Moddaning agregat holati

brom: suyuqlik va gaz

Agregat holat — moddaning (lotincha aggrego «birlashtiraman») muayyan harorat va bosim uyg‘unligiga bog‘liq fizik holatidir. Agregat holatning o‘zgarishi quyidagi kattaliklarning keskin o‘zgarishi bilan kechishi mumkin: erkin energiya, entropiya, zichlik va boshqa fizik kattaliklar.

An’anaviy ravishda moddaning to‘rtta agregat holati ajratiladi: qattiq, suyuq, gazsimon, plazma. Harorat ko‘tarilib, bosim o‘zgarmas bo‘lganda gazlar plazma holatiga o‘tadi. Bu o‘tishning o‘ziga xos xususiyati — plazma holatiga o‘tishning keskin chegarasi yo‘qligidir. Bundan tashqari, boshqa agregat holatlar ham mavjud.

Agregat holatlarning ta’riflari har doim ham qat’iy emas. Masalan, amorf jismlar mavjud bo‘lib, ular suyuqlik tuzilishini saqlagan holda oz miqdordagi oquvchanlik va shaklini saqlash xususiyatiga ega; suyuq kristallar esa oquvchan bo‘lsa-da, qattiq jismlarga xos ayrim xususiyatlarni ham namoyon etadi. Jumladan, ular o‘zidan o‘tadigan nurlanishni qutblantirishi mumkin; bu — elektromagnit nurlanish.

Fizikada turli holatlarni tavsiflash uchun kengroq tushuncha — termodinamik faza qo‘llanadi. Bir fazadan boshqasiga o‘tish bilan bog‘liq hodisalarning nomi — kritik hodisalar.

Moddaning agregat holatlari turlarini farqlashning asosiy termodinamik (fenomenologik) belgisi fazalar o‘rtasida energiya chegarasining mavjudligidir: bug‘lanish issiqligi suyuqlik va uning bug‘i orasidagi, erish issiqligi esa qattiq modda bilan suyuqlik orasidagi chegarani ifodalaydi.

Asosiy agregat holatlar

Qattiq holat

Kristall moddalar: atom darajasida aniqlikdagi stronsiy titanati tasviri. Yorqin atomlar — Sr, ulardan to‘qroq ko‘ringanlari — Ti.

Qattiq holatda modda ham shaklini, ham hajmini saqlaydi. Past haroratlarda barcha moddalar qotib, qattiq jismga aylanadi. Bosim oshirilganda qotish harorati biroz ko‘tarilishi mumkin. Qattiq jismlar kristall va amorf turlarga bo‘linadi. Mikroskopik nuqtayi nazardan qattiq jismlarning o‘ziga xos xususiyati shundaki, ulardagi molekulalar yoki atomlar uzoq vaqt davomida o‘zining o‘rtacha joylashuvini o‘zgartirmaydi, faqat shu joy atrofida kichik amplituda bilan tebranadi. Kristallarda atomlar yoki molekulalarning o‘rtacha joylashuvi qat’iy tartiblangan. Kristallarning xususiyati — atomlarning muvozanat holatlari fazoda davriy tartibda joylashganidir. Bu uzoq masofali tartib mavjudligi tufayli yuzaga keladi va kristall panjara deb ataladi. Kristallarning tabiiy shakli muntazam ko‘pyoqliklardan iborat.

Amorf jismlarda atomlar tartibsiz joylashgan nuqtalar atrofida tebranadi. Ularda uzoq masofali tartib bo‘lmasa-da, yaqin masofali tartib saqlanadi: molekulalar bir-biriga zich joylashgan, ular orasidagi masofalar molekula tarkibidagi atomlar orasidagi masofalar bilan taqqoslanadi. Klassik tasavvurlarga ko‘ra, qattiq jismning barqaror holati (potensial energiyasi eng kichik bo‘lgan holati) kristall holatdir. Shishasimon holat amorf holatning alohida ko‘rinishidir. Amorf jism metastabil holatda bo‘ladi va vaqt o‘tishi bilan kristall holatga o‘tishi kerak. Biroq kristallanish vaqti shu qadar uzoq bo‘lishi mumkinki, metastabillik deyarli namoyon bo‘lmaydi. Amorf jismni qovushoqligi juda katta (ko‘pincha cheksiz katta) bo‘lgan suyuqlik sifatida qarash mumkin. Kristall qattiq jismlar anizotrop xususiyatga ega, ya’ni ularning tashqi kuchlarga javobi kuchning kristallografik o‘qlarga nisbatan yo‘nalishiga bog‘liq. Qattiq holatda moddalar tuzilishi yoki boshqa xususiyatlari, masalan, ferromagnetiklardagi spinlarning tartiblanishi bilan farqlanadigan ko‘plab fazalarda bo‘lishi mumkin.

