られます。 加熱すると、低温でも蒸発、つまり水のガスへの変化が起こります。 たとえば、凍った水たまりは水が蒸発するため、徐々に消えていきます。 霜の降りる天候でも濡れた衣類は乾きますが、このプロセスは暑い日よりも時間がかかります。

リストされている水のある状態から別の状態への移行はすべて、地球の性質にとって非常に重要です。 大気現象、気候、天候は、海洋表面からの水の蒸発、雲や霧の形での湿気の陸地への移動、降水量（雨、雪、ひょう）に関連しています。 これらの現象は、自然界における世界の水循環の基礎を形成します。

硫黄の凝集状態はどのように変化するのでしょうか?

通常の状態では、硫黄は明るく光沢のある結晶または淡黄色の粉末、つまり固体です。 硫黄は加熱すると凝集状態が変化します。 まず、温度が190℃まで上昇すると、黄色の物質が溶けて流動性の液体に変わります。

液体硫黄を冷水に素早く注ぐと、茶色の非晶質の塊が得られます。 硫黄溶融物をさらに加熱すると、硫黄溶融物はますます粘性が増し、黒ずみます。 300℃を超える温度では、硫黄の凝集状態が再び変化し、物質は液体の性質を獲得し、移動可能になります。 これらの遷移は、元素の原子が異なる長さの鎖を形成する能力によって発生します。

なぜ物質は異なる物理状態をとることができるのでしょうか?

単体である硫黄が凝集した状態は、通常の状態では固体です。 二酸化硫黄は気体であり、硫酸は水より重い油状の液体です。 塩酸や硝酸とは異なり、揮発性ではないため、表面から分子が蒸発しません。 結晶を加熱して得られる可塑性硫黄はどのような集合状態になっているのでしょうか？

アモルファス状態では液体のような構造をしており、若干の流動性を持っています。 しかし、プラスチック硫黄は同時にその形状を（固体として）保持します。 固体の多くの特徴的な特性を備えた液晶があります。 したがって、さまざまな条件下での物質の状態は、その性質、温度、圧力、その他の外部条件によって異なります。

固体の構造にはどのような特徴があるのでしょうか?

物質の主な集合状態間に存在する差異は、原子、イオン、分子間の相互作用によって説明されます。 たとえば、物質の固体集合状態が物体の体積と形状を維持する能力につながるのはなぜでしょうか? 金属または塩の結晶格子では、構造粒子が互いに引き付けられます。 金属では、正に帯電したイオンが、いわゆる「電子ガス」、つまり金属内に蓄積された自由電子と相互作用します。 塩の結晶は、逆に帯電した粒子、つまりイオンの引力によって発生します。 上記の固体の構造単位間の距離は、粒子自体のサイズよりもはるかに小さいです。 この場合、静電引力が働き、強度が得られ、反発力は十分ではありません。

物質が凝集した固体状態を破壊するには努力が必要です。 金属、塩、原子結晶は非常に高い温度で溶けます。 たとえば、鉄は 1538 °C を超える温度で液体になります。 タングステンは耐火性があり、電球の白熱フィラメントの製造に使用されます。 3000 °C を超える温度で液体になる合金があります。 地球上の多くは固体状態にあります。 この原材料は、鉱山や採石場の設備を利用して抽出されます。

結晶からイオンを一つでも引き離すには、多大なエネルギーを費やす必要があります。 しかし結局のところ、結晶格子を崩壊するには塩を水に溶かすだけで十分なのです。 この現象は、極性溶媒としての水の驚くべき特性によって説明されます。 H 2 O 分子は塩イオンと相互作用し、それらの間の化学結合を破壊します。 したがって、溶解は異なる物質の単純な混合ではなく、それらの間の物理的および化学的相互作用です。

液体の分子はどのように相互作用するのでしょうか?

