Maddenin hâlleri

Bir fizik terimi olarak maddenin hâli, maddenin aldığı farklı fazlardır. Günlük hayatta maddenin dört farklı hâl aldığı görülür. Bunlar; katı, sıvı, gaz ve plazmadır. Maddenin başka hâlleri de bilinir. Örneğin; Bose-Einstein yoğunlaşması ve nötron-dejeneje maddesi. Fakat bu hâller olağanüstü durumlarda gerçekleşir, çok soğuk ya da çok yoğun maddelerde. Maddenin diğer hâllerininde, örneğin quark-gluon plazmalar, mümkün olduğuna inanılır fakat şu an sadece teorik olarak bilinir.

Tarihsel olarak, maddenin özelliklerindeki niteleyici farklılıklara dayanarak ayrım yapılır. Katı hâldeki madde bileşen parçaları ile (atomlar, moleküller ve iyonlar ile) bir arada tutulur ve böylece sabit hacim ve şeklini korur. Sıvı hâldeki madde hacmini korur fakat bulunduğu kabın şeklini alır. Bu parçalar bir arada tutulur ama hareketleri serbesttir. Gaz hâlindeki madde ise hem hacim olarak hem de şekil olarak bulunduğu kaba ayak uydurur.Bu parçalar ne beraber ne de sabit bir yerde tutulur. Maddenin plazma hâli ise, nötr atomlarda dahil, hacim ve şekil olarak tutarsızdır. Serbestçe ilerleyen önemli sayıda iyon ve elektron içerirler. Plazma,evrende maddenin en yaygın şekilde görülen hâlidir.

Katılarda parçacıklar (iyonlar, atomlar ya da moleküller) sıkı sıkı bir arada tutulmuştur. Parçacıklar arasındaki bağlanma güçlüdür. Bu yüzden bu parçalar serbestçe hareket edemezler fakat titreşim oluşturabilirler. Bu yüzden bir katı sabittir, belli bir hacmi ve şekli vardır. Katıların şekli sadece bir kuvvet tarafından değiştirilebilir. Örneğin kırılabilir ya da kesilebilir. Örnekte, kristal hâldeki katıda, parçacıklar (atomlar, moleküller ya da iyonlar) düzenli bir sırada toplanmışlardır. Birden çok, farklı kristal yapılar vardır ve aynı madde birden fazla yapıya (ya da katı fazda) sahip olabilir. Örneğin, demirin kütle merkezi 912 °C den az sıcaklıkta kübik yapıya sahiptir. 912 ve 1394 °C sıcaklık arasında ise yüzey merkezli kübik yapıya sahiptir. Buzun çeşitli sıcaklıklarda ve basınçlarda var olan on beş kristal yapısı bilinir.

Camlar ve diğer kristal olmayan yani uzun vadeli diziler hariç kendine özgü billurlaşmıs bir biçimi olmayan katılar termal denge durumunda değillerdir. Bu yüzden bunlar maddenin klasik olmayan hâli olarak aşağıda tanımlanmıştır.

Bir sıvı neredeyse sıkıştırılamayacak akışkanlıktadır yani bulunduğu kabın şeklini alır. Fakat basınçtan bağımsız olarak, (neredeyse) sabit bir hacimde kalır. Eğer sıcaklık ve basınç sabitse, belli bir hacmi vardır. Katı hâldeki bir madde erime noktasının üstünde ısıtılırsa,yani verilen basınç maddenin üçlü noktasından daha yüksek olursa, bu katı sıvılaşmaya başlar. Moleküller arası (ya da atomlar,iyonlar arası) kuvvetler de önemlidir. Fakat, moleküllerin birbirleriyle ilişki kurması yeterli enerjiye sahiptir ve yapıları hareketlidir. Bu da verilen sıvının tanımlanamaması anlamına gelir ama bulundukları kap ile tanımlanırlar. Hacimleri genellikle katılardan daha büyüktür .En çok bilinen örneği ise su, H2O dur. En yüksek sıcaklıkta verilen bir sıvı kritik sıcaklıkta var olabilir.

Bir gazda moleküller yeterli kinetik enerjiye sahiplerdir. Bu yüzden moleküller arası uygulanan kuvvet çok azdır (ya da ideal gazlarda sıfırdır) ve moleküller arası uzaklık,moleküler boyutlarından çok daha büyüktür. Bir gaz şekil ve hacim tanımlamasına sahip değildir. Ama bulundukları kabı kaplarlar. Bir sıvı sabit basınçta ve kaynama noktasında ısıtma ile ya da sabit sıcaklıkta basınç azaltılarak bir gaza dönüştürülmüş olabilir.