Suyuq holat

Klassik bir atomli suyuqlikning tuzilishi.

Suyuq holatda modda hajmini saqlaydi, ammo shaklini saqlamaydi. Suyuq holat odatda qattiq jism va gaz o‘rtasidagi oraliq holat deb hisoblanadi. Suyuq jismlarning shakli to‘liq yoki qisman ularning sirti elastik parda kabi tutishi bilan belgilanadi. Masalan, suv tomchilar hosil qilishi mumkin. Suyuqlik aralashtirilganda yoki uning ichki qismi bilan sirtidagi harorat farqlanganda, uning sirti harakatsiz turgan holda ichki qismi oqishi mumkin. Suyuqlik molekulalarining aniq, o‘zgarmas joylashuvi yo‘q, lekin ular ham to‘liq erkin harakatlana olmaydi. Molekulalar o‘rtasida ularni bir-biriga yaqin masofada tutib turadigan darajada kuchli tortishish mavjud. Modda suyuq holatda muayyan harorat oralig‘ida mavjud bo‘ladi. Bu oraliqdan pastda u qattiq holatga o‘tadi (kristallanish yoki qattiq amorf holat — shishaga aylanish sodir bo‘ladi), undan yuqorida esa gazsimon holatga o‘tadi (bug‘lanish yuz beradi). Bu oraliqning chegaralari bosimga bog‘liq. Odatda suyuq holatdagi moddaning faqat bitta modifikatsiyasi bo‘ladi. (Eng muhim istisnolar — kvant suyuqliklari va suyuq kristallar.) Shu sababli ko‘pchilik hollarda suyuqlik nafaqat agregat holat, balki termodinamik faza (suyuq faza) ham hisoblanadi. Barcha suyuqliklar odatda sof suyuqliklar va aralashmalarga ajratiladi. Ayrim suyuq aralashmalar hayot uchun juda muhim: qon, dengiz suvi va boshqalar. Suyuqliklar erituvchi vazifasini bajarishi mumkin. Gazlar kabi, suyuqliklar ham asosan izotrop xususiyatga ega. Biroq anizotrop xususiyatli suyuqliklar ham mavjud — suyuq kristallar. Bu moddalar — mezogenlar — izotrop, ya’ni normal fazadan tashqari, bir yoki bir nechta tartiblangan termodinamik fazaga ega bo‘lib, ular mezofazalar deb ataladi. Mezofazalarning shakllanishi suyuq kristallar molekulalarining o‘ziga xos shakliga bog‘liq. Odatda ular uzun va ingichka molekulalar bo‘lib, o‘qlari bir yo‘nalishda mos keladigan tarzda joylashishi energetik jihatdan qulaydir.

Gazsimon holat

Gaz molekulalari orasidagi masofa juda katta. Ularning o‘zaro bog‘lanishi juda kuchsiz. Gazdagi molekulalar erkin va tez harakatlanishi mumkin.