水には、液体、固体、気体（蒸気）があります。 これらは、通常の条件下での主な凝集状態です。 水の分子は、1 つの酸素原子とそれに結合した 2 つの水素原子で構成されています。 分子内の化学結合が分極し、酸素原子に部分的な負電荷が現れます。 水素は分子内で陽極となり、別の分子の酸素原子に引き寄せられます。 これを「水素結合」といいます。

凝集の液体状態は、そのサイズに匹敵する構造粒子間の距離によって特徴付けられます。 引力は存在しますが、引力が弱いため、水は形を保ちません。 蒸発は結合の破壊によって起こり、室温でも液体の表面で起こります。

気体中に分子間相互作用はありますか?

物質の気体状態は、多くのパラメータにおいて液体や固体とは異なります。 ガスの構造粒子の間には、分子のサイズよりもはるかに大きな大きな隙間があります。 この場合、引力はまったく働きません。 凝集の気体状態は、空気中に存在する物質、つまり窒素、酸素、二酸化炭素の特徴です。 下の図では、最初の立方体は気体で満たされ、2 番目の立方体は液体で満たされ、3 番目の立方体は固体で満たされています。

多くの液体は揮発性であり、物質の分子がその表面から剥がれて空気中に放出されます。 たとえば、アンモニアに浸した綿棒を塩酸の開いた瓶の口に近づけると、白い煙が現れます。 空気中で塩酸とアンモニアの化学反応が起こり、塩化アンモニウムが得られます。 この物質はどのような状態にあるのでしょうか? 白い煙を形成するその粒子は、塩の最小の固体結晶です。 この実験は排気フードの下で行う必要があり、物質は有毒です。

結論

気体の凝集状態は、アボガドロ、ボイル、ゲイ＝リュサック、クライペロン、メンデレーエフ、ル・シャトリエなど、多くの優れた物理学者や化学者によって研究されました。 科学者は、外部条件が変化したときの化学反応におけるガス状物質の挙動を説明する法則を定式化しました。 オープン規則性は、学校や大学の物理学や化学の教科書に掲載されただけではありません。 多くの化学産業は、さまざまな凝集状態における物質の挙動と特性に関する知識に基づいています。

物質の集合状態 （ラテン語のアグレゴから - 私は付ける、私は接続する） - これらは同じ物質の状態であり、それらの間の遷移は、自由エネルギー、エントロピー、密度、および物質のその他の物理パラメーターの突然の変化に対応します。

ガス (フランス語の gaz、ギリシャ語のカオス - カオスに由来) は、提供される体積全体を満たす粒子の相互作用力が無視できる物質の集合状態です。 気体中では分子間距離が大きく、分子はほぼ自由に動きます。

• ガスは、高度に過熱された蒸気または低飽和の蒸気と見なすことができます。
• 蒸発により、各液体の表面上には蒸気が存在します。 蒸気圧が飽和蒸気圧と呼ばれる一定の限界まで上昇すると、蒸気と液体の圧力が同じになるため、液体の蒸発は停止します。
• 飽和蒸気の体積が減少すると、圧力が増加するのではなく、蒸気の一部が凝縮します。 したがって、蒸気圧は飽和蒸気圧より高くすることはできません。 飽和状態は、飽和蒸気質量 1 m3 に含まれる飽和質量によって特徴付けられ、温度に依存します。 飽和蒸気は、体積を増やしたり、温度を上げたりすると不飽和になることがあります。 蒸気の温度が特定の圧力に対応する沸点よりもはるかに高い場合、その蒸気は過熱と呼ばれます。

プラズマ 正電荷と負電荷の密度がほぼ同じである、部分的または完全に電離した気体をいいます。 太陽、星、星間物質の雲は、中性またはイオン化したガス（プラズマ）で構成されています。 他の凝集状態とは異なり、プラズマは荷電粒子 (イオン、電子) のガスであり、長距離で互いに電気的に相互作用しますが、粒子の配置には短距離秩序も長距離秩序もありません。