Bir gazın kritik sıcaklık değeri altındaki sıcaklıklarda soğutma olmadan tek başına sıkıştırılması ile bu gaz sıvılaştırılabilir. Buna vapor adı da verilir. Katının (ya da sıvının) gaz basıncının buhar basıncına eşit olduğu durumlarda, bir buhar bir sıvı (ya da katı )ile denge içinde olabilir.

Bir plazmanın gazlarda da olduğu gibi, belirli bir şekli ya da hacmi yoktur. Gazların aksine, plazmalar elektrik akımını iletirler. Manyetik alan ve elektrik akımı üretirler ve elektromanyetik kuvvetlere karşılık verirler. Pozitif yüklü çekirdek, serbetçe hareket eden ayrılmış elektronların "deniz"inde yüzebilir. Aslında elektrik yapmak için plazma özel meselesi sağlayan bu elektron "deniz " dir.

Maddenin plazma hâli genellikle yanlış anlaşılır ama gerçekte dünya üzerinde oldukça yaygındır ve insanların çoğu bu plazma hâlini farkında olmadan düzenli olarak gözlemlerler. Ateş, ışıklandırma, elek kıvılcımları, floresan lambaları, neon ışıklar, plazma televizyonlar ve yıldızlar plazma hâlindeki ışıklandırılmış maddelerin örnekleridir.

Bir gaz genellikle bir plazmaya iki şekilde dönüştürülür. Bunlar; iki nokta arasındaki voltaj farki ve son derece yüksek sıcaklığa maruz bırakmak ile gerçekleşir.

Maddeyi yüksek sıcaklıklarda ısıtmak elektronların atomlardan ayrılmasına sebep olur. Böylece serbest elektronlar meydana getirilir. Çok yüksek sıcaklıklarda, örneğin yıldızlarda bulunan, elektronların aslında “serbest” olduğu ve çok yüksek sıcaklıktaki plazmanın bir elektron denizinde yalın bir şekilde yüzdüğü farzedilir.

Maddenin hâli, faz geçişleri ile de ayırt edici özellik olur. Bir faz geçişi yapıdaki bir değişimi gösterir ve özelliğindeki ani bir değişim ile ayırt edilebilir. Herhangi bir hâlden başka bir hâle geçen madde bir faz dönüşümü ile ayırt edilebilir. Suyun birçok farklı katı hâli olduğu söylenebilir. Süper iletkenliğin görünüşü faz dönüşümü ile ilişkilendirilir. Yani, süper iletkenlik hâlleri vardır. Örnek olarak, demir manyetizması hâli, faz geçişleri ile ayrılır ve ayırt edici özellikleri vardır.

Verilen maddenin hâli ya da fazı basınç ve sıcaklık koşullarına bağlı olarak diğer aşamalara geçiş için değişebilir; Örneğin, sıcaklık artışı ile katıdan sıvıya geçişler. Mutlak sıfır civarlarında, bir madde katı hâlde bulunur. Eğer bu maddeye ısı verilirse erime noktasında sıvılaşarak erir,kaynama noktasında gazlaşır ve eğer yeterince yüksek derecede ısıtılırsa plazma hâline geçer. Plazma hâlinde elektronlar oldukça enerjilidir bu yüzden atomlarından ayrılırlar.

Maddenin formları moleküllerden oluşturulmaz ve farklı güçler tarafından düzenlenen formlarda maddenin durumları olarak düşünülebilir. Süperakışkanlar (Fermiyonik yoğuşma gibi) ve quark–gluon plazma örnekleridir.

Kimyasal Denklemlerde maddenin katı hâli için (k), sıvı için (s), gaz için (g) ile gösterilebilir. Sulu çözelti için ise (aq) ile gösterilir. Kimyasal denklemlerde plazma hâlindeki maddeler nadiren kullanılır. Bu yüzden plazma hâlini tanımlamak için standart bir sembol yoktur.

Kristal olmayan ya da şekilsiz bir katı olan cam, sıvı hâline doğru ısıtıldığında bir cam geçişi gösterir. Camlar oldukça farklı tip malzemeden yapılabilir. Örneğin; inorganik ağlar (silisik asit tuzu eklenerek yapılmış pencere camı), metal alaşımları, iyonik erimeler, sulu çözeltiler, moleküler sıvılar, ve polimerler gibi.

Bir plastik kristal, uzun menzil dizilimi ile bir moleküler katıdır ama tutunan bileşen moleküller serbestçe döner. Konumsal camlarda bu serbestlik derecesi bastırılmış düzensiz hâlde donmuştur.

Kristal sıvı hâli akışkan sıvılar ile düzenli katılar arasında özelliklere sahiptir. Genellikle, bir sıvı gibi akabilirler ama uzun menzili düzen gösterirler. Örneğin, nematik kristal, 118–136 °C arasındaki sıcaklık aralığında olan para-azoxyanisole gibi uzun çubuk moleküllerden oluşur. Bu hâlde, moleküller sıvılar gibi akışkandır ama her nokta aynı yöndedir (aynı alan çevresinde) ve serbestçe hareket edemezler.

