Материя состоит из: Недопустимое название

Содержание

Материя и энергия: ложная дихотомия / Хабр

Частенько, читая статьи о Вселенной или о физике частиц, можно встретить фразу, упоминающую «материю и энергию» так, будто они – две противоположности, или два партнёра, или две стороны одной монеты, или два класса, из которых состоит всё остальное. Это всплывает во многих контекстах. Иногда можно увидеть, как поэтически описывают Большой взрыв в качестве момента возникновения всей «материи и энергии» Вселенной. Можно прочесть, что «материя и антиматерия аннигилируют в чистую энергию». И конечно, вспомним две величайших загадки астрономии – «тёмная материя» и «тёмная энергия».

Как учёный и специалист, пишущий на научные темы, я испытываю раздражение от такой терминологии, не потому, что она абсолютно неправильная, а потому, что такие разговоры вводят в заблуждение людей, не занимающихся наукой. Для физиков она мало что означает. Эти поэтические эпитеты относятся к тому, что чётко определено в математике и экспериментах, и двусмысленные определения просто коротко выражают длинные точные фразы. Но тех, кто не является экспертом, это очень запутывает, поскольку в каждом из контекстов используется своё определение материи, и своё значение слова «энергия» – иногда даже архаичное или просто неправильное. И любой из способов подразумевает, что всё существующее может быть либо материей, либо энергией – а это не так. На самом деле материя и энергия вообще относятся к разным категориям – это как говорить в одном предложении о яблоках и орангутангах, или о небесах и червях, или о птицах и пляжных мячах.

На этом сайте я постараюсь быть более точным, чтобы помочь читателю избежать путаницы, возникающей из такого способа выражаться.

Вкратце

Поскольку статья длинная, я надеюсь, что она будет информативной и просветит всех, кто любит углубляться в детали. А тут я просуммирую всё, что в ней говорится:

• Материя и энергия не принадлежат к одному классу понятий и не должны образовывать в представлении человека какую-то пару.

• Материя – термин неоднозначный. Для неё существует несколько разных определений, использующихся как в научной литературе, так и в научно-популярной. Каждое определение охватывает определённое подмножество частиц. То есть, материя – это всегда какое-то вещество, но какое именно – зависит от контекста.

• Энергия – термин однозначный (по крайней мере, в физике). Но энергия – это не вещество. Это то, что есть у вещества.

• Термин «тёмная энергия» вносит путаницу, поскольку это не только энергия. Это и не вещество. Какое-то вещество может частично отвечать за её присутствие, но детали нам неизвестны.

• Фотоны не нужно называть «энергией», или «чистой энергией». Все частицы – это возмущение полей, и у них есть энергия. Фотоны ничем особенным не выделяются. Фотоны – это вещество, а энергия – нет.

• Всё вещество Вселенной состоит из полей (простейших составляющих Вселенной) и их частиц. Это точка зрения относится ко времени после 1973 года.

Что такое материя (и энергия)?

Для начала определимся с терминами.

«Материя» – ужасно многозначный термин. Для него нет универсального определения, не зависящего от контекста. В различных местах используются как минимум три определения. Материей могут называть:

1. Атомы, основные строительные блоки того, что мы воспринимаем, как «материал» – стол, воздух, камень, кожа, апельсиновый сок – и те частицы, из которых состоят сами атомы, включая электроны, а также протоны и нейтроны, составляющие ядро атома.

2. Элементарные «материальные частицы» природы: электроны, мюоны, тау, три типа нейтрино, шесть типов кварков – все типы частиц, не переносящих взаимодействия (т.е. кроме фотонов, глюонов, гравитонов, W и Z). Интересно, что частица Хиггса не желает укладываться в эту удобное разделение на частицы материи и частицы взаимодействий, потому, что эта классификация изначально немного искусственная.

3. Классы частиц, которые можно встретить во Вселенной, и которые в среднем двигаются медленнее света.

По любому из этих определений электроны будут относиться к материи (хотя по третьему определению они не были материей в ранние периоды истории Вселенной, когда она была гораздо горячее). По второму определению мюоны – это тоже материя, как и нейтрино, хотя из них не состоит никакой обычный материал. По третьему определению некоторые нейтрино могут быть материей, а могут и не быть, а тёмная материя однозначно будет материей, даже если окажется, что она состоит из нового типа частиц, переносящих взаимодействия. Мне очень жаль, что эти определения настолько запутаны, но если вы хотите знать, что означает «материя» в различных книгах и статьях, вам нужно разобраться в разных способах использования этого термина.

«Энергия», к счастью (в том смысле, в котором её используют физики) – вполне чётко определённое понятие, с которым согласны все физики. К сожалению, у этого слова есть столько значений в английском [и русском] языке, что очень легко запутаться, разбираясь, что имеют в виду физики. Я кратко описывал различные формы физической энергии в статье о массе и энергии. Пока что достаточно сказать, что энергия – это не объект. Атом – объект, энергия – нет. Энергией могут обладать объекты и группы объектов – это свойство объектов, описывающее их поведение и их связи между собой. Нам же достаточно знать, что частицы, двигающиеся сами по себе сквозь пространство, могут обладать двумя типами энергий: энергией массы (E= mc², не зависящей от движения частицы) и энергией движения (эта энергия равна нулю у покоящейся частицы и становится тем больше, чем быстрее она двигается).