液体 - 物質が凝集した状態で、固体と気体の中間の状態です。

1. 液体は、固体 (体積を保持し、表面を形成し、一定の引張強度を持つ) と気体 (液体が入っている容器の形状をとる) のいくつかの特徴を持っています。
2. 液体の分子 (原子) の熱運動は、平衡位置付近の小さな変動と、ある平衡位置から別の平衡位置への頻繁なジャンプの組み合わせです。
3. 同時に、小さな体積内での分子の遅い動きとその振動が発生し、分子の頻繁なジャンプが粒子の配列における長距離秩序を破って液体の流動性を引き起こし、平衡位置の周りでの小さな振動が短絡の存在を引き起こします。 -液体中の範囲順序。

液体と固体は、気体とは異なり、高度に凝縮された媒体とみなすことができます。 それらの中では、分子（原子）は互いに非常に近くに配置されており、相互作用力は気体よりも数桁大きくなります。 したがって、液体と固体は膨張の可能性が大幅に制限されており、任意の体積を占めることができないのは明らかであり、一定の圧力と温度では、どのような体積に置かれてもその体積を保持します。 構造的により秩序のある集合状態から、より秩序のない集合状態への移行も継続的に発生する可能性があります。 この点に関して、集合状態の概念の代わりに、より広い概念、つまりフェーズの概念を使用することをお勧めします。

段階 同じ化学組成を持ち、同じ状態にあるシステムのすべての部分の合計です。 これは、多相系、つまり、それ自身の飽和蒸気を含む液体、および液体とそれ自身の飽和蒸気を含む液体の中に熱力学的平衡相が同時に存在することによって正当化されます。 融点の水と氷。 濃度の異なる 2 つの混ざらない液体 (水とトリエチルアミンの混合物)。 液体の構造を保持した非晶質固体（非晶質状態）の存在。

アモルファス固体状態の物質 液体の一種の過冷却状態であり、通常の液体とは著しく高い粘度や運動特性の数値が異なります。

物質の結晶固体状態 - これは凝集の状態であり、物質の粒子 (原子、分子、イオン) 間の大きな相互作用力によって特徴付けられます。 固体の粒子は、結晶格子の節と呼ばれる平均的な平衡位置の周りで振動します。 これらの物質の構造は、高度な秩序（長距離秩序と短距離秩序）、つまり配置の秩序（配位秩序）、構造粒子の配向（配向秩序）、または物理的特性の秩序によって特徴付けられます（たとえば、磁気モーメントや電気双極子モーメントの方向など）。 純粋な液体、液体、液晶の常液相の存在領域は、それぞれ相転移により低温側から固体（結晶化）、超流動、液体異方性状態に限定されます。

誰もが、物質の 3 つの基本的な集合状態、液体、固体、気体を知っていると思います。 私たちは毎日、どこでも、こうした物質の状態に遭遇します。 ほとんどの場合、それらは水の例で考慮されます。 水の液体状態は私たちにとって最もよく知られています。 私たちは常に液体の水を飲み、水道から流れ出ますが、私たち自身も 70% が液体の水です。 水の 2 番目の集合状態は、冬に街中で見かける普通の氷です。 水は気体であるため、日常生活でも簡単に出会うことができます。 気体の状態では、水は蒸気です。 これは、たとえばやかんを沸騰させるときに見ることができます。 はい、水が液体状態から気体状態に変化するのは 100 度です。

これらは、私たちによく知られている物質の 3 つの集合状態です。 しかし、実際には4つあることをご存知ですか？ 誰もが一度は「プラズマ」という言葉を聞いたことがあると思います。 そして今日は、物質の 4 番目の状態であるプラズマについても詳しく学んでいただきたいと思います。

