Każdy może wymienić trzy podstawowe stany skupienia materii: ciała stałe (kryształy - mające regularną budowę), ciecze i gazy (stan lotny). Znamy jeszcze pośrednie stany, takie jak ciała bezpostaciowe, które mają budowę podobną do cieczy ale nie zmieniają kształtu, przez co są podobne do ciał stałych (traktujemy je jak bardzo lepkie ciecze), czy też ciekłe kryształy - substancje płynne składające się z długich cząsteczek organicznych, mających możliwość porządkowania się w zewnętrznym polu elektrycznym.
Już od XIX wieku znamy inny stan - plazmę, a ostatnio otrzymano dwa nowe stany: kondensat Bosego - Einsteina i kondensat fermionów. Łącznie znamy więc sześć stanów skupienia materii.
Ale czy to wszystkie stany? W ostatnim czasie fizycy otrzymują układy mające odmienne własności co opisujemy na końcu. Czy to są również nowe stany materii?

Plazma powstaje w czasie wyładowania atmosferycznego

Plazma to zjonizowany gaz o odpowiednio dużej koncentracji cząstek naładowanych w postaci jonów i elektronów. Proces powstawania w gazie jonów i elektronów nazywamy jonizacją gazu. Na ogół gaz przed jonizacją jest elektrycznie obojętny, więc zgodnie z zasadą zachowania ładunku wytworzona plazma będzie również obojętna, ponieważ będzie zawierać jednakowe ilości ładunków dodatnich i ujemnych. Jednak na skutek na skutek termicznych ruchów jonów, elektronów, atomów lub cząsteczek w plazmie występują chaotyczne, chwilowe niejednorodności przestrzennego rozmieszczenia ładunków. Te niejednorodności wywołują w plazmie szereg specyficznych zjawisk, dlatego plazmę nazywamy quasi-obojętny elektrycznie.

W neonówce temperatura jonów i cząsteczek zbliżona jest do pokojowej, a wysoką temperaturę (kilkadziesiąt tysięcy stopni) mają jedynie elektrony

Naładowane cząstki plazmy oddziałują ze sobą za pośrednictwem sił kulombowskich. Są to siły dalekiego zasięgu i plazmy nie można traktować jako gaz, w którym cząstki oddziałują ze sobą jedynie podczas zderzeń. Dlatego też plazmę można rozpatrywać jednocześnie jako ośrodek ciągły (podobny do własności cieczy) oraz jako ośrodek składający się z dużych zbiorów pojedynczych cząstek (podobnie jak gaz). Nie jest to więc ani ciecz ani gaz i plazmę traktujemy jako czwarty stan skupienia materii.
Siły dalekiego zasięgu pojawiają się jednak tylko wtedy, gdy dla danego rozmiaru plazmy, jonów jest dostatecznie dużo czyli jest odpowiednio duży stopień jonizacji. Aby to wyjaśnić trzeba przyjrzeć się procesom zachodzącym w otoczeniu naładowanej cząstki. Każda naładowana cząstka znajdująca się w zjonizowanym gazie wytwarza własne pole elektryczne, które powoduje polaryzację otaczającego ją ośrodka. Dookoła takiej cząstki grupują się cząstki naładowane przeciwnie, co w pobliżu cząstki, osłabia praktycznie do zera pole elektryczne. Takie zjawisko nazywamy ekranowaniem. Rozmiary przestrzeni, w którym zachodzi ekranowanie nazywamy promieniem Debye'a.

Parametry plazmy występującej w przyrodzie i technice

Jeżeli obszar zjonizowanego gazu jest dużo większy od promienia Debye'a to siły dalekiego zasięgu się ujawniają i gaz ma własności plazmy. Promień Debye'a rośnie wraz z temperaturą i maleje wraz ze wzrostem ładunku i koncentracji otaczających go cząstek. Więc o tym czy zjonizowany gaz ma własności plazmy, decyduje nie tylko temperatura i koncentracja cząstek naładowanych, ale też najmniejszy rozmiar przestrzeni wypełnionej plazmą. Czym mniejszy jest obszar to w danej temperaturze koncentracja jonów powinna być większa.
Plazma silnie oddziaływuje z zewnętrznym polem elektrycznym i magnetycznym. Jest również dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Opór elektryczny plazmy maleje wraz ze wzrostem temperatury i w wysokich temperaturach plazma jest lepszym przewodnikiem niż metale.
Plazma wysyła silne promieniowanie w zakresie światła podczerwonego, widzialnego, nadfioletowego i rentgenowskiego. Przy niskich temperaturach emituje przede wszystkim widmo dyskretne (w świetle są tylko poszczególne długości światła) związane z przejściem elektronów między określonymi poziomami energetycznymi atomów lub jonów. Ze wzrostem temperatury (a więc i jonizacji) wzrasta udział promieniowania o widmie ciągłym, pochodzących z procesu zobojętniania (rekombinacji) jonów i elektronów oraz procesu hamowania swobodnych elektronów w polu elektrycznym jonów. Emisja promieniowania jest przyczyną stygnięcia plazmy. Aby taki stan utrzymać przez dłuższy czas należy zapewnić stały dopływ energii.