Аннигиляция частиц и античастиц – это не превращение материи в энергию

Рассмотрим такое представление, как «материя и антиматерия, аннигилирующие в чистую энергию». Проще говоря, это неправда, по нескольким причинам.

Чуть выше я дал вам три разных определения материи. Рассказывая про аннигиляцию частиц и античастиц, докладчик может иметь в виду первое или второе из них. Я хочу обсудить аннигиляцию электрона и антиэлектрона (или позитрона), или аннигиляцию мюона и антимюона. Детали этого процесса описаны в статье про аннигиляцию частиц и античастиц.

Что имеется в виду под «чистой энергией»? Чаще всего так описывают фотоны, и обычно – в контексте электрона и позитрона (или другой массивной частицы и античастицы). Но так делать очень плохо. Энергия – это то, чем обладают фотоны, а не то, чем они являются. У меня есть рос и вес – но это не означает, что я – это рост и вес.

Термин «чистая энергия» – смесь поэзии, краткого описания и мусора. Поскольку у фотонов нет массы, у них нет энергии массы, поэтому их энергия – это «чисто энергия движения». Но это не то же самое, что сказать: «Фотон – это ‘чистая энергия’», что в строгой физике, что в представлении дилетанта. Фотоны – это частицы, такие же, как электроны. И те, и другие – это рябь соответствующих полей, и у обоих есть энергия. У аннигилировавших электрона и позитрона тоже есть энергия – столько же энергии, сколько будет у фотонов, в которые они аннигилировали, поскольку энергия сохраняется (общее количество энергии не изменяется при аннигиляции).

Более того, процесс превращения мюона и антимюона в два фотона происходит точно так же и случается почти с такой же вероятностью, как процесс превращения мюона и антимюона в электрон и позитрон, то есть аннигиляцию материи и антиматерии в другой тип материи и антиматерии. Неважно, какими словами выражаться, всё равно нельзя сказать, что материя и антиматерия всегда аннигилируют во что-то, что можно было бы даже приближённо называть «энергией»; существуют другие возможности.

Поэтому я не использую в статьях выражения «материя и энергия», говоря об аннигиляции. Я просто называю процесс его именем:

частица 1 + античастица 1 → частица 2 + античастица 2

При такой терминологии понятно, почему мюон и антимюон аннигилируют в два фотона, или в электрон и позитрон, или в нейтрино и антинейтрино одинаковым способом. Это всё процессы одного класса. Не нужно создавать несуществующей классификации, запутывающей универсальность процесса аннигиляции частицы/античастицы.

В общем и целом, материя и энергия – это ещё не всё

Почему люди иногда говорят о «материи и энергии», будто всё вокруг – это либо материя, либо энергия? Не знаю, в каком контексте изобрели это выражение. Язык отражает историю, и часто медленно реагирует на новую информацию. Часть проблемы в том, что с 1900 по 1980 происходили огромные изменения в физических концепциях, связанных с миром и с тем, из чего он состоит. Сейчас этот процесс почти остановился. В течение моей карьеры он был удивительно стабильным.

Наше текущее представление о физическом мире сформировалось благодаря широкому кругу экспериментов и открытий, случившихся в 1950-е, 60-е и 70-е. Но предыдущие способы мышления и рассуждения по поводу физики частиц не вымирали вплоть до 1980-х и 90-х, когда я учился и был молодым учёным. И неудивительно – у людей, выросших со старыми представлениями, уходит много времени на то, чтобы перестроится на новые, а некоторые так и не перестраиваются. Новому видению требуется время для того, чтобы оформиться и разобраться со всеми мелкими недостатками.

Сегодня, говоря о мире в контексте современной точки зрения, в первую очередь нужно говорить о «полях и их частицах». Поля – основные составляющие мира, согласно современной доминирующей парадигме. Поля кажутся нам более фундаментальными, чем частицы, поскольку элементарной частицы без поля не бывает, а поле без частицы – бывает. Но получается так, что у каждого из известных нам полей есть известная нам частица.

Что же общего у «полей и частиц» с «материей и энергией»? Мало чего. Некоторые поля и частицы вы могли бы назвать «материей», но какие из них – материя, а какие – нет, зависит от используемого вами определения материи. Но у всех полей и частиц может быть энергия, при этом они энергией не являются.

Частицы материи и частицы взаимодействий

В своих статьях я разделяю известные частицы на «частицы материи» и «частицы взаимодействий». Мне это не нравится, поскольку такое разделение искусственно. Пока что оно работает; частицы взаимодействий и их античастицы ассоциируются с четырьмя известными нам на сегодня взаимодействиями в природе, а частицы материи и их античастицы – это всё остальное. Во многих случаях такое разделение удобно. Но на Большом адронном коллайдере мы можем открыть частицы, не укладывающиеся в эти категории, и даже с частицей Хиггса есть определённые проблемы.