プラズマは、正電荷と負電荷の両方が同じ密度で部分的または完全にイオン化されたガスです。 プラズマはガスから、つまり強い加熱によって物質の第 3 状態から得られます。 実際、一般に凝集状態は温度に完全に依存します。 凝集の最初の状態は物体が固体のままである最低温度、凝集の 2 番目の状態は物体が溶けて液体になり始める温度、凝集の 3 番目の状態は物質が液体になる最高温度です。ガス。 物体、物質ごとに、ある凝集状態から別の凝集状態への転移温度は完全に異なり、一部の場合は低くなり、一部の場合は高くなりますが、誰にとっても厳密にこの順序になります。 そして、物質は何度の温度でプラズマになるのでしょうか? これは 4 番目の状態であるため、その状態への遷移温度が前の各状態よりも高いことを意味します。 そして実際その通りです。 気体をイオン化するには非常に高い温度が必要です。 最低温度と低電離（約1％）プラズマは、最大10万度の温度が特徴です。 地上条件下では、このようなプラズマは稲妻の形で観察されることがあります。 雷経路の温度は3万度を超える場合があり、これは太陽の表面温度の6倍です。 ちなみに、太陽や他の星もプラズマであり、多くの場合まだ高温です。 科学は、宇宙の全物質の約 99% がプラズマであることを証明しています。

低温プラズマとは異なり、高温プラズマはほぼ 100% 電離し、温度は 1 億度に達します。 これはまさに恒星温度です。 地球上では、そのようなプラズマは熱核融合実験の場合にのみ発見されます。 制御された反応は非常に複雑でエネルギーを大量に消費しますが、制御されていない反応は、1953 年 8 月 12 日にソ連によって実験された熱核爆弾のように、巨大な出力の兵器として十分に証明されています。

プラズマは、温度とイオン化の程度だけでなく、密度と準中性度によっても分類されます。 フレーズ プラズマ密度通常は意味します 電子密度、つまり単位体積あたりの自由電子の数です。 さて、これですべてが明らかになったと思います。 しかし、誰もが準中立とは何かを知っているわけではありません。 プラズマの準中性はプラズマの最も重要な特性の 1 つであり、プラズマを構成する陽イオンと電子の密度がほぼ正確に等しいことにあります。 プラズマの電気伝導率は良好であるため、デバイ長よりも離れた距離では、またプラズマ振動の周期よりも長い場合には、正電荷と負電荷を分離することは不可能です。 ほとんどすべての血漿は準中性です。 非準中性プラズマの例は電子ビームです。 ただし、非中性プラズマの密度は非常に低くなければなりません。そうしないと、クーロン反発によってすぐに崩壊してしまいます。

私たちは地球上のプラズマの例をほとんど考慮しませんでした。 しかし、それらは十分にあります。 人類はプラズマを自分自身の利益のために利用することを学びました。 物質の 4 番目の集合状態のおかげで、ガス放電ランプ、プラズマ テレビ、電気アーク溶接、レーザーを使用できるようになりました。 通常のガス放電蛍光ランプもプラズマです。 私たちの世界にもプラズマランプがあります。 これは主に科学で研究するために、そして最も重要なことに、フィラメント化を含む最も複雑なプラズマ現象を観察するために使用されます。 そのようなランプの写真は、以下の写真で見ることができます。

家庭用プラズマ装置に加えて、地球上では天然プラズマもよく見られます。 その例の 1 つについてはすでに説明しました。 これは雷です。 しかし、プラズマ現象は、雷に加えて、オーロラ、「セントエルモの火」、地球の電離層、そしてもちろん火と呼ぶことができます。

火と稲妻、そして私たちがプラズマと呼ぶその他の現象の両方が燃えることに注目してください。 プラズマによるこのような明るい発光の理由は何でしょうか? プラズマグローは、電子がイオンと再結合した後の高エネルギー状態から低エネルギー状態への遷移によって発生します。 このプロセスにより、励起されたガスに対応するスペクトルの放射が生じます。 これがプラズマが光る理由です。