W jonosferze, tam gdzie powstają zorze polarne, gęstość jest bardzo mała, a temperatura jest niższa od pokojowej

Każda substancja w odpowiednio wysokiej temperaturze może przejść w stan plazmy w wyniku termicznej jonizacji. W bardzo wysokich temperaturach (powyżej miliona Kelwinów) materia jest już całkowicie zjonizowana i taki stan materii występuje w jądrze Słońca i innych gwiazd. Wtedy w przypadku atomów lekkich istnieją tam tylko jądra atomowe i elektrony. Plazmą jest również obszar międzygwiezdny. Chociaż temperatura przestrzeni wynosi zaledwie 3K (-270°C), ale zajmuje ogromny obszar (dużo większy od promienia Debye'a), jest to więc też stan plazmy. Jak się szacuje plazma jest najczęściej spotykanym stanem materii we Wszechświecie i stanowi 99% znanej materii Wszechświata.
Plazma występuje w jonosferze ziemskiej i w pasach van Allena. Właściwości plazmy decydują o ochronnej funkcji ziemskiej atmosfery przed wiatrem słonecznym promieniowaniem kosmicznym. Również zorza polarna związana jest ze zjawiskami zachodzącymi w plazmie jonosfery.
W warunkach ziemskich plazma występuje rzadko. Można ją spotkać w wyładowaniach atmosferycznych, płomieniu, w łuku elektrycznym (jest to wyładowanie w gazie np. powietrzu między dwoma elektrodami węglowymi lub metalowymi) oraz lampach wyładowczych - świetlówki (lampy rtęciowe) i lampy neonowe.

Doświadczalny reaktor plazmowy

Co ciekawe w lampach wyładowczych wysoką temperaturę mają tylko elektrony, natomiast atomy i jony mają temperaturę pokojową lub tylko nieco podwyższoną. Znalazło to szerokie zastosowanie. Gorące elektrony powodują reakcje w chłodnych składnikach lampy co zapewnia ich stabilność (w wysokich temperaturach nowe związki natychmiast się rozpadają). Jeśli umieścimy odpowiedni związek wyjściowy w postaci gazu lub pary w próżniowym pojemniku zwanym reaktorem plazmowym i spowodujemy wyładowanie jarzeniowe to ze stanu plazmy osiadają na powierzchniach warstwy mające różne niezwykłe właściwości. Wykorzystuje się to przy wytwarzaniu warstw dowolnych grubości w wielu przypadkach, np. tworzeniu membran, warstw antykorozyjnych, warstw ochronnych na narzędzia w medycynie, naparowanie soczewek kontaktowych, wykonywanie ogniw słonecznych czy też wykonywanie matryc tranzystorów.
Plazmę stosuje się również do topienia, cięcia i spawania materiałów trudno topliwych (metali i stopów, materiałów ceramicznych, betonu), w urządzeniach wiertniczych, monitorach i telewizorach plazmowych, do unieszkodliwiania odpadów oraz w silnikach jonowych (plazmowych). Światowa produkcja, w której wykorzystywana jest obecnie technologia plazmy, osiąga rocznie wartość 500 mld dolarów.
Plazmę wysokotemperaturową (o temperaturze wyższej niż milion stopni Celsjusza) w laboratorium utrzymuje się w polu magnetycznym aby nie dopuścić do kontaktu ze ścianami pojemnika. Taka sytuacja pojawia się gdy chcemy uzyskać reakcję termojądrową.
W 2006 roku w amerykańskim laboratorium Sandia udało się otrzymać "rekordową" plazmę o temperaturze dwóch miliardów stopni Celsjusza. Naukowcy przepuścili prąd o natężeniu 20 milionów amperów przez układ pionowo ustawionych stalowych drucików, przekształcając je w obłok plazmy, ściśnięty następnie przez pole magnetyczne. Jony i elektrony plazmy zatrzymały się gwałtownie, uwalniając energię w postaci promieniowania rentgenowskiego. Dalsze badania mogą doprowadzić między innymi do lepszego zrozumienia zachowania niektórych gwiazd oraz opracowania instalacji do syntezy termojądrowej.
Przy opracowaniu tematu najwięcej korzystano z następujących publikacji:
Słownik fizyczny wydawnictwa Wiedza Powszechna;
Encyklopedia fizyki współczesnej;
Czesław Bobrowski, Fizyka - krótki kurs;
Jacek Tyczkowski, Neony, plazma, warstwy; Wiedza i Życie 7/2002;