Существует совсем другое разделение, имеющее смысл: то, что я называю частицами материи, это фермионы, а то, что я называю частицами взаимодействий – это бозоны. Но и это может поменяться после новых открытий.

На самом деле всё сводится к тому, что все частицы в природе – это просто частицы, некоторые из которых служат античастицами друг другу, и не существует уникального способа поделить их на классы. Я использую слова «материя» и «взаимодействие», поскольку это звучит не так абстрактно, как «фермионы» и «бозоны» – но возможно, что я пожалею об этом, поскольку мы можем обнаружить частицы, нарушающие это разделение.

Материя и энергия во Вселенной

Ещё одно место, где мы встречаем эти слова – это история и свойства космоса в целом. Мы читаем про материю, излучение, тёмную материю и тёмную энергию. Использование этих слов космологами отличается от ожидаемого – и на самом деле у них есть два-три разных значения, зависящих от контекста.

Материя и антиматерия: говорящие о них люди имеют в виду первое определение из трёх. Они обычно говорят о превалировании материи над антиматерией во Вселенной – о том, что частиц, составляющих обычное вещество (электронов, протонов и нейтронов) гораздо больше, чем их античастиц.

Материя и излучение: такое разделение подразумевает третье определение из списка. У Вселенной есть температура. Сначала она была очень горячей, а потом постепенно остывала, и теперь она находится на отметке в 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Если у вас есть газ (или плазма) из частиц при заданной температуре T, и вы меряете энергии этих частиц, вы обнаружите, что средняя энергия движения частицы будет k T, где k – знаменитая константа Больцмана. В этом смысле, материя – это любая частица, чья энергия массы mc² больше средней энергии движения kT. У таких частиц скорость будет гораздо меньше скорости света. Излучение – это любая частица, чья энергия массы мала по сравнению с kT, и, следовательно, она движется со скоростью, близкой к световой.

Получается, что в этом контексте то, что является, а что – не является материей, зависит от температуры, и, следовательно, от времени! В ранней Вселенной, в которой температуры составляли триллионы градусов и больше, электрон был тем, что космологи посчитали бы излучением. Сегодня в холодной Вселенной электрон попадает в категорию материи. В современной Вселенной, согласно этому определению, по меньшей мере, два из трёх типов нейтрино – это материя, а может, и все три. Но в ранней Вселенной все три нейтрино были излучением. Фотоны всегда были и будут излучением, поскольку они безмассовые.

Что такое тёмная материя? Исходя из изучения движений звёзд и других техник, мы можем сказать, что большая часть массы галактик заключается в чём-то, что не светится, и на доказательства того, что за это не отвечают известные нам частицы, ведущие себя обычным образом, было потрачено много сил. Для объяснения этого эффекта было предложено множество теорий, и многие из них были опровергнуты (обычно путём наблюдения за внешним видом и поведением галактик). Из оставшихся теорий одна из ведущих говорит о том, что тёмная материя состоит из тяжёлых частиц неизвестного типа. Но больше о них мы ничего не знаем. Эксперименты могут дать нам новую информацию, хотя это не гарантировано. Отмечу: может оказаться, что нет смысла говорить о тёмных античастицах, поскольку частицы тёмной материи, как фотоны или Z-частицы, могут оказаться своими собственными античастицами.

А тёмная энергия? Недавно было открыто, что Вселенная расширяется с ускорением, а не с замедлением, как это было в ранние годы. Предположительно, за это отвечает то, что называется «тёмной энергией», но на самом деле это не энергия. Как любит говорить мой коллега Шон Кэррол, это напряжение, а не энергия – комбинация давления и плотности энергии. Почему же её называют энергией? Частично – из-за связей с общественностью. Тёмная энергия круто звучит. Тёмное напряжение звучит странно, как и любое другое более-менее подходящее слово. В каком-то смысле это безобидная вещь. Учёные знают, о чём идёт речь, и терминология не доставляет проблем с технической стороны. Большей части публики всё равно, о чём идёт речь, поэтому можно сказать, что с нетехнической стороны проблемы тоже нет. Но если вам действительно захочется в этом разобраться, важно понимать, что тёмная энергия – это не тёмная форма энергии, но нечто более тонкое. Более того, как и энергия, тёмная энергия – это не объект и не набор объектов, а свойство, которым могут обладать поля или комбинации полей пространства-времени. Нам пока неизвестно, что отвечает за тёмную энергию, о существовании которой мы судим по ускоряющейся Вселенной. И до того, как мы это узнаем, может пройти немало времени.

