Halmazállapot
Halmazállapot 
State of matter 
Der Aggregatzustand
Az anyag megjelenési formája.
A kémiai anyagokat makroszkopikus és szerkezeti tulajdonságaik alapján három halmazállapotba soroljuk:
1. Gáz (nincs állandó alak és térfogat)
2. Folyadék (van állandó térfogat)
3. Szilárd (van állandó térfogat és alak)
4. Plazma
Az anyagi halmazok állapota az állapothatározók függvénye (p, T, V).
A legtöbb kémiai anyag – a hőmérséklettől és a nyomástól függően – három, klasszikusan értelmezett halmazállapotban lehet stabilis állapotú: légnemű, folyékony és szilárd. Elméletileg minden anyag mindhárom halmazállapotban előfordulhat, a gyakorlatban viszont sok szilárd anyag elbomlik, vagy átalakul az olvadáspontjánál kisebb hőmérsékleten, azaz inkongruens olvadáspontja van. Ugyanilyen okok miatt sok anyagnak nem létezik légnemű halmazállapota, vagyis már a forráspontjánál kisebb hőmérsékleten termikusan elbomlik. A fenti három halmazállapoton kívül létezik az anyagok negyedik halmazállapota is, amely már a múlt század közepén fontossá vált: ez a plazmaállapot. [1]
A légnemű halmazállapotban ugyanazon anyag lehet vagy gáz vagy gőz. Egyszerűen kifejezve: ha a légnemű anyag hőmérséklete annak kritikus hőmérséklete alatt van akkor azt gőznek nevezzük, ha a hőmérséklete a kritikus felett van akkor azt gáznak hívjuk, a folyékony halmazállapotú anyag neve pedig folyadék. A folyadék és a szilárd halmazállapotot gyűjtőnéven kondenzált halmazállapotnak nevezzük, a légnemű és folyékony halmazállapotú anyagok gyüjtőneve pedig cseppfolyós közeg vagy egyszerűen közeg[2]. A különbség a légnemű és a folyékony halmazállapot között az, hogy a légnemű halmazállapotú anyagokkal ellentétben a folyadékok szabad felszínnel rendelkezhetnek.
Ha egy gőzt összenyomunk (komprimáljuk) akkor az folyadékká válik (cseppfolyósodik), de egy gázt nem lehet nyomással cseppfolyósítani, csak ha előbb azt az annak egyéni kritikus hőmérséklete alá hűtjük, hogy gőzzé alakuljon. Azt a minimális nyomást ami a gőz cseppfolyósítására szükséges kritikus nyomásnak nevezzük, az anyag térfogatát kritikus hőmérsékletén kritikus nyomása alatt kritikus térfogatnak. Ilyen körülmények között az anyag kritikus állapotban van.
A különböző halmazállapotok dinamikus folyamatokban átalakulhatnak egymássá. A szilárd anyag átalakulása hőközlés hatására folyadékká az olvadásponton történik. A fordított irányú folyamat – amely mindig hőfelszabadulással jár – a fagyás, dermedés vagy kristályosodás, pedig a fagyásponton, dermedésponton vagy kristályosodási ponton következik be. A szilárd anyagok is párolognak, gőzzé alakulnak ez a jelenség a szublimáció.
A folyadékok átalakulását légnemű halmazállapotú anyaggá – gőzzé – párolgásnak nevezzük. Ha ez a folyamat a folyadék forráspontján történik a jelenséget forrásnak nevezzük. A fordított irányú folyamat – amikor a gőz cseppfolyós állapotba kerül – a kondenzáció, vagy kicsapódás. Ugyanígy nevezzük a gőznek közvetlenül szilárd halmazállapotba jutását is.
A folyadék és a szilárd állapotot gyűjtőnéven kondenzált állapotnak, a légnemű és a cseppfolyós állapotot pedig fluid állapotnak nevezzük.
Általában adott hőmérsékleten és nyomáson az adott anyag csak egy halmazállapotban lehet stabilisan jelen. Ugyanakkor az átalakulások egyensúlyi hőmérsékletén és nyomásán két, vagy három halmazállapota is stabilis lehet. Erre vonatkozik a Gibbs-féle fázistörvény. A különböző halmazállapotú és külön fázisban lévő anyagok egymásba történő átalakuását fázisdiagaramokon ábrázoljuk.