プラズマの歴史についても少しお話したいと思います。 結局のところ、かつては、牛乳の液体成分や血液の無色の成分などの物質だけが血漿と呼ばれていました。 1879 年にすべてが変わりました。 有名なイギリスの科学者ウィリアム・クルックスがガス中の電気伝導率を研究し、プラズマ現象を発見したのはその年でした。 確かに、この物質の状態がプラズマと呼ばれるようになったのは 1928 年になってからです。そしてこれを行ったのはアーヴィング ラングミュアです。

結論として、私がこのサイトで何度か書いたボール稲妻のような興味深く神秘的な現象は、もちろん、通常の稲妻と同様にプラズモイドであると言いたいと思います。 これはおそらく、すべての地球上のプラズマ現象の中で最も珍しいプラズモイドです。 結局のところ、ボールの稲妻については約 400 の異なる理論が存在しますが、それらのうちの 1 つも真に正しいとは認められていません。 実験室条件下では、同様ではあるが短期間の現象がいくつかの異なる方法で得られているため、球雷の性質の問題は未解決のままです。

もちろん、通常のプラズマも実験室で作られました。 かつては難しかったですが、今ではそのような実験は難しくありません。 プラズマは私たちの家庭にしっかりと浸透しているので、研究室ではプラズマに関する実験がたくさん行われています。

プラズマの分野で最も興味深い発見は、無重力状態でのプラズマの実験でした。 プラズマは真空中で結晶化することが分かりました。 これは次のように起こります。プラズマの荷電粒子は互いに反発し始め、その体積が限られていると、割り当てられた空間を占有し、さまざまな方向に散乱します。 これは結晶格子に非常に似ています。 これは、プラズマが物質の最初の集合状態と 3 番目の集合状態の間の閉ざされたリンクであることを意味するのではないでしょうか? 結局のところ、ガスの電離によってプラズマになり、真空中ではプラズマはいわば固体になります。 しかし、それは単なる私の推測です。

宇宙のプラズマ結晶もかなり奇妙な構造をしています。 この構造は、宇宙、真空の実空間でのみ観察および研究できます。 たとえ地球上に真空を作り、そこにプラズマを置いたとしても、重力は内部に形成される「絵」全体を圧迫するだけです。 しかし、宇宙ではプラズマ結晶が単純に飛び立ち、奇妙な形の体積三次元構造を形成します。 軌道上のプラズマの観察結果を地球科学者に送ったところ、プラズマ内の渦が奇妙な方法で銀河の構造を模倣していることが判明した。 これは、将来、プラズマを研究することで、私たちの銀河がどのように誕生したのかを理解できるようになるということを意味します。 下の写真は、同じ結晶化したプラズマを示しています。