Кстати, знаете ли вы, что имеют в виду астрономы под «металлами»? Не то, что вы думаете…

По прочтению статьи у вас могло сложиться впечатление, что современные физики не особенно изобретательно, творчески или чётко обходятся с языком. Очевидно, это не наша сильная сторона. Большой взрыв? Чёрная дыра? Поэты всего мира никогда не простят нам выбора таких тупых названий для таких фантастических явлений…

«Из чего состоит материя? Существует ли неделимая частица?» — Яндекс Кью

Материя состоит из мельчайших частиц

Обзор урока для учителей

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать, что вы и ваши ученики будете делать на этом уроке.

Идентификатор Youtube: Ll2ao9Irwgg

Загружаемые файлы:
План урока (PDF) | Лист активности учащихся (PDF) | Студенческое чтение (PDF) | История учителя (PDF) | Подключения к NGSS (PDF)

Цель

Учащиеся разработают модель, описывающую, что материя состоит из мельчайших частиц, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть. Студенты будут использовать модель для описания различий в притяжении между частицами твердого тела, жидкости и газа. Наконец, учащиеся будут использовать свои модели твердых тел, жидкостей и газов, чтобы объяснить свои наблюдения на уроке.

Ключевые понятия

Материя на Земле находится в твердом, жидком или газообразном состоянии.
Твердые тела, жидкости и газы состоят из крошечных частиц, называемых атомами и молекулами .
В твердом теле частицы сильно притягиваются друг к другу. Они расположены близко друг к другу и вибрируют в одном положении, но не проходят мимо друг друга.
В жидкости частицы притягиваются друг к другу, но не так сильно, как в твердом теле. Частицы жидкости находятся близко друг к другу, всегда движутся и могут скользить друг относительно друга.
В газе частицы очень слабо притягиваются друг к другу. Они находятся очень далеко друг от друга по сравнению с частицами в твердом теле или жидкости и постоянно движутся. Частицы не взаимодействуют друг с другом, а просто ударяются и отскакивают друг от друга при столкновении.

Выравнивание NGSS

NGSS 5-PS1-1: Разработайте модель, описывающую, что материя состоит из частиц, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть.

Резюме

Учащиеся знакомятся с идеей о том, что материя состоит из мельчайших частиц, называемых атомами и молекулами.
Учащиеся наблюдают за цельнометаллическим молотком и гвоздем и просматривают анимацию молекулярной модели частиц в твердом теле.
Учащиеся сжимают гибкую пластиковую бутылку с воздушным шаром сверху бутылки, чтобы разработать модель частиц газа.
Студенты также пытаются сжать бутылку с водой, чтобы создать модель частиц жидкости.
Учащиеся смотрят короткую анимацию, иллюстрирующую невероятно крошечные размеры атомов и молекул.
Наконец, студенты выдвигают аргумент, что, хотя горка крема для бритья сохраняет свою форму, она не является твердой, и что даже если песок принимает форму контейнера, он не является жидкостью.

Оценка

Распечатайте лист с заданиями учащегося и раздайте по одному учащемуся, если это указано в задании. Рабочий лист будет служить компонентом оценки плана урока 5-E.

Безопасность

Убедитесь, что вы и ваши ученики носите правильно подобранные защитные очки.

Уборка и утилизация

Напомните учащимся мыть руки после выполнения заданий.
Сохраните бутылки и песок для будущего использования. Все другие обычные бытовые или школьные материалы можно сохранить или утилизировать обычным образом.

Материалы

Демонстрационные материалы

Молоток, гвоздь и дерево

Материалы для каждой группы

Гибкая пластиковая бутылка из-под содовой (18-20 унций) с крышкой
Воздушный шар

Примечание: гибкие пластиковые бутылки из-под газировки работают лучше, чем одноразовые бутылки из-под воды , потому что бутылки из-под воды часто не очень гибкие и имеют тенденцию полностью разрушаться при сжатии.

Материалы для демонстрации EXTRA EXTEND

Крем для бритья
Маленькая пластиковая или бумажная тарелка
Песок
2 прозрачных пластиковых стаканчика

Engage

1. Продемонстрируйте, что молоток представляет собой твердое тело.

Скажите учащимся, что все, что они могут увидеть и потрогать, называется материей . Объясните, что вся материя на Земле существует в виде твердого тела, жидкости или газа и что все твердые тела, жидкости и газы состоят из мельчайших частиц, называемых атомов и молекул .

Скажите учащимся, что атом — это наименьший строительный блок материи, а молекула — это два или более атомов, соединенных вместе. Атомы и молекулы настолько малы, что мы их не видим. Ученые используют модели, чтобы попытаться понять поведение атомов и молекул и помочь объяснить свойства материи.

Примечание: Несмотря на то, что атомы и молекулы разные, в целях этого урока они оба будут представлены одинаково в виде круга или сферы. В последующих уроках они будут показаны на разных моделях.

Материалы

Молоток
Гвоздь
Дерево

Процедура

Используйте молоток, чтобы частично вбить гвоздь в кусок дерева.
Поднимите молоток и объясните учащимся, что твердые твердые материалы, такие как металл молотка, состоят из атомов, которые сильно притягиваются друг к другу, поэтому они крепко держатся друг за друга.