Dwa pozostałe stany skupienia wynikają z kwantowych własności materii. Zwykły gaz zachowuje się klasycznie czyli jak cząstki z którymi my mamy do czynienia na co dzień. Każda cząstka klasyczna jest rozróżnialna (tak jak rozróżnić możemy poszczególnych ludzi) i podlega statystyce Maxwella-Boltzmanna. Jeżeli mamy małe cząstki znajdujące się w małych odległościach to ujawniają się właściwości falowe tych cząstek i opisując ich ruch musimy korzystać z równań mechaniki kwantowej. Dla cząstek mających własności falowe (nazywanych falocząstkami) nie ma pojęcia toru, możemy jedynie podać prawdopodobieństwo znajdowania się cząstki w danym miejscu. Dlatego cząstki kwantowe są nierozróżnialne. Możliwe są dwa przypadki: cząstki zwane bozonami, które w dowolnej ilości mogą występować w danym stanie kwantowym, czyli nie podlegają zakazowi Pauliego oraz

Obraz cienia kondensatu Bosego-Einsteina atomów rubidu

cząstki zwane bozonami, podlegającymi zakazowi Pauliego, czyli w danym stanie kwantowym może się znajdować tylko jedna cząstka. Bozony podlegają statystyce Bosego-Einsteina i mają spin całkowity (zaliczamy do nich wszystkie cząstki przenoszące oddziaływania np. fotony i jądra składające się z parzystej liczby nukleonów). Fermiony podlegają statystyce Fermiego-Diraca i mają spis połówkowy (są to np. elektrony, protony, neutrony, neutrina i jądra o nieparzystej liczbie nukleonów). Pojedyncze fermiony i bozony występują więc masowo. Zbiór bardzo dużej ilości bozonów powiązanych ze sobą nazywamy kondensatem Bosego - Einsteina (BEC), natomiast fermionów kondensatem Fermiego-Diraca.
Kondensat Bosego - Einsteina (BEC) to materia, w której wszystkie atomy są identyczne i zachowują się tak, jakby stanowiły jeden, duży "superatom". Choć BEC przewidział Einstein już w 1924 roku, to pierwszy raz udało się go uzyskać z atomów rubidu dopiero w 1995 r. Osiągnięcie to uhonorowano Nagrodą Nobla w 2001 roku.

Rozkłady gęstości atomów potasu. W zależności od zewnętrznego pola magnetycznego fermiony mogą być słabo sparowane (pik najdalszy) lub silnie sparowane (pik najbliższy).

Uzyskanie kondensatu fermionów było trudniejsze i przez wiele lat wydawało się niemożliwe. Jak obejść zakaz Pauliego i otrzymać zbiór identycznych fermionów w kondensacie? Okazało się, że fermiony mogą się łączyć w pary, tak jak elektrony łączą się w pary Coopera w nadprzewodnikach. Sparowane fermiony zachowują się jak bozony i mogą zajmować jeden stan energetyczny. Mogą więc utworzyć kondensat Bosego-Einsteina zwany kondensatem fermionowym (kondensat fermionów jest jakby odmianą kondensatu Bosego-Einsteina). Ostatnio kilka grup badawczych starało się go otrzymać. W końcu fizycy z Uniwersytetu Kolorado pod kierownictwem Deborah Jin uzyskali kondensat fermionów chłodząc chmurę utworzoną przez około pół miliona atomów potasu do 50 miliardowych stopnia powyżej zera absolutnego (0,00000005K). Atomy były utrzymywane przez pole magnetyczne. Z jednej strony pole zezwalało na silne związanie fermionów w cząsteczki i utworzenie molekularnego kondensatu Bosego-Einsteina. Z drugiej sprawiało, że słabo związane pary atomów łączyło oddziaływanie w istotny sposób zależne od pozostałych atomów (takie pary nie mogłyby istnieć wyizolowane). Zaobserwowano wtedy charakterystyczny dla kondensatu rozkład gęstości atomów. Ich zachowanie stało się tak jednorodne, że nie daje się ich odróżnić. Jest to szósty stan skupienia materii.
Zbadanie kondensatu fermionów być może pozwoli na lepsze zrozumienie zjawiska nadprzewodnictwa i może doprowadzić do opracowania nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej. Takie materiały znalazłyby zastosowanie w budowie komputerów, urządzeń medycznych, a nawet transporcie (na przykład pociągi na poduszce magnetycznej). Na razie "najcieplejsze" nadprzewodniki wymagają temperatury -135°C.
Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym portalu Onet i nr. 3/2004 czasopisma "Świat Nauki".

