Aineen olomuodot

Yleiset olomuodot

Kiinteät aineet

Kiinteässä aineessa atomien sijainnit ovat kiinteitä toisiinsa nähden pitkän ajan kuluessa. Tämä johtuu molekyylien välisestä koheesiosta tai "kitkasta". Tämä koheesio saadaan aikaan metallisilla, kovalenttisilla tai ionisidoksilla. Vain kiinteitä aineita voidaan työntää voimalla muuttamatta niiden muotoa, mikä tarkoittaa, että ne kestävät muodonmuutoksia. Kiinteät aineet ovat yleensä myös riittävän vahvoja pitämään oman muotonsa astiassa. Kiinteät aineet ovat yleensä tiheämpiä kuin nesteet. Kiinteän aineen muuttumista kaasuksi kutsutaan sublimoitumiseksi.

Nesteet

Nesteessä molekyylit vetävät toisiaan puoleensa niin voimakkaasti, että ne pysyvät kosketuksissa toisiinsa, mutta eivät niin voimakkaasti, että ne pysyisivät tietynlaisessa rakenteessa. Molekyylit voivat jatkuvasti liikkua toisiinsa nähden. Tämä tarkoittaa, että nesteet voivat virrata tasaisesti, mutta eivät yhtä tasaisesti kuin kaasut. Nesteillä on taipumus ottaa sen astian muoto, jossa ne ovat. Nesteet ovat yleensä vähemmän tiheitä kuin kiinteät aineet, mutta tiheämpiä kuin kaasut.

Kaasut

Kaasussa kemialliset sidokset eivät ole riittävän vahvoja pitämään atomeja tai molekyylejä yhdessä, ja kaasu on näin ollen kokoelma itsenäisiä, sitoutumattomia molekyylejä, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään pääasiassa törmäysten kautta. Kaasuilla on taipumus ottaa säiliönsä muoto, ja ne ovat vähemmän tiheitä kuin kiinteät ja nestemäiset aineet. Kaasuilla on heikommat vetovoimat kuin kiinteillä aineilla ja nesteillä. Kaasun muuttumista suoraan kiinteäksi aineeksi kutsutaan laskeutumiseksi.

Kaasut voivat joskus muuttua suoraan kiinteiksi aineiksi ilman nestevaiheen läpikäyntiä. Tätä kutsutaan desublimaatioksi. Sen näkee kylmissä ilmastoissa ikkunalasien päälle muodostuvasta huurteisesta pakkasesta. Se on sublimaation kääntöpuoli.

Plasmat

Plasmat ovat kaasuja, joissa on niin paljon energiaa, että atomin elektronit eivät voi pysyä kiertoradalla yhden atomiytimen ympärillä. Atomiionit ja vapaat elektronit sekoittuvat kuin kuuma keitto.

Koska positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet hiukkaset eivät ole kiinni toisissaan, plasma johtaa hyvin sähköä. Esimerkiksi ilma ei johda hyvin sähköä. Salamaniskussa ilman atomit saavat kuitenkin niin paljon energiaa, etteivät ne enää pysty pitämään kiinni elektroneistaan, ja ne muuttuvat hetkeksi plasmaksi. Sitten sähkövirta pääsee virtaamaan plasman läpi, jolloin syntyy salama.

Plasma on maailmankaikkeuden yleisin aineen olomuoto. Sekä tähdet että tähtienvälinen väliaine koostuvat suurimmaksi osaksi plasmasta.

Vaiheen muutokset

Aineen faaseja voidaan muuttaa useilla eri tekijöillä. Yleisimmät niistä ovat lämpötila ja paine. Aineet muuttuvat yleensä kaasuksi lämpimissä lämpötiloissa ja/tai alhaisissa paineissa, kiinteäksi aineeksi viileissä lämpötiloissa ja plasmaksi erittäin kuumissa lämpötiloissa. Aineet muuttuvat usein nestemäisiksi kiinteän ja kaasun välissä, mutta kun paine on hyvin alhainen (kuten ulkoavaruuden tyhjiö), monet aineet ohittavat nestemäisen faasin ja muuttuvat suoraan kiinteästä kaasuksi tai päinvastoin. Tutkijat ovat luoneet faasimuutosdiagrammeiksi kutsuttuja kaavioita, joista käy ilmi monien aineiden paineen, lämpötilan ja faasin välinen suhde.