Примечание: Если вы не хотите забивать гвоздь в дерево, просто слегка постучите молотком по твердой, прочной, небьющейся поверхности, например по столу или стулу.

Показать анимацию Частицы твердого тела.
Объясните, что частицы в твердом теле сильно притягиваются друг к другу и колеблются на месте. Сильное притяжение между частицами удерживает их близко друг к другу и делает твердые тела, такие как металл в молотке, твердыми.

Раздайте каждому учащемуся рабочий лист (PDF) .
Учащиеся записывают свои наблюдения и отвечают на вопросы о задании в листе задания.

Исследовать

2. Предложите учащимся посмотреть на свою «пустую» бутылку, а затем поэкспериментировать с воздушным шаром на ней.

Вопрос для исследования: действительно ли пустая бутылка пуста?

Материалы для каждой группы

Гибкая пластиковая бутылка из-под содовой (18–20 унций) с крышкой
Воздушный шар

Примечание: Пластиковые одноразовые бутылки для воды не подходят, потому что они не очень гибкие и имеют тенденцию полностью разрушаться при сжатии.

Процедура

Предложите учащимся посмотреть на открытую бутылку и взять ее в руки.

Спросите учащихся:

Если в бутылке нет жидкости, она полностью пуста?
Возможно.
В бутылке вообще что-нибудь есть?
Да, в бутылке есть воздух.

Объясните, что в бутылке есть воздух и что воздух состоит из различных газов, таких как кислород, азот и углекислый газ, которыми мы дышим каждый день. Объясните, что газ состоит из мельчайших частиц. Скажите учащимся, что газ сильно отличается от твердого тела.

Скажите учащимся, что если они все еще сомневаются в том, что в бутылке что-то есть, они могут надеть на бутылку воздушный шар и посмотреть, что произойдет, когда они сожмут бутылку.

Аккуратно наденьте шарик на горлышко бутылки.
Держите бутылку и сжимайте ее до тех пор, пока вы не сможете сжимать ее дальше.

Спросите учащихся:

Что происходит с шариком, когда вы сжимаете бутылку?
Баллон расширяется.

Как вы думаете, что произошло с молекулами газа, когда вы сжали бутылку и шарик расширился?
Молекулы газа должны были попасть из бутылки в воздушный шар.

Объяснить

3. Покажите анимацию и обсудите, как использование воздушного шара показывает, что в бутылке должно быть что-то.

Показать анимацию Частицы газа в бутылке.

Объясните, что сферы представляют собой частицы газа. Объясните, что частицы газа не сильно притягиваются друг к другу, а просто ударяются друг о друга и отскакивают. Частицы также намного дальше друг от друга, чем в твердом теле.

Объясните, что когда бутылку сжимают, молекулы газа перемещаются из бутылки в воздушный шар, заставляя его расширяться.

4. Попросите учащихся сжать бутылку с крышкой.

Вопрос для исследования: Можно ли заставить молекулы газа сблизиться?

Материалы для каждой группы

Гибкая пластиковая бутылка из-под содовой (18–20 унций) с крышкой

Процедура

Снимите баллон с флакона и плотно закройте крышкой.
Сожмите бутылку.

Спросите учащихся:

В бутылке находятся молекулы газа. Когда крышка плотно закрыта, вы смогли сжать бутылку?
Да
Вы не можете сжать твердое тело, такое как металл или камень, так что же такого в молекулах газа, что позволяет вам сжимать его?
Молекулы газа находятся очень далеко друг от друга, поэтому их можно сжать в меньшее пространство.

Показать анимацию Наблюдение за газом в бутылке.

Объясните, что с закрытой крышкой бутылку все еще можно сжать, потому что молекулы газа имеют большое пространство между собой и могут быть сжаты.

Исследовать

5. Предложите учащимся исследовать бутылку с водой.

Вопрос для исследования: Можно ли заставить молекулы жидкости сблизиться?

Материалы для каждой группы

Гибкая пластиковая бутылка из-под содовой (18–20 унций) с крышкой
Вода

Процедура

Наполните бутыль до самого верха и плотно закройте бутылку крышкой.
Сожмите бутылку.

Ожидаемые результаты

Бутылку очень трудно сжать. Он почти кажется твердым.

Спросите учащихся:

Удалось ли вам сжать бутылку так сильно, как когда в ней был газ?
№
После сжатия бутылок с газом и бутылок с жидкостью, как вы скажете, частицы жидкости ближе друг к другу или дальше друг от друга, чем частицы газа?
Ближе друг к другу

Объяснить

6. Покажите анимацию и обсудите движение и расположение частиц жидкости.

Показать анимацию Жидкость в бутылке.

Объясните, что частицы жидкости притягиваются гораздо сильнее, чем частицы газа, и что они гораздо ближе друг к другу. Они почти так же близко друг к другу, как твердое тело, но они могут скользить друг мимо друга. Они настолько близко друг к другу, что их очень трудно сжать.