Geçiş metal atomlarının kimyasal bağ formu almamış ve bağlanmamış kalan elektronlarından gelen manyetik momentleri vardır. Bazı katılarda, farklı atomların manyetik momentleri düzene geçer ve ferromanyetik, antiferromanyetik, ferrimanyetik formları alabilir.

Ferromanyetik maddelerde –örneğin katı demir- her atomun manyetik momenti, manyetik etki alanı içinde aynı yönde hizalanır. Eğer alanlar da sıralıysa, katı geçici manyetiktir; harici bir manyetik alan bulunmasa da manyetikliği devam eder. Mıknatıs, Curie noktasına (demir için 768 °C) kadar ısıtıldığında manyetiklik kaybolur.

Antiferromanyetik maddeler birbirine eşit ve karşıt iki manyetik moment ağı barındırır. Bu ağlar birbirini yok eder ve böylece manyetizm sıfırlanır. Örneğin, nikel(II) oksit (NiO) ‘de, nikel atomlarının yarısı momentlerini bir yönde, kalan yarısı tam tersi yönde hizalar.

Ferrimanyetik maddelerde, manyetik momentler karşıt yöndedir ancak birbirine eşit büyüklükte değildir, böylece birbirini sıfırlayamazlar. Fe3O4 bu duruma örnektir, Fe2+ ve Fe3+ iyonları farklı manyetik momentlere sahiptir.

Kopolimerler periyodik nanoyapıların çeşitli dizinlerini oluşturmak için mikrofaz ayrışması geçirebilir. Mikrofaz ayrışması, yağ ve su arasındaki faz ayrımına bakarak anlaşılabilir. Bloklar arasındaki kimyasal uyumsuzluk sebebiyle, blok kopolimerler benzer bir ayrışma içine girer. Ancak bloklar kovalent bağ ile bağlı oldukları için yağ ve su gibi tekrar karışamazlar. Her bloğun uzunluğuna ve genel blok topolojisine bağlı olarak, her biri kendi madde fazında pek çok morfoloji gözlenebilir.

Mutlak sıfır yakınlarında bazı sıvılar bir ikinci sıvı formunda 'superfluid olarak belirtilir. Çünkü, akışkanlığı sıfırdır (ya da sonsuz akışkanlık vardır; sürtünmesiz akmak gibi].Bu 1937’de, süper akışkan forumunda olan 2.17 K lambda sıcaklığının altındaki helyum için keşfedilmiştir. Bu hâldeyken, kendi kabından dışarı çıkmaya kalkışır. Ayrıca sonsuz termal iletkenlik sahibidir. Böylece hiçbir sıcaklık düşümü süper akışkan forumunda olamaz. Bir süper akışkanı dönen bir kaba yerleştirdiğimizde girdap ile sonuçlanır.

Bu özellikler, Bose–Einstein yoğuşmasının formu yaygın izotop olan helium-4 teorisine açıklanır. Son zamanlarda Fermiyonik yoğuşması süper akışkanları nadir izotop olan helium-3 ve lithium-6 tarafından düşük sıcaklıklarda bile oluşturulmuştur.

Albert Einstein ve Satyendra Nath Bose "Bose–Einstein yoğuşması" ‘ nı 1924’te tahmin etmiştir. Bazen maddenin beşinci hâli olduğunu düşünmüşlerdir. Bose–Einstein yoğuşmasında, madde bağımsız parçacık gibi davranmayı durdurur ve tek kuantum hâline düşer.

Gaz fazında, Bose–Einstein yoğuşması onaylanmamış teorik tahmin olarak kalmıştı. 1955’te, Eric Cornell ve Carl Wieman’nin Colorado Üniversitesindeki araştırma grubu ilk yoğuşma deneyini ürettiler. Bose–Einstein yoğuşması katıdan daha "soğuk" tur. Atomlar çok benzer (ya da aynı) kuantum seviyesine ulaştığında gerçekleşir. Bu da mutlak sıfır (-273.15 °C) ‘ a çok yakındır.

Rydberg maddesi, güçlü bir ideal olmayan plazma metastabl durumlarından biridir. Heyecanlı atomların yoğunlaşmasıyla form alır. Bu atomlar eğer kesin bir sıcaklığa ulaşırsa iyonlara ve elektronlara da dönüşebilir. Nisan 2009’da Nature, Rydberg atomundan ve zemin atomundan Rydberg molekülü oluşumunu bildirdi. Deneyde ultra soğuk rubidyum atomları kullanıldı, böyle bir madde hâlinin olabileceğini kanıtladı. Deney çok soğuk rubidyum atomları kullanılarak yapıldı.

Kuantum Hall hâli, anlık akışa dik yönde ölçