Вещество

В предыдущих статьях много внимания уделялось элементарным частицам и их взаимодействию. Теперь поговорим о группировках элементарных частиц, т.е. о веществе.

Вещество — группировка элементарных частиц

Вещество представляет собой соединение множества электронов, нейтронов и протонов. В ней не обязательно присутствует упорядоченность, так что элементарные частицы могут быть свободны и двигаться на «свой страх и риск», независимо от других частиц.

Например, сильно раскаленное и плотное вещество при образовании Вселенной состояло лишь из элементарных частиц.

При низких температурах и плотности частицы, напротив, имеют тенденцию образовывать простые системы:

  • ядра,
  • атомы,
  • молекулы
  • и кристаллы.

Организация элементарных частиц в простейшие системы является естественным результатом взаимодействия ядерных и электрических сил между частицами.

Эти силы присущи им. Протоны и нейтроны снабжены ядерной силой, протоны и электроны — электрической.

Действие сил между отдельными частицами вещества, обусловлено расстоянием между ними, то есть плотностью вещества, однако оно зависит и от скорости движения частиц в веществе или от его температуры.

Нагревание вещества
Рис.62

Рис.62. При нагревании вещества возрастает его температура (на картинке слева температура указана в кельвинах, справа — в градусах Цельсия). При этом изменяется организация частиц в веществе (центральная часть рисунка). Справа — названия агрегатных состояний, слева — переходы между состояниями.

Иными словами, наблюдаемые свойства какого-либо вещества будут зависеть от его плотности и температуры.

Наглядное представление об этом дается на рис. 63 и 64.

Нагревание вещества

Нагревание вещества означает увеличение кинетической энергии его частиц.

На нашем рисунке нагревание обозначено движением вверх. Если мы нагреваем кристаллики воды — снежинки, их кристаллическая структура разрушается, и из твердого состояния вещество переходит в жидкое.

Расстояние между молекулами воды очень небольшое, такое же, каким оно было в кристалле. Молекулы притягиваются друг к другу с достаточно большой силой, продолжают находиться рядом, и жидкость не расширяется.

Однако тепловое движение молекул обусловливает их взаимное движение. Они связаны не так неподвижно, как в кристалле.

С последующим нагреванием скорость движения молекул воды повышается. Они довольно быстро преодолевают притяжение соседних молекул в жидкости и покидают ее. В результате испарения жидкость превращается в газ.

Тепловое движение молекул целиком преобладает над силой притяжения. Молекулы газа движутся независимо от других молекул, и их движение носит абсолютно хаотический характер.

Поэтому газ имеет тенденцию расширяться.

Молекулы сталкиваются друг с другом, при столкновении меняют направление движения и скорость. Если мы продолжаем нагревать газ, молекулы сталкиваются с большей силой.

При достаточно высокой температуре столкновения становятся настолько стремительными, что молекулы начинают в результате столкновений распадаться на отдельные атомы.

Кинетическая энергия молекул больше энергии связи между их атомами. Этот распад молекул на атомы называется термической диссоциацией.

Возьмем для примера такое вещество, как вода.

Разогретая до температуры свыше двух тысяч градусов она разлагается на водород и кислород. Нарушается молекулярная структура, и вода превращается в смесь водорода и кислорода.

При дальнейшем нагревании газа (до температуры в тысячи кельвинов) атомы движутся все быстрее и быстрее. Они сталкиваются друг с другом своими электронными оболочками. При температуре свыше десяти тысяч кельвинов эти соударения становятся все более резкими, так что при этом из них начинают вылетать электроны.

У атомов, бывших до столкновений нейтральными (т.к. количество электронов в оболочке равняется количеству протонов в ядре), электронная оболочка становится неполной. Такой неполный атом, в котором не хватает одного или более электронов, называется ионом.

Ион заряжен положительно, так как количество протонов в ядре превышает количество электронов оболочки. В очень горячем газе движется много положительных ионов и свободных электронов. Такой газ, частично или полностью ионизированный, называется плазмой.

Солнце и все звезды, которые мы видим на небосводе, состоят из плазмы. Звезды — это огромные плазменные шары.

В плазме кинетическая энергия электронов больше их энергии связи в атомах. Поэтому атомы распадаются на ионы и электроны.

Если продолжать нагревать плазму, атомы окончательно распадаются на атомные ядра и свободные электроны.

При температуре много миллиардов кельвинов в плазме происходят настолько сильные соударения, что ядра атомов распадаются на отдельные нуклоны. Кинетическая энергия частиц при столь высоких температурах выше энергии связи нуклонов в ядре атома.

Такое вещество называется нуклонным газом или нугазом. Он состоит из протонов, нейтронов и электронов, которые стремительно движутся.

Нугаз встречается в конечной стадии эволюции массивных звезд. Звезда коллапсирует под действием гравитации (гравитационный коллапс) и раскаляется до температур много миллиардов кельвинов.

В заключение можем сказать, что:

с повышением температуры материя становится все более простой.

И в конце концов, при очень высоких температурах она существует в простейшей форме, состоящей из свободных быстродвижущихся элементарных частиц. Отсутствует какая-либо структура, нет ни ядер, ни атомов, ни молекул.

Сжатие вещества

Если плотность вещества увеличивается, то в каждом кубическом сантиметре повышается количество частиц, постоянно приближающихся друг к другу. В 1 см3 может быть и одна единственная частица, как это наблюдается в межзвездном проcтранстве, и десять триллионов (1019) частиц, как, например, в воздухе, которым мы дышим.