7. Покажите анимацию и сравните движение и расположение частиц твердого тела, жидкости и газа.

Показать анимацию Сравнение твердого тела, жидкости и газа.

Твердое тело: Объясните, что в твердом теле частицы сильно притягиваются друг к другу, поэтому они находятся близко друг к другу. Частицы могут двигаться в своих фиксированных положениях, но не могут скользить друг мимо друга.
Жидкость: В жидкости частицы также притягиваются друг к другу, но не так сильно, как в твердом теле. Частицы находятся близко друг к другу, постоянно движутся и могут скользить друг мимо друга.
Газ: В газе частицы почти не притягиваются друг к другу. Они находятся очень далеко друг от друга и просто ударяются и отскакивают друг от друга, постоянно перемещаясь.

Расширить

8. Покажите анимацию и обсудите крошечные атомы и молекулы.

Учащихся познакомили с идеей о том, что вещество, твердое, жидкое или газообразное, состоит из мельчайших частиц, называемых атомами и молекулами. Объясните учащимся, что иллюстрации и анимации атомов и молекул, которые они видели, являются моделями, используемыми для представления атомов и молекул. Объясните, что реальный размер атомов и молекул невероятно мал, в триллионы раз меньше, чем точки или сферы, которые мы используем для их представления.

На самом деле атомы и молекулы настолько малы, что миллионы из них поместились бы на месте одной точки в конце предложения.

Показать анимацию Атомы маленькие — очень маленькие.

Скажите учащимся, что анимация рассказывает о том, насколько невероятно малы атомы и молекулы. Он основан на количестве молекул воды в столовой ложке воды, что составляет около 600 000 000 000 000 000 000 000 — около 600 миллиардов триллионов, поэтому они очень маленькие.

Extra Extend

9. Подумайте, являются ли крем для бритья и песок твердыми, жидкими или газообразными.

Сообщите учащимся, что в некоторых книгах и других источниках состояния материи могут быть определены более просто следующим образом:

Твердое тело – сохраняет свою форму даже без контейнера
Жидкость – принимает форму контейнера
Газ – Распределяется для заполнения любого контейнера

Вопрос для исследования: Как классифицировать вещество, которое не соответствует этим простым определениям твердых тел, жидкостей и газов?

Материалы для демонстрации

Песок
2 прозрачных пластиковых стаканчика
1 банка крема для бритья
1 небольшая пластиковая или бумажная тарелка

Подготовка учителя:

Насыпьте от ¼ до ½ стакана песка в один пластиковый стаканчик.
Нанесите небольшое количество крема для бритья на бумажную тарелку для демонстрации.

Является ли песок жидкостью?

Процедура

Аккуратно пересыпьте песок из одной чашки в другую.

Спросите учащихся:

Принимает ли песок форму чаши?
Да.
Значит ли это, что песок является жидкостью?
Нет. Каждый кусок песка является твердым, но эти кусочки настолько малы, что когда вы их насыпаете, они принимают форму контейнера. Песок — твердое тело, но ведет себя как жидкость, потому что его крошечные кусочки принимают форму контейнера, в который вы его насыпаете.

Является ли крем для бритья твердым веществом?

Процедура, продолжение

1. Покажите учащимся горку крема для бритья.

Спросите учащихся:

Если вы не прикасаетесь к нему, сохраняет ли холмик крема для бритья свою форму без контейнера?
Да
Значит ли это, что это твердое тело?
Нет. Если вы внимательно посмотрите на крем для бритья, то увидите, что это жидкость, содержащая множество крошечных пузырьков газа. Так что на самом деле это смесь жидкости и газа, которые вместе сохраняют свою форму, как твердое тело… пока вы к ней не прикоснетесь.

Состояние вещества: определение и фазы изменения

Живая наука поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Стакан содержит h30 в трех агрегатных состояниях: лед (твердое тело), вода (жидкость) и пар (газ).
(Изображение предоставлено: Getty Images)

Фраза «пять состояний материи» — это термин, описывающий все, что составляет «вещество» во вселенной — все, что занимает пространство и имеет массу, является материей. Но эта фраза на самом деле устарела, поскольку существует гораздо больше состояний материи. Четыре из них встречаются в природе, в то время как другие создаются в лаборатории в экстремальных условиях.

Вся материя состоит из атомов , которые, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов.

Атомы собираются вместе, чтобы сформировать молекулы, которые являются строительными блоками для всех типов материи, согласно Вашингтонского государственного университета . По данным Управления энергетической информации США, и атомы, и молекулы удерживаются вместе формой потенциальной энергии, называемой химической энергией .

Связанные: Сколько атомов находится в наблюдаемой Вселенной?

Четыре естественных состояния материи: твердое тело, жидкость, газ и плазма. Однако конденсаты Бозе-Эйнштейна производятся только в лаборатории. Другие экзотические состояния материи также могут быть получены в экстремальных условиях в лаборатории, например, фермионные конденсаты и кристаллы времени. Существует даже странный тип материи, известный как цепное расплавленное состояние, который стабильно существует и в твердом, и в жидком состоянии одновременно.