Bármely anyagnak légnemű és folyékony halmazállapota csak egyféle létezik. Kivételt képeznek az ún. kritályos folyadékok vagy folyadékkristályok, amelyek külső térerő hatására változtatják meg szerkezetüket. Szilárd halmazállapotban sok anyagnak létezik többféle kristályos és amorf állapota, amelyek szerkezetükben és fizikai tulajdonságokban is lényegesen eltérnek egymástól. Ez a jelenség a polimorfia. Az egyes polimorf módosulatok meghatározott hőmérséklet- és nyomástartományban stabilisak, és egymásba átalakíthatók (allotróp átalakulás).
A halmazállapot-változásokat és a polimorf átalakulásokat mindig hőeffektus kíséri. Termodinamikailag kimutatható, hogy egy adott nyomás esetén nagyobb hőmérsékleten az a módosulat stabilis, amely hőfelvétel – tehát endoterm folyamat – közben képződik a másik módosulatból. Vagyis például konstans nyomásnál nagyobb hőmérsékleten a folyadék stabilisabb, mint a szilárd halmazállapot, és a gőz stabilisabb, mint a folyadék.
[szerkesztés] Szilárd halmazállapot
A Szilárd halmazállapotnak két formája ismeretes: kristályos és alaktalan, vagy amorf. Ebben az állapotban a molekulák ill. az atomok energiaszíntje olyan alacsony, hogy adott helyzetükből nem tudnak kiszabadulni. Kristályos anyag esetén azok a kristályrács által meghatározott egyensúlyi helyzetben vannak rögzítve, és ekörül végeznek rezgőmozgást. Szilárd anyagoknak (vagy testeknek) meghatározott alakjuk és térfogatuk van, de a térfogat általában a hőmérséklet emelésével kiterjed. A kiterjedés mértékét a hőtágulási együttható fejezi ki, ami az anyagok jellemző tulajdonsága. A szilárd anyagok ellenállást fejtenek ki az alak- és térfogat-változtatással szemben, ennek megfelelően több tulajdonságuk összefügg ezzel az ellenállással: keménység, szilárdság, rugalmasság, hőtágulás. Melegítés hatására általában csökken a szilárdságuk és az olvadáspontjukon (általánosabban a likvidusz hőmérsékleten) folyékonnyá válnak.
[szerkesztés] Folyékony halmazállapot
Az anyagok a kritikus hőmérséklet alatt gőz, a felett gáz halmazállapotúakA folyékony anyagok, vagyis folyadékok térfogata állandó, ám alakja változó. A nehézségi erő hatására képesek felvenni a tároló edény alakját. Erőtérmentes környezetben viszont gömb alakúak a felületi feszültség következtében. A folyadékokban a molekulák közötti összetartó erő lényegesen kisebb mint a szilárd anyagoknál, és noha az anyaghalmazt összetartja, de lehetővé teszi a molekulák egymáshoz képest történő makroszkópikus, szabad mozgását. Ennek következtében a viszkozitásuk a szilárd testek viszkozitásához képest kicsi, de az összenyomhatóságuk (kompresszibilitásuk) azokhoz közel állóan kicsi.
Az anyag felületi feszültsége a kritikus hőmérsékletéhez közeledve nullára csökken, azt elérve, illetve nagyobb hőmérsékleten a folyadék gázzá változik. Zárt térben a folyadékok sűrűsége csökken a légtérben pedig növekszik. A kritikus hőmérsékleten a két fázis sűrűsége egyenlővé válik. Az anyagok a kritikus hőmérséklet alatt gőz, a felett gáz halmazállapotúak. A kritikus hőmérsékletnél nagyobb hőmérsékleten a légnemű anyag semmilyen nagy nyomáson sem cseppfolyósítható, mert ilyen körülmények között már nem gőzként, hanem gázként viselkedik.
[szerkesztés] Légnemű halmazállapot
A halogén elemek gőzei színesekA légnemű anyagoknak nincs sem meghatározott alakjuk, sem meghatározott térfogatuk, a rendelkezésre álló térfogat egyenletes kitöltésére törekszenek. Az elemi állapotú anyagok nagy többsége légnemű állapotban – tehát gőz és gáz állapotban – színtelenek, aminek az az oka, hogy a látható színképtartományban nincs fényabszorpció. Ez alól kivételt a kén és a halogén elemek gőzei képeznek.
A reális gázok esetében a molekulák között viszonylag kicsi az összetartó erő, a forgó, rezgő és az egyenes vonalú, egyenletes mozgás miatt egymással ütköznek és távolodni igyekszenek egymástól, ezért töltenek be minden rendelkezésre álló teret. Ez csak akkor igaz, ha a gázra nem hatnak külső erők. A földi nehézségi erőtér hatására például a légkör sűrűsége felfelé exponenciális függvény szerint csökken. Kis magasságkülönbség esetén azonban az eltérés figyelmen kívül hagyható.