Сжатие вещества
Рис.64. Свойства вещества меняются в зависимости от ее плотности. Вода, взятая из ведра, цистерны или бассейна, сжатая до объема наперстка, превратится в вырожденный или нейтронный газ. Вода бассейна, сжатая до объема булавочной головки, превратится в гиперонный газ.

В звездах, называемых белыми карликами в 1 см3 более чем 1027 частиц, а в необыкновенно плотных нейтронных звездах в 1 см3 насчитывается более чем 1035 частиц.

Обратимся к рисунку 64 и посмотрим, как изменяются свойства материи, если ее все более сжимать в объеме. Сжатие (возрастание плотности) на рисунке показано движением слева направо.

Если бы мы поместили ведро воды в наперсток, молекулы воды были бы так набиты в нем, что электроны не знали бы, к какому атому они принадлежат, и беспорядочно перелетали бы между атомами кислорода и водорода.

В условиях такой большой плотности в 1 см3 насчитывается во много тысяч раз больше электронов, протонов и нейтронов, чем в обычной воде.

В этой «толкучке» атомы не могут позволить себе иметь «накрахмаленную и разутюженную» электронную оболочку. Поэтому электроны освобождаются из нее, как и в условиях высоких температур.

Разумеется, в данном случае, это освобождение электронов, или ионизация, является результатом большой плотности, но никак не температуры, а, следовательно, может происходить и при очень низких температурах.

Свободные электроны уже не относятся к определенным ядрам, так как являются общей собственностью всех ядер материи. Такая материя похожа на ионизированную плазму, в которой находятся лишь ядра атомов и свободные электроны.

Именно свободные электроны представляют сейчас для нас интерес.

Электроны — это фермионы, а нам уже известно, что «в купе поезда» их может быть только два (рис. 18 статья «Элементарные частицы»). Это называется принципом Паули.

В малом пространстве могут находиться лишь два электрона с одинаковой скоростью, которые, однако, должны вращаться в противоположных направлениях (то есть иметь взаимно противоположный спин).

Каждый следующий электрон, втиснутый в это пространство, должен отличаться от двух находящихся там электронов большей скоростью и большей энергией. (Упомянутое нами «малое пространство» с двумя электронами определяется с помощью постоянной Планка так, что его величина равна h3).

С возрастанием плотности увеличивается и скорость электронов. Даже при довольно низкой температуре сверхплотного вещества свободные электроны должны двигаться весьма быстро. Такие быстро летящие электроны вызывают давление.

Давление в сверхплотном веществе зависит от его плотности. Подобное сверхплотное вещество называют вырожденным. И наоборот, давление в плазме, например, на Солнце, зависит не только от ее плотности, но и от ее температуры.

Когда жизнь нашего Солнца подойдет к концу, оно превратится в маленький белый карлик, величина которого будет примерно равна Земле, а плотность — около миллиона граммов в 1 см3. Солнечная плазма при этом превратится в вырожденное вещество.

Белые карлики — это «звездные пенсионеры», которые живут за счет тепла, накопленного в предыдущей жизни в результате термоядерных реакций.

Если бы мы продолжали сжимать вырожденное вещество, например, часть белого карлика, плотность будет увеличиваться. При плотности порядка 108 г/см3 (сто тонн в 1 см3) кинетическая энергия электронов достигает 0.8 Мэв, а суммарная энергия — 1.3 Мэв.

В этом случае энергия протонов в ядре (938.2 Мэв) и суммарная энергия электронов (1.3 Мэв) равняются энергии нейтронов (939.5 Мэв) и электроны соединяются с протонами в нейтроны. С дальнейшим нарастанием плотности возрастает и суммарная энергия электронов, так что при соединении электрона с протоном в нейтрон освобождается энергия.

В подобных условиях нейтроны становятся стабильными частицами, потому что для их распада на протон и электрон потребовалась бы энергия.

Итак, в материи происходит процесс соединения свободных электронов и протонов ядра в нейтроны. Этот процесс называется нейтронизация. При плотности свыше 108 г/см3 вещество превращается в нейтронный газ.

В таких условиях, разумеется, атомные ядра перестают существовать, так как протоны превращаются в нейтроны. Из нейтронного газа состоят пульсары.

Если бы мы сжали цистерну воды до размеров булавочной головки или воду бассейна вместили бы в наперсток, мы получили бы нейтронный газ без молекул, без атомов, без атомных ядер. И для этого потребовалась бы гигантская энергия.

Если бы мы могли и дальше сжимать нейтронный газ, то при плотности около 1015 г/см3 (миллиард тонн в 1 см3), а это означало бы вместить воду бассейна в размеры булавочной головки, мы получили бы так называемый гиперонный газ, так как кроме нейтронов в нем присутствовали бы и гипероны.

При сжатии гиперонного газа до плотности более 1015 г/см3 мы получили бы вещество, о свойствах которого нам ничего не известно.

Такое вещество действительно существует во Вселенной, в так называемых черных дырах. Мы не знаем, что оно представляет собой, потому что ни одна частица, даже фотон, не может вырваться из черных дыр, чтобы рассказать нам о свойствах этого вещества.

Итак, мы пришли к выводу: чем больше плотность материи или выше ее температура, тем проще материя.

При большой плотности или температуре материя может существовать лишь в виде свободных элементарных частиц. На Земле температура и плотность низкие, поэтому элементарные частицы здесь могут существовать в упорядоченных системах. Лишь при низкой температуре и плотности, такой как на Земле, может существовать жизнь.

Оцените статью
Добавить комментарий