Твердые вещества, жидкости и газы

В твердом теле частицы плотно упакованы, поэтому они мало двигаются. Электроны каждого атома постоянно находятся в движении, поэтому атомы имеют небольшую вибрацию, но они зафиксированы в своем положении. Из-за этого частицы в твердом теле имеют очень низкую кинетическую энергию.

Твердые тела имеют определенную форму, а также массу и объем и не соответствуют форме сосуда, в который они помещены. Твердые тела также имеют высокую плотность, что означает, что частицы плотно упакованы.

В жидкости частицы более рыхло упакованы, чем в твердом теле, и способны обтекать друг друга, придавая жидкости неопределенную форму. Поэтому жидкость будет соответствовать форме своего сосуда.

Подобно твердым телам, жидкости (большинство из которых имеют меньшую плотность, чем твердые тела) невероятно трудно сжимаются.

В газе частицы имеют большое расстояние между собой и высокую кинетическую энергию. Газ не имеет определенной формы или объема. Если они не ограничены, частицы газа будут бесконечно распространяться; если он ограничен, газ расширится, чтобы заполнить свой контейнер. По данным Исследовательского центра Гленна НАСА, когда газ находится под давлением за счет уменьшения объема контейнера, пространство между частицами уменьшается, и газ сжимается.

Иллюстрация расположения молекул в твердом теле, жидкости и газе. (Изображение предоставлено Getty Images)

Плазма

Плазма не является обычным состоянием материи здесь, на Земле, но может быть наиболее распространенным состоянием материи во Вселенной, согласно Лаборатории Джефферсона (открывается в новом вкладку). Звезды, подобные Солнцу, по существу представляют собой перегретые шары плазмы.

Плазма состоит из сильно заряженных частиц с чрезвычайно высокой кинетической энергией. благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) часто используются для изготовления светящихся вывесок с использованием электричества для их ионизации до состояния плазмы.

Конденсат Бозе-Эйнштейна

Данные о распределении скоростей газообразных атомов рубидия, подтвердившие открытие конденсата Бозе-Эйнштейна в 1995 г. действовать как один «суператом». (Изображение предоставлено NIST/JILA/CU-Boulder)

BEC был впервые создан учеными в 1995 году. Используя комбинацию лазеров и магнитов , Эрик Корнелл и Карл Вейман, ученые из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) в Боулдере, штат Колорадо, охладили образец рубидия . с точностью до нескольких градусов абсолютного нуля. При такой чрезвычайно низкой температуре молекулярное движение очень близко к остановке. Поскольку кинетическая энергия практически не передается от одного атома к другому, атомы начинают слипаться. Больше нет тысяч отдельных атомов, есть только один «суператом».

БЭК используются для изучения квантовой механики на макроскопическом уровне. Кажется, что свет замедляется при прохождении через БЭК, что позволяет ученым изучать парадокс частицы/волны. БЭК также обладает многими свойствами сверхтекучей или жидкости, которая течет без трения . BEC также используются для моделирования условий, которые могут существовать в черных дырах.

Новые состояния материи

Многие другие состояния материи были созданы в экстремальных или экзотических условиях. Например, в январе 2021 года исследование, опубликованное в журнале PNAS, показало, что при переходе из жидкого состояния в твердое стекло переходит в новое состояние вещества, называемое жидким стеклом.

Схема положения и ориентации эллипсоидальных частиц в кластерах жидкого стекла. (Изображение предоставлено исследовательскими группами профессора Андреаса Цумбуша и профессора Матиаса Фукса)

На микроскопическом уровне жидкое стекло находится где-то между твердым и гелеобразным веществом, называемым коллоидом — смесью частиц, которые больше одного атома или молекула. Когда вещество переходит из жидкого состояния в твердое, молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру — для стекла этого не происходит, и частицы застывают на месте до того, как произойдет кристаллизация. По словам исследователей, частицы жидкого стекла более гибкие, чем твердое стекло, но не могут вращаться.

«Наши эксперименты предоставляют доказательства взаимодействия между критическими флуктуациями и стекловидной остановкой, за которыми научное сообщество следит уже довольно давно», — старший автор исследования и профессор теории мягких конденсированных сред Университета Констанца Матиас. Фукса», — говорится в заявлении .

Родственный: Как взвесить атом?

Ученые создали кристалл времени, новую фазу материи, внутри квантового вычислительного чипа Google Sycamore, который охлаждается в их квантовом криостате. (Изображение предоставлено Эриком Лусеро/Google, Inc.)

Кристаллы времени — это форма материи, впервые предложенная в 2012 году лауреатом Нобелевской премии физиком Фрэнком Вильчеком. Кристаллы времени изготавливаются в лаборатории и могут переключаться между двумя состояниями энергии без потери энергии. Поскольку они не достигают равновесия или стационарного состояния, они могут обойти второй закон термодинамики, который гласит, что беспорядок или энтропия замкнутой системы всегда увеличивается.