A légnemű anyagok alakja és térfogata viszonylag kis erővel megváltoztatható, mert kicsi a viszkozitásuk, és nagy a kompresszibilitásuk a folyadékokéhoz, vagy a szilárd testekéhez képest.
[szerkesztés] Plazma halmazállapot
A plazmalámpa hideg plazmájaPlazma a gáz-halmazállapotból keletkezik az atomok ill. molekulák ionizációja révén. Nagyon nagy hőmérsékleten, sugárzás vagy elektromos kisülés hatására az atomokból elektronok szakadnak le. A plazma állapotban szabadon mozgó pozitív ionok és negatív elektronok vannak olyan arányban, hogy az egész rendszer elektromosan semleges. A szabadon mozgó részecskék miatt a plazma jól vezeti az elektromos áramot.
Kellően nagy hőmérsékleten minden anyag átvihető plazmaállapotba (termikus ionizáció), legkönnyebben az alkáli fémek gázai. Teljes ionizációhoz – a hideg plazma kialakulásához – sok tízezer fokos hőmérséklet szükséges, a forró plazma hőmérséklete több millió fokos. A világegyetem látható anyagának 99%-a (csillagok, csillagközi és bolygóközi anyag) plazma állapotban van.
Földi viszonyok között plazma képződik például a villámban, elektromos szikrában, elektromos ívben, gázkisülési csövekben (fénycsövekben) stb.
[szerkesztés] Halmazállapot-változás
Az anyagok hőmérsékletének valamint nyomásának bizonyos fokú változása halmazállapot-változást idéz elő. Ez a változás mindig visszafordítható (reverzibilis) folyamat, ha közben termikus bomlási folyamat nem megy végbe.
A halmazállapot-változás (fázisátmenet) grafikus összefoglalójaA halmazállapot-változást melegítés során például akkor következik be, ha a hőmérsékletnövelés olyan mértékű rezgőmozgásra készteti az atomokat, melyet a kohéziós erők nem tudnak kompenzálni, így az atomok az előző állapotához képest szabadabbá válnak. Első lépésben a rácsponti kötőerők szűnnek meg, (szilárd-folyadék fázisátalakulás), majd azok a kohéziós erők, amelyek a folyadék részecskéi között működnek (folyadék-gőz fázisátmenet), végül pedig az atomokon belüli elektrosztatikus vonzóerők ellenére az elektronok egy része vagy teljes mennyisége leszakad az atommagról (gáz-plazma fázisátmenet).
Összefoglalva a hőmérséklet és a nyomás szerepét: hőmérséklet növelés vagy nyomás csökkenés hatására a lejátszódó folyamatok:
szilárd › olvadás › folyadék › párolgás › gőz;
szilárd › szublimáció › gőz.
Hőmérséklet csökkenés, vagy nyomás növekedés hatására lejátszódó folyamatok:
gőz › kicsapódás vagy kondenzáció › folyadék › fagyás vagy dermedés › szilárd;
gőz › kicsapódás vagy kondenzáció › szilárd.
A fizikában és a kémiában a plazma ionizált gázt jelent, illetve a negyedik halmazállapotot a szilárd, a folyékony és a gáznemű mellett. Az ionizált itt azt jelenti, hogy az anyagot alkotó atomokról egy vagy több elektron leszakad, és így a plazma ionok és szabad elektronok keveréke lesz. Az így keletkező elektromos töltés miatt a plazma elektromosan vezetővé válik és az elektromágneses mezőkkel kölcsönhat.
A halmazállapot e negyedik formáját először Sir William Crookes írta le 1879-ben, az elnevezés pedig Irving Langmuir nevéhez fűződik 1928-ban (a vérplazmára emlékeztette).
A látható Világegyetem anyagának 99%-a ebben a halmazállapotban van. A plazma magas hőmérsékleten alakul ki, létrehozásához legalább tízezer kelvint kell elérni, hogy az atommag pozitív töltését a hő leküzdje és az elektronok elszakadnak az atomból és ekkor megszűnik az elektronfelhő.
A plazma kinetikus hőmérséklete és sűrűsége széles tartományban változhat (103 – 108 K; 106 – 1030 részecske/m3). Elektromos és mágneses térrel a plazma tulajdonságai térben és időben szabályozhatók. Forró plazma anyagi falakkal nem érintkezhet, ezért befogásához mágneses falakat és tükröket kell alkalmazni. A plazma elektromágneses sugárzó is, amelynek spektruma azonban eltér a feketetest-sugárzástól. A plazma fizikai tulajdonságait a magnetohidrodinamika írja le. Napjainkban széleskörű plazmakutatás folyik az univerzum mélyebb megismerésére, új gyártási eljárások és műszaki termékek (fényforrások, plazma-kijelzők) kialakítására és az emberiség számára oly fontos kontrollált magfúziós energiatermelés megvalósítására. Egy ilyen fúziós reaktor lehet a Tokamak, melynél egy toroid-csőbe zárt deutérium-trícium gázkeverékben magas hőmérsékletű plazmát hoznak létre nagy áramot indukálva, mely fűti a plazmát és ugyanakkor össze is nyomja a pinch-effektus hatására.
A kvark-gluon plazma (quark-gluon plasma, QGP) a kvantum-színdinamika egyik fázisa, ami igen magas hőmérsékleten, és/vagy igen nagy sűrűség esetén jön létre. Az anyagnak ez a fázisa (halmazállapota) gluonokból és (csaknem teljesen) szabad kvarkokból áll, és az anyag teljes, alapvető részecskéire való bomlását jelenti.
A CERN az 1980-as évek közepén kezdett kísérletezni szuper protonszinkotronjában (SPS) egy QGP létrehozásával. A munkát folytatta az 1990-es években is, majd az ezredforduló évében nyilvánosságra hozta, hogy sikerült létrehoznia az anyagnak egy új halmazállapotát.
Jelenleg az amerikai Brookhaveni Nemzeti Laboratórium (BNL) Relativisztikus nehézion-ütköztetője folytatja a kísérleteket, de a munka három kísérlettel a CERN-nél is folytatódik.
A plazma állapot annyiban különbözik az anyag normális, hadronokba zárt állapotától, hogy hadron állapotban a kvark vagy egy antikvarkhoz csatolva mezonként, vagy két másik kvarkhoz csatolva barionként (mint proton, vagy mint neutron) van jelen a természetben, ami a kvarkok szabad mozgását teljesen meggátolja. A kvark-gluon plazmában ezzel szemben a mezonok és a barionok elvesztik egyéniségüket és mind a kvarkok mind a gluonok szabadon mozoghatnak.
[szerkesztés] Hogyan vonatkozik a plazma név erre az állapotra?
Általában azt az állapotot nevezzük plazmának amelyben az egyéni részecskék elektrosztatikus töltését a többi jelenlevő töltés ernyőzi. Így Coulomb törvénye módosul, vagyis a töltés nagysága itt nem állandó, hanem az a többi töltés távolságától függ.
Az OGP-ben a kvarkok szín-töltése ugyancsak ernyőződik. Az azelőtt jól ismert plazma állapottal való hasonlatosság nemcsak ez, de különbség is van: míg a jól ismert plazmában a töltés abelian, a szín-töltés nem Abel-csoport.
[szerkesztés] Elméleti tanulmányozása
A perturbációszámítás, ami a QED igen fontos építőköve színtöltés esetére azok magas értéke miatt nem alkalmas. Ezért a fő elméleti eszköz a QGP tanulmányozására a rácsmértékelmélet Ez az elmélet volt, ami előre megjósolta a plazmaállapot (cca. 175 MeV energiának megfelelő) átmeneti transition hőmérséketét és azóta a QGP sok más tulajdonságát is. Az AdS/CFT (anti-de-Sitter space/conformal field theory közötti) megegyezés elvének a használata új lehetőségeket nyúj a számításokra.
[szerkesztés] Kvark-gluon plazma gerjesztése laborban
QGP képződik amikor két atommagnyalábot (175 MeV energiával) igen magas hőmérsékletre hevítve ütköztetünk. CERN ólmot, BNL aranyat használt erre a célra. A nyalábok nagy része átcsapódik egymáson, de az ütközés helyén egy izzó tűzgolyó, fireball létesül, amit saját nyomása felfújja és kiterjedés közben lehűl. Ennek a tűzgolyónak a tanulmányozása az ami az elméletet próbálja (test) vagyis valóságát bizonyítja.
[szerkesztés] Hogyan illesztődik mindez a fizika többi törvényeihez?
A QCD a részecskefizika Standard modell elméletének egy része. Az elmélet többi részei az elektrogyenge kölcsönhatással és a neutrinóval foglalkoznak.