Gazsimon holatda modda na shaklini, na hajmini saqlaydi, balki o‘ziga mavjud bo‘lgan butun hajmni egallaydi. Bunday holat zichligi past moddalarga xosdir. Suyuq holatdan gazsimon holatga o‘tish bug‘ hosil bo‘lishi, unga teskari, ya’ni gazsimon holatdan suyuq holatga o‘tish esa kondensatsiya deyiladi. Suyuqlik holatiga o‘tmasdan qattiq holatdan to‘g‘ridan-to‘g‘ri gazsimon holatga o‘tish sublimatsiya yoki vozgonka (возгонка) deb ataladi. Mikroskopik nuqtayi nazardan gaz — alohida molekulalari o‘zaro kuchsiz ta’sirlashadigan va tartibsiz harakatlanadigan modda holatidir. Molekulalar orasidagi ta’sirlashuv vaqti-vaqti bilan sodir bo‘ladigan to‘qnashuvlardan iborat. Molekulalarning kinetik energiyasi potensial energiyasidan yuqori bo‘ladi. Suyuqliklar singari gazlar ham oquvchanlik xususiyatiga ega va deformatsiyaga qarshilik ko‘rsatadi. Biroq suyuqliklardan farqli ravishda gazlar doimiy hajmga ega emas, erkin sirt hosil qilmaydi va mavjud bo‘lgan barcha hajmni (masalan, idish hajmini) to‘ldirishga intiladi. Gazlar va ularning aralashmalari kimyoviy xossalariga ko‘ra juda xilma-xil: faolligi past inert gazlardan tortib portlovchi gaz aralashmalarigacha mavjud. Ba’zan «gaz» tushunchasi faqat atom va molekulalar to‘plamiga emas, balki boshqa zarrachalar — fotonlar, elektronlar, Broun zarrachalari to‘plamlariga hamda plazmaga nisbatan ham qo‘llanadi. Ayrim moddalar gazsimon holatga ega emas. Bular murakkab kimyoviy tuzilishga ega moddalar bo‘lib, harorat oshganda gaz holatiga o‘tishdan oldin kimyoviy reaksiyalar natijasida parchalanadi. Bitta moddaning turli gazsimon termodinamik fazalari mavjud emas. Gazlarga izotroplik, ya’ni xususiyatlarining yo‘nalishga bog‘liq emasligi xosdir. Odamga odatiy bo‘lgan Yer sharoitida gazning zichligi har bir nuqtada bir xil bo‘ladi, ammo bu umumiy qonun emas: tashqi maydonlarda, masalan, Yerning tortishish maydonida yoki haroratlar turlicha bo‘lganda gaz zichligi bir nuqtadan boshqasiga o‘zgarishi mumkin. Moddaning shu modda barqaror suyuq yoki qattiq fazada ham mavjud bo‘la oladigan sharoitdagi gazsimon holati odatda bug‘ deb ataladi.

Plazma

Dekorativ plazma chirog‘i.

Moddaning to‘rtinchi agregat holati ko‘pincha plazma deb ataladi. Plazma qisman yoki to‘liq ionlashgan gaz bo‘lib, muvozanat holatida odatda bir necha ming K va undan yuqori haroratda hosil bo‘ladi. Yer sharoitida plazma gaz razryadlarida yuzaga keladi. Uning xossalari moddaning gazsimon holatiga o‘xshaydi, ammo plazmada elektrodinamika hal qiluvchi ahamiyatga ega: ya’ni ionlar va elektronlar bilan bir qatorda elektromagnit maydon ham plazmaning teng huquqli tarkibiy qismi hisoblanadi.

Plazma — Koinotda moddaning eng keng tarqalgan agregat holatidir. Yulduzlar moddasining hamda sayyoralararo, yulduzlararo va galaktikalararo fazoni to‘ldirgan moddaning holati shundaydir. Koinotdagi barion moddaning katta qismi (massasi bo‘yicha taxminan 99,9 %) plazma holatidadir.

Fazaviy o‘tish

Fazaviy o‘tish faza diagrammasi bo‘yicha uning intensiv parametrlari (harorat, bosim va hokazolar) o‘zgarganda tizim ikki fazani ajratib turuvchi chiziqdan o‘tganida sodir bo‘ladi. Turli termodinamik fazalar turli holat tenglamalari bilan tavsiflangani uchun fazaviy o‘tish paytida keskin o‘zgaradigan biror kattalikni har doim topish mumkin.

Birinchi turdagi fazaviy o‘tishda eng asosiy, birlamchi ekstensiv parametrlar: solishtirma hajm, to‘plangan ichki energiya, konsentratsiya va boshqa komponentlar miqdori keskin o‘zgaradi. Ikkinchi turdagi fazaviy o‘tishlar modda tuzilishining simmetriyasi o‘zgarganida sodir bo‘ladi (simmetriya butunlay yo‘qolishi yoki pasayishi mumkin).

Past haroratli holatlar

O‘ta oquvchanlik

Moddaning harorat mutlaq nolga yaqinlashganda paydo bo‘ladigan alohida holatda (kvant suyuqligi, ya’ni termodinamik fazada) tor tirqish va kapillyarlar orqali ishqalanishsiz oqib o‘tish qobiliyati. Yaqin vaqtgacha o‘ta oquvchanlik faqat suyuq geliyda, biroq so‘nggi yillarda bu hodisa boshqa tizimlarda ham, jumladan, siyrak atomli Boze kondensatlarida, qattiq geliyda ham aniqlangan.

O‘ta oquvchanlik quyidagicha tushuntiriladi. Geliy atomlari bozonlar bo‘lgani sababli, kvant mexanikasi bitta kvant holatida istalgan miqdordagi zarrachalar bo‘lishiga yo‘l qo‘yadi. Harorat mutlaq nolga yaqinlashganda geliyning barcha atomlari eng past energetik holatda bo‘ladi. Energiya sathlari diskret bo‘lgani sababli atom istalgan miqdordagi energiyani emas, balki faqat qo‘shni energetik sathlar orasidagi farqqa teng energiyani qabul qilishi mumkin. Biroq past haroratda to‘qnashuv energiyasi bu farqdan kichik bo‘lishi mumkin, natijada energiya sochilishi sodir bo‘lmaydi. Suyuqlik ishqalanishsiz oqadi.

Boze — Eynshteyn kondensati

Bu holat boze-gazni mutlaq nolga yaqin haroratlargacha sovitish natijasida hosil bo‘ladi. Shunchalik kuchli sovitilgan holatda atomlarning ancha katta qismi o‘zining eng past kvant holatlarida joylashadi va kvant effektlari makroskopik miqyosda namoyon bo‘la boshlaydi. Boze — Eynshteyn kondensati quyidagi kabi bir qancha kvant xususiyatlarni namoyon etadi: o‘ta oquvchanlik va Feshbax rezonansi[ingl.].

Fermion kondensati

Fermion kondensati — Boze kondensatsiyasining BCS rejimida «atomli Kuper juftlari» orqali yuzaga keladigan atom-fermionlar gazlaridagi kondensatsiyadir. (Bu murakkab bozonlarning an’anaviy Boze — Eynshteyn kondensatsiyasi rejimidan farq qiladi.)

Bunday fermion atom kondensatlari o‘ta o‘tkazgichlarga «qarindosh» hisoblanadi, lekin ularning kritik harorati xona harorati va undan yuqori darajada bo‘ladi.

Degeneratsiyalangan gaz

Gazning xususiyatlariga uning zarralari bir xilligi tufayli yuzaga keladigan kvant-mexanik effektlar sezilarli ta’sir ko‘rsatadi. Degeneratsiya gaz zarrachalari orasidagi masofalar de Broyl to‘lqinining uzunligiga yaqinlashganda sodir bo‘ladi; spiniga qarab ikki xil degeneratsiyalangan gaz farqlanadi: fermionlardan (yarim butun spinli zarralardan) tashkil topgan fermi-gaz va bozonlardan (butun spinli zarralardan) tashkil topgan boze-gaz.

O‘ta oquvchan qattiq jism

Bu — kvant suyuqligining qattiq jism xossalari va o‘ta oquvchanlikka ega termodinamik fazasi.

Yuqori energiyali holatlar

Glazma

To‘qnashuvlarda adron maydonining kvark-glyuon plazmasidan oldingi holati. U rangli oqim naychalaridan tashkil topadi. Glazma «rangli shisha kondensati» (ingl. color glass condensate) deb ataluvchi, yuqori zichlik sharoitida kuchli o‘zaro ta’sirni tavsiflashga xizmat qiladigan nazariy modelning o‘ziga xos xususiyatidir.

Glazma adronlar bir-biri bilan to‘qnashganda (masalan, protonlar protonlar bilan, ionlar ionlar bilan, shuningdek ionlar protonlar bilan to‘qnashganda) hosil bo‘ladi. Bundan tashqari, Koinot evolyutsiyasida glazma holati Katta portlashdan keyingi dastlabki soniyaning milliondan bir ulushlarida mavjud bo‘lgan kvark-glyuon plazmasidan oldin kelgan deb hisoblanadi. Glazmaning mavjud bo‘lish muddati — bir necha yoktosekund.

Kvark-glyuon plazmasi

Bu — yuqori energiyalar fizikasida va elementar zarralar fizikasida adron moddasining oddiy elektronlar va ionlar plazmada qanday holatda bo‘lsa, shunga o‘xshash holatga o‘tishidir. Bundan oldin glazma holati kuzatiladi (glazma termallashadi, ya’ni parchalanib, tartibsiz harakatlanuvchi juda ko‘p kvarklar, antikvarklar va glyuonlardan iborat kvark-glyuon plazmasini hosil qiladi).

Yuqori bosimdagi holatlar

Neytron holati

Faqat neytronlardan iborat bo‘lgan, boshqa holatlardan tubdan farq qiladigan modda holati. Modda laboratoriyada hozircha erishib bo‘lmaydigan, ammo neytron yulduzlar ichida mavjud bo‘lgan o‘ta yuqori bosim ostida neytron holatiga o‘tadi. Neytron holatiga o‘tishda modda elektronlari protonlar bilan birikib, neytronlarga aylanadi. Buning uchun gravitatsiya kuchlari moddani elektronlarning itarilish kuchini yengadigan darajada siqishi lozim. Bu itarilish Pauli prinsipi bilan bog‘liq. Natijada neytron holatidagi modda butunlay neytronlardan tashkil topadi va uning zichligi yadro moddasining zichligiga yaqin bo‘ladi. Bunda moddaning harorati juda yuqori bo‘lmasligi kerak (energetik ekvivalentda — yuzlab MeV atrofida).

Boshqa holatlar

Qorong‘i materiya

Bu — materiyaning elektromagnit nurlanish chiqarmaydigan va u bilan o‘zaro ta’sirlashmaydigan shaklidir. Ushbu xususiyat tufayli uni bevosita kuzatish imkonsiz. Biroq qorong‘i materiyaning mavjudligini uning gravitatsion ta’sirlari orqali aniqlash mumkin.

Qorong‘i materiyaning mohiyatini aniqlash yashirin massa muammosini hal qilishga yordam beradi. Bu muammoning bir ko‘rinishi — tashqi qismlari anomal darajada tez aylanuvchi galaktikalar.

O‘ta kritik flyuid

Bu — moddaning suyuq va gazsimon fazalari orasidagi farq yo‘qoladigan holat. Harorati ham, bosimi ham kritik nuqtadan yuqori bo‘lgan har qanday modda o‘ta kritik suyuqlik holatida bo‘ladi. O‘ta kritik holatdagi moddaning xususiyatlari uning gazsimon va suyuq fazalardagi xususiyatlari orasidagi oraliq o‘rinni egallaydi. Masalan, o‘ta kritik flyuid (OKF) suyuqliknikiga yaqin yuqori zichlikka va past qovushoqlikka ega; fazalararo chegara bo‘lmaganda sirt tarangligi ham yo‘qoladi. Bunda diffuziya koeffitsiyenti suyuqlik va gazga xos qiymatlar oralig‘ida bo‘ladi. O‘ta kritik holatdagi moddalar laboratoriya va sanoat jarayonlarida organik erituvchilar o‘rnini bosuvchi vosita sifatida qo‘llanishi mumkin. O‘ziga xos xususiyatlari tufayli o‘ta kritik suv va o‘ta kritik karbonat angidrid eng ko‘p qiziqish uyg‘otgan va keng tarqalgan.

Degeneratsiyalangan materiya

  • Fermi-gaz — 1-bosqich: elektronlari degeneratsiyalangan gaz, u oq mitti yulduzlarda kuzatiladi va yulduzlar evolyutsiyasida muhim rol o‘ynaydi.
  • 2-bosqich — neytron holati: modda laboratoriyada hozircha hosil qilish imkonsiz, ammo neytron yulduzlari ichida uchraydigan o‘ta yuqori bosimda ushbu holatga o‘tadi. Neytron holatiga o‘tish chog‘ida modda elektronlari protonlar bilan o‘zaro ta’sirlashib, neytronlarga aylanadi. Natijada neytron holatidagi modda butunlay neytronlardan tashkil topadi va uning zichligi yadro moddasining zichligiga teng darajada bo‘ladi. Bunda moddaning harorati trillion darajadan past bo‘lishi kerak (energetik ekvivalentda yuz MeV dan oshmasligi lozim).
  • Neytron holatida harorat yuz MeV dan oshganda turli mezonlar hosil bo‘lib, annigilyatsiyaga uchray boshlaydi. Harorat yanada oshganda dekonfaynment sodir bo‘ladi va modda kvark-glyuon plazmasi holatiga o‘tadi. Endi u adronlardan emas, balki uzluksiz hosil bo‘lib va yo‘qolib turadigan kvarklar hamda glyuonlardan iborat bo‘ladi. Ehtimol, dekonfaynment ikki bosqichda sodir bo‘ladi.
  • Haroratni oshirmasdan bosimni cheksiz oshirishda modda kollapsga uchrab qora tuynukka aylanadi
  • Bosim va harorat bir vaqtda oshirilganda kvarklar va glyuonlarga boshqa zarrachalar ham qo‘shiladi. Plank haroratiga yaqin haroratlarda modda, fazo va vaqtga nima bo‘lishi hozircha noma’lum.

Adabiyotlar

Havolalar