Kun kiinteä aine muuttuu nesteeksi, sitä kutsutaan sulamiseksi. Kun neste muuttuu kiinteäksi, sitä kutsutaan jäätymiseksi. Kun kiinteä aine muuttuu kaasuksi, sitä kutsutaan sublimoitumiseksi. Kun kaasu muuttuu kiinteäksi, sitä kutsutaan desublimaatioksi. Kun neste muuttuu kaasuksi, sitä kutsutaan haihtumiseksi. Kun kaasu muuttuu nesteeksi, sitä kutsutaan tiivistymiseksi.

Jäätymis- ja sulamispisteen sanotaan olevan samat, koska lämpötilan nousu kyseisestä pisteestä saa aineen sulamaan, kun taas lämpötilan lasku saa sen jäätymään. Samoin höyrystymis- ja tiivistymispisteet (tai sublimoitumis- ja desublimoitumispisteet) ovat aina samat. Useimmissa aineissa paineen kasvaessa myös höyrystymis- tai tiivistymispiste nousee tai päinvastoin. Esimerkiksi veden kiehumispiste laskee vuorta ylöspäin mentäessä, koska ilmanpaine on alhaisempi. Jäätymisen ja sulamisen suhde voi mennä eri suuntiin aineesta riippuen.

Muut valtiot

Monet muutkin aineen tilat voivat olla olemassa erityisolosuhteissa, mukaan lukien outo aine, superkiinteät aineet ja mahdollisesti säieverkkonesteet. Tutkijat tekevät kokeita hyvin korkeissa tai hyvin alhaisissa lämpötiloissa saadakseen lisää tietoa aineen faaseista.

Kondensaatit

Bose-Einsteinin kondensaatit ja fermionikondensaatit ovat aineen vaiheita, jotka koskevat bosoneiksi ja fermioneiksi kutsuttuja hiukkasia. (Samassa paikassa voi olla samanaikaisesti useampi kuin yksi bosoni. Samassa paikassa voi olla samaan aikaan vain yksi fermioni). Bose-Einsteinin kondensaatit ja fermionikondensaatit esiintyvät uskomattoman alhaisissa lämpötiloissa (noin 4° kelvinissä, mikä vastaa -452° Fahrenheitia). Näissä kondensaateissa kaikki hiukkaset alkavat käyttäytyä kuin yksi suuri kvanttitila, joten niissä ei ole juuri lainkaan kitkaa tai sähköistä vastusta.

Degeneroitunut aine

Kun tähden ytimestä loppuvat kevyet alkuaineet (kuten vety tai helium), jotka ylläpitävät fuusiota, ydin luhistuu erittäin tiheään tilaan, jota kutsutaan degeneraattimateriaaliksi. Kaikki on pakkautunut hyvin tiiviisti ja voi tuskin liikkua. Jos tähti ei ole liian raskas, siitä tulee valkoinen kääpiö. Raskaammassa tähdessä paine on niin kova, että jopa protonit ja elektronit murskautuvat, ja siitä tulee neutronitähti.

Kvark-gluoniplasmat

Atomeja muodostavat protonit ja neutronit koostuvat vielä pienemmistä olioista, joita kutsutaan kvarkkeiksi (joita "liimaavat" toisiinsa asiat, joita kutsutaan "gluoneiksi"). Uskomattoman korkeissa, yli 2 biljoonan kelvinin lämpötiloissa kvarkit ja gluonit muuttuvat toisenlaiseksi aineen tilaksi. Ihmiset voivat valmistaa hieman kvarkki-gluoniplasmaa CERNin suuressa hadronitörmäyttimessä, mutta se ei kestä kauan ennen kuin se jäähtyy.

Ylikriittiset nesteet

Kun aineen lämpötila ja paine ovat riittävän korkeat samaan aikaan (kriittinen piste), et voi erottaa hyvin tiheää kaasua ja hyvin energistä nestettä toisistaan. Tämä on ylikriittinen neste, ja se käyttäytyy sekä nesteen että kaasun tavoin.

Superfluidit

Supranesteet sen sijaan syntyvät vain hyvin alhaisissa lämpötiloissa ja vain muutamille erityisille aineille, kuten nestemäiselle heliumille. Supernesteet voivat tehdä asioita, joita tavalliset nesteet eivät voi tehdä, kuten virrata kulhon reunaa pitkin ja päästä ulos.