Az elektrodinamika elméletét kísérletileg, próbával (test) már néhány billiónyi (= amerikai trillió) pontossággal bizonyították, míg a gyenge kölcsönhatás elmélete néhány ezred pontossággal lett bizonyítva. Perurbáció számítások a QCD kísérletek eredményeivel néhány %-re egyeznek, de nem-perturbative szempontból még alig lett érintve.
A QGP alkotórésze a részecskefizikának, de hozzátartozik a véges homérséklet térelmélet, finite temperature field theory kísérleti bizonyításának feladata is. Ez a fizikának az a része ami az anyag igen magas hőmérsékletű állapotával foglalkozik, ahonnan a világegyetem egy mikromásodperccel ősrobbanás utáni állapotával kapcsolatos kérdésekre várunk választ.
[szerkesztés] A kvark-gluon plazma várt tulajdonságai
[szerkesztés] Termodinamika
A fázisátmenet 175 MeV energia körül történik, ami kb. 1 GeV/fm2 energiasűrűségnek felel meg. Az állapotegyenlet a nyomás és a hőmérséklet függvénye, amit rácsszámításokból állapítottak meg. de aminek eredményeit perturbáció (zavar) számításokkal is, meg a húrelmélet tételeivel is egyeztettek. Az összefüggés még jelenleg is tanulmány tárgya egyéb termodinamikai változókkal egyetemben.
[szerkesztés] Folyás
A folyással kapcsolatos számításokhoz az állapotegyenlet ismerete fontos. Az eddigi számítások azt mutatják, hogy a plazma folyadékként viselkedik. Ez a nézet azonban változhat.
[szerkesztés] Gerjesztési, excitation spektrum
Biztos-e, hogy a QGP valóban (csaknem) szabad gluonokból és kvarkokból áll, illetve ezeket tartalmaz? Bár a kutatók meg vannak róla győződve, a kérdés túlegyszerűsítés. Egyrészt az elmélet még forrásban van, másrészt olyan vélemény is van, hogy mezonokból talán eddig még a kvarkok nem szabadultak fel, mert a nehezebb kvarkok (például a báj kvark) felszabadítására még magasabb energia kellene.
[szerkesztés] A kísérlet helyzete
A QGP könnyebben kiszámítható aspektusainak általában nehéz a kísérleti bizonyítása. Bár az eddigi bizonyítékok többsége arra mutat, hogy az RHIC során megfigyelt tűzgolyó tulajdonságai kvark-gluon plazma eredetűek, ez továbbra sem elegendő ahhoz, hogy a kísérletezők kijelenthessék, a QGP jelenséget észlelték.
A Bose-Einstein kondenzátum jelenségét már 1924-ben Satyendranath Bose munkája alapján Albert Einstein megjósolta, de kisérleti megvalositása egészen 1995-ig vártott magára. A hűtési technika fejlődésével elég hosszú élettartamú kondenzátumok is előállithatók és a kondenzátum megjósolt tulajdonságai most már méréssel ellenőrizhetővé váltak. Napjainkra képesek vagyunk a kondenzátum kollektiv gerjesztéseit is létrehozni, melyek egyik speciális fajtája lehet a szoliton tipusú gerjesztés. Ez motiválta vizsgálatainkat.
A Bose–Einstein condensate (BEC) is a state of matter of bosons confined in an external potential and cooled to temperatures very near to absolute zero (0 K, -273.15 °C, or -459.67 °F). Under such conditions, a large fraction of the atoms collapse into the lowest quantum state of the external potential, at which point quantum effects become apparent on a macroscopic scale.
This state of matter was first predicted by Satyendra Nath Bose and Albert Einstein in 1924-25. Bose first sent a paper to Einstein on the quantum statistics of light quanta (now called photons). Einstein was impressed, translated the paper himself from English to German and submitted it for Bose to the Zeitschrift für Physik which published it. Einstein then extended Bose's ideas to material particles (or matter) in two other papers.[1]
Seventy years later, the first gaseous condensate was produced by Eric Cornell and Carl Wieman in 1995 at the University of Colorado at Boulder NIST-JILA lab, using a gas of rubidium atoms cooled to 170 nanokelvin (nK)[2] (1.7×10-7 K). Cornell, Wieman, and Wolfgang Ketterle at MIT were awarded the 2001 Nobel Prize in Physics in Stockholm, Sweden for their achievements
Vissza a lap tetejére
Tudomány és Technika
(test@t-es-t.hu)