集約の様子- 特定の定性的特性によって特徴付けられる物質の状態: 体積と形状を維持できるかどうか、長距離秩序と短距離秩序の有無など。 凝集状態の変化には、自由エネルギー、エントロピー、密度、その他の基本的な物理的特性のジャンプのような変化が伴う場合があります。
凝集には、固体、液体、気体の 3 つの主な状態があります。 血漿を凝集状態として分類することが完全に正しいとは限らない場合があります。 液晶やボース アインシュタイン凝縮など、他の凝集状態もあります。 凝集状態の変化は、相転移と呼ばれる熱力学的プロセスです。 次の品種が区別されます：固体から液体へ - 溶融。 液体から気体へ - 蒸発と沸騰。 固体から気体へ - 昇華。 気体から液体または固体へ - 凝縮; 液体から固体へ - 結晶化。 特徴的な特徴は、プラズマ状態への遷移に明確な境界がないことです。
集約状態の定義は必ずしも厳密であるとは限りません。 したがって、液体の構造を保持し、流動性や形状を保持する能力がほとんどない非晶質の物体が存在します。 液晶は流体ですが、同時に固体のいくつかの特性を持ち、特に液晶を通過する電磁放射を偏光させることができます。 物理学におけるさまざまな状態を記述するには、熱力学相というより広範な概念が使用されます。 ある相から別の相への遷移を記述する現象は臨界現象と呼ばれます。
物質の凝集状態は、それが置かれている物理的条件、主に温度と圧力に依存します。 決定する量は、分子の相互作用の平均位置エネルギーとその平均運動エネルギーの比です。 したがって、固体の場合、この比率は 1 より大きく、気体の場合は 1 未満、液体の場合はほぼ 1 に等しくなります。物質の凝集のある状態から別の状態への移行には、急激な変化が伴います。この比率の値は、分子間距離と分子間相互作用の急激な変化に関連します。 気体では分子間距離が大きく、分子は互いにほとんど相互作用せず、ほぼ自由に動き、体積全体を満たします。 液体と固体、つまり凝縮媒体では、分子 (原子) は互いに非常に近くに位置し、より強く相互作用します。
これにより、その体積の液体と固体が保存されます。 ただし、固体と液体では分子の動きの性質が異なるため、構造と特性の違いが説明されます。
結晶状態の固体では、原子は結晶格子の節の近くでのみ振動します。 これらの天体の構造は、長距離および短距離の秩序という高度な秩序によって特徴付けられます。 液体の分子 (原子) の熱運動は、平衡位置付近の小さな変動と、ある平衡位置から別の平衡位置への頻繁なジャンプの組み合わせです。 後者は、液体中の粒子の配置が短距離秩序のみで存在すること、および粒子の固有の移動性と流動性を決定します。
A. 固体- ボリュームと形状を維持する能力を特徴とする状態。 固体の原子は、平衡状態の周りでわずかに振動するだけです。 長距離秩序と短距離秩序の両方があります。
b. 液体- 圧縮率が低い物質の状態。つまり、体積は十分に保持されますが、形状を保持することができません。 液体は、それが置かれた容器の形を容易にとります。 液体の原子または分子は平衡状態に近い状態で振動し、他の原子によってロックされ、他の自由な場所にジャンプすることがよくあります。 あるのは短距離命令だけだ。
溶融- これは、物質が固体の凝集状態 (物質の凝集状態を参照) から液体への遷移です。 このプロセスは、加熱されたとき、つまり一定量の熱 +Q が身体に与えられたときに発生します。 たとえば、低融点金属の鉛は、327℃の温度に加熱すると固体状態から液体状態に変化します。鉛はガスコンロ、たとえばステンレス鋼のスプーンで簡単に溶けます（これが知られています）ガスバーナーの炎の温度は600〜850℃、鋼の溶解温度は1300〜1500℃です）。
鉛を溶かしているときに温度を測定すると、最初は徐々に温度が上昇しますが、ある瞬間を過ぎると、さらに加熱しても温度は一定のままであることがわかります。 この瞬間が融解に相当します。 温度は鉛がすべて溶けるまで一定に保たれ、溶けてから再び温度が上昇し始めます。 液体鉛を冷却すると、その逆が観察されます。温度は凝固が始まるまで低下し、鉛が固相に移行するまで常に一定に保たれ、その後再び低下します。
すべての純粋な物質は同じように動作します。 溶解中の温度が一定であることは、温度計を校正したり、厳密に指定された温度で溶解するヒューズや指示計を作成したりできるため、実用上非常に重要です。