Sieć regularnych plamek jest obrazem rdzeni wirów w trzech różnych układach: w kondensacie Bosego-Einsteina atomów sodu (na górze), w kondensacie Bosego-Einsteina silnie związanych bozonowych molekuł zbudowanych z dwóch fermionowych atomów litu o przeciwnie skierowanych spinach (pośrodku) oraz w układzie słabo związanych par atomu fermionowego litu (na dole). Te kwantowe wiry są niezbitym dowodem nadciekłości. W tle klasyczny wir cyklonu Izabel.

Grupa fizyków z Massachusetts Institute of Technology pod kierunkiem laureata nagrody Nobla z 2001 roku Wolfganga Ketterlego doniosła o uzyskaniu układu fermionów w stanie nadciekłości. Atomy litu 6 w bardzo niskiej temperaturze (milionowe części Kelwina) umieszczono w polu magnetycznym. Najpierw powstaje kondensat fermionów otrzymany wcześniej przez grupę Jin. Zwiększając to pole uzyskuje się nadciekły stan typu BCS (nazwa pochodzi od nazwisk twórców teorii nadprzewodnictwa: Bardeen, Cooper, Schrieffer). Dowodem nadciekłości czyli ruchu cieczy bez tarcia jest powstanie wirów.
Wytworzenie tych wirów nie było łatwe. Najpierw zespół Ketterlego otrzymał kondensat Bosego-Einsteina atomów sodu, którym ochłodził fermionowe atomy litu. Następnie umieszczono lit w pułapce zbudowanej z przecinających się wiązek laserowych i chmura atomów przypierała wówczas kształt wydłużonej elipsoidy. Następnie skierowali dwie wiązki laserowe dokładnie wzdłuż dłuższej osi pułapki, wprawiając chmurę w ruch obrotowy. Jeśli wprawimy taki kondensat w ruch obrotowy, to moment pędu całości musi być skwantowany. Dlatego w wirującym dostatecznie szybko kondensacie powstaje cała sieć regularnie rozłożonych wirów. We wnętrzu wiru gęstość atomów spada do zera. Na dodatek wiry odpychają się, co prowadzi do ich regularnego rozłożenia wewnątrz chmury i tworzy się charakterystyczna sieć. Taka struktura świadczy o nadciekłości układu. Chcąc zaobserwować powstałe wiry, uwolnili chmurę atomów z pułapki, by mogła swobodnie się rozszerzać. Ekspansja gazu spowodowała powiększenie rdzenia wiru do rozmiarów, które dało się już rejestrować kamerą.
Opracowano na podstawie informacji zamieszczonej w nr 8/2005 Świata Nauki

Ślady cząstek po zderzeniu w cyklotronie

W 2005 roku w laboratorium RHIC w Brookhaven w USA otrzymano po raz pierwszy plazmę kwarkowo - gluonową. Okazało się, że jest to substancja niemal idealnie płynna i porusza się prawie bez lepkości. Bardziej pasuje więc nazwa zupa kwarkowo - gluonowa niż gorąca plazma.
Do wytworzenia kwarkowej zupy fizycy użyli jonów złota. Rozpędzali je do ogromnej prędkości (aż 99,995 proc. prędkości światła), po czym zderzali je czołowo. Jądro atomu złota składa się ze 197 protonów i neutronów. Kiedy takie dwa rozpędzone i masywne jądra wpadną na siebie, protony i neutrony dosłownie zlewają się ze sobą i rozpadają na kwarki. Powstaje kropelka substancji niezwykle gęstej, rozpalonej do dwóch bilionów stopni i rozmiaru bilionowej części milimetra.
Taka materia istniała na początku Wszechświata w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Substancja ta rozpada się w tak małym ułamku sekundy, że żaden ze znanych przyrządów badawczych nie jest w stanie złapać tego momentu i wykonać pomiarów. Na podstawie śladów zderzeń produktów tej materii ustalono, że składniki zupy kwarkowo - gluonowej poruszały się kolektywnie - jak w cieczy, a nie niezależnie od siebie - jak w gazie. A to oznacza, że oddziałują z sobą silniej, niż się zdawało. To dopiero początki badań takiego stanu.
Opracowano na podstawie informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej.

---

« Poprzednia  Następna »