Кристаллы времени были созданы в лаборатории в 2017 году, а в 2021 году Google объявила, что создала кристалл времени в квантовом компьютере, и что кристалл просуществовал 100 секунд, прежде чем эфемерное состояние распалось.

Фермионные конденсаты — еще один тип вещества, созданного в лаборатории. По данным НАСА, родственная фаза БЭК, фермионные конденсаты, были впервые созданы в 2004 году . Фермионные конденсаты являются сверхтекучими, то есть они могут течь без вязкости. В отличие от БЭК, они состоят из фермионов, типа материи, включающей протоны, нейтроны и электроны с нечетными атомными номерами. Обычно фермионы любят одиночество, но чтобы создать эту фазу материи, ученые должны уговорить их объединиться в пары.

Для этого ученые очень-очень охлаждают материю. В первом эксперименте, демонстрирующем эту странную фазу, описанном в исследовании 2003 года, опубликованном в журнале Physical Review Letters , ученые из JILA в Боулдере, штат Колорадо, охладили облако из полумиллиона атомов калия-40 менее чем до миллионную долю градуса выше абсолютного нуля, а затем приложили к ним магнитное поле. Это заставило атомы калия соединиться, создав состояние, подобное сверхпроводимости, которая возникает в электронных парах.

Как меняются состояния материи

Добавление или удаление энергии из материи вызывает физические изменения, когда материя переходит из одного состояния в другое. Например, добавление тепловой энергии (тепла) к жидкой воде приводит к тому, что она становится паром или паром (газом). А удаление энергии из жидкой воды приводит к тому, что она становится льдом (твердым телом). Физические изменения также могут быть вызваны движением и давлением.

Плавление и замерзание

При нагревании твердого тела его частицы начинают вибрировать быстрее и удаляются друг от друга. Когда вещество достигает определенной комбинации температуры и давления, точки плавления, твердое тело начинает плавиться и превращается в жидкость.

Большинство жидкостей сжимаются при замерзании, но вода расширяется, делая ее менее плотной, когда становится льдом. Эта уникальная характеристика позволяет льду плавать в воде, как этот массивный айсберг в Антарктиде. (Изображение предоставлено НАСА/Операция «Ледяной мост»)

Когда два состояния вещества, такие как твердое и жидкое, находятся при равновесных температуре и давлении, дополнительное тепло, добавленное в систему, не приведет к увеличению общей температуры вещества до тех пор, пока весь образец не достигнет того же физического состояния, согласно Британская энциклопедия (открывается в новой вкладке). Например, если вы положите лед в стакан с водой и оставите его при комнатной температуре, лед и вода в конечном итоге придут к одной температуре. Поскольку лед тает от тепла, исходящего от воды, он будет оставаться на уровне 32 градусов по Фаренгейту (0 градусов по Цельсию) до тех пор, пока весь кубик льда не растает, прежде чем продолжать нагреваться.

Когда тепло отводится от жидкости, ее частицы замедляются и начинают оседать в одном месте внутри вещества. Когда вещество достигает достаточно низкой температуры при определенном давлении, точки замерзания, жидкость становится твердой.

Сублимация

Когда твердое вещество превращается непосредственно в газ, минуя жидкую фазу, этот процесс называется сублимацией. Это может произойти либо при быстром повышении температуры образца выше точки кипения (мгновенное испарение), либо при «лиофилизации» вещества путем его охлаждения в условиях вакуума, так что вода в веществе подвергается сублимации и удаляется из образец, по данным Геологической службы США (открывается в новой вкладке). Несколько летучих веществ будут подвергаться сублимации при комнатной температуре и давлении, например, замороженные углерод диоксид или сухой лед .

Сухой лед или твердая двуокись углерода сублимируются из твердого состояния в газообразное при температуре около -109,3°F (-78,5°C). (Изображение предоставлено: Getty Images)

Испарение

Испарение — это превращение жидкости в газ, которое может происходить посредством испарения или кипения , согласно Encyclopaedia Britannica.

Поскольку частицы жидкости находятся в постоянном движении, они часто сталкиваются друг с другом. Каждое столкновение также вызывает передачу энергии, и когда достаточное количество энергии передается частицам вблизи поверхности, они могут быть полностью выбиты из образца в виде частиц свободного газа. Жидкости охлаждаются при испарении, потому что энергия, переданная поверхностным молекулам, которая вызывает их вылет, уносится вместе с ними.

Жидкость закипает, когда к жидкости добавляется достаточно тепла, чтобы образовались пузырьки пара под поверхностью. Эта точка кипения представляет собой температуру и давление, при которых жидкость становится газом.

Конденсация и осаждение

По данным Геологической службы США, конденсация происходит, когда газ теряет энергию и объединяется в жидкость. Например, водяной пар конденсируется в жидкую воду, известную как точка росы .

Осаждение происходит, когда газ превращается непосредственно в твердое вещество, минуя жидкую фазу.