結晶内の原子は平衡位置を中心に振動します。 温度が上昇すると、発振振幅が増加し、ある臨界値に達すると、結晶格子が破壊されます。 これには追加の熱エネルギーが必要となるため、溶解プロセス中は熱が流れ続けますが、温度は上昇しません。
物質の融点は圧力に依存します。 融解中に体積が増加する物質 (およびその大部分) では、圧力の増加により融点が上昇し、その逆も同様です。 水では、融解中に体積が減少します（したがって、水が凍るとパイプが破損します）。圧力が上昇すると、氷はより低い温度で融解します。 ビスマス、ガリウム、および一部のグレードの鋳鉄も同様の挙動をします。
V. ガス- 良好な圧縮性、体積と形状の両方を維持する能力の欠如を特徴とする状態。 ガスは、供給される体積全体を占める傾向があります。 気体の原子や分子は比較的自由に動作し、それらの間の距離はそのサイズよりもはるかに大きくなります。
プラズマは物質の集合状態と呼ばれることがあり、原子の高度なイオン化という点でガスとは異なります。 宇宙のバリオン物質の大部分（質量で約 99.9%）はプラズマ状態にあります。
g.C 超臨界流体- 温度と圧力が同時に臨界点まで上昇すると起こり、その点で気体の密度が液体の密度と比較されます。 この場合、液相と気相の境界はなくなります。 超臨界流体は非常に高い溶解力を持っています。
d. ボース・アインシュタイン凝縮- ボースガスを絶対零度に近い温度まで冷却することによって得られます。 その結果、一部の原子は厳密にエネルギーがゼロの状態 (つまり、可能な限り最低の量子状態) になります。 ボース・アインシュタイン凝縮は、超流動性やフィッシュバッハ共鳴などの多くの量子特性を示します。
e. フェルミオン凝縮体- フェルミオン原子からなるガス中の「原子クーパー対」の BCS モードでのボース凝縮です。 (複合ボーソンのボース・アインシュタイン凝縮の従来のモードとは対照的)。
このようなフェルミオン原子凝縮体は超伝導体の「親戚」ですが、臨界温度は室温以上のオーダーです。
縮退物質 - フェルミガス 第 1 段階 電子の縮退ガスは白色矮星で観察され、星の進化に重要な役割を果たします。 第 2 段階は、物質が超高圧下を通過する中性子状態であり、実験室ではまだ達成できませんが、中性子星の内部に存在します。 中性子状態への遷移中に、物質の電子は陽子と相互作用して中性子に変わります。 その結果、中性子状態の物質は完全に中性子で構成され、原子核程度の密度を持ちます。 この場合の物質の温度は高すぎてはなりません（エネルギー換算で 100 MeV 以下）。
温度が大幅に上昇すると（数百 MeV 以上）、中性子の状態では、さまざまな中間子の生成と消滅が始まります。 さらに温度が上昇すると、閉じ込めが解除され、物質はクォーク・グルーオン・プラズマの状態になります。 それはもはやハドロンではなく、絶えず生まれたり消えたりするクォークとグルーオンで構成されています。 おそらく、監禁解除は 2 段階で行われます。
温度が上昇せずに圧力がさらに無制限に増加すると、物質は崩壊してブラックホールになります。
圧力と温度の両方が同時に上昇すると、他の粒子がクォークとグルーオンに追加されます。 プランク温度に近い温度で物質、空間、時間に何が起こるかはまだわかっていません。
その他の州
深冷却中、一部の (すべてではありません) 物質は超伝導状態または超流動状態になります。 もちろん、これらの状態は別々の熱力学的相ですが、非普遍性のため、物質の新しい集合状態と呼ぶにはほとんど値しません。
ペースト、ゲル、懸濁液、エアロゾルなどの不均質物質は、特定の条件下では固体と液体の両方、さらには気体の特性を示しますが、通常、物質の特定の凝集状態には分類されず、分散物質として分類されます。

温度と圧力に応じて、どんな物質でもさまざまな凝集状態をとることができます。 このような各状態は、特定の凝集状態に必要な温度と圧力の枠組み内で変化しない特定の定性的特性によって特徴付けられます。

凝集状態の特徴的な特性には、たとえば、固体状態の物体の形状を維持する能力、またはその逆の液体の物体の形状を変化させる能力が含まれます。 ただし、液晶やいわゆる「非晶質体」の場合のように、物質の異なる状態間の境界が非常に曖昧になることがあります。これらは固体のように弾性があり、液体のように流体である場合があります。

凝集状態間の遷移は、自由エネルギーの放出、密度、エントロピー、またはその他の物理量の変化によって発生する可能性があります。 ある凝集状態から別の凝集状態への転移を相転移といい、このような転移に伴う現象を臨界現象といいます。

既知の集約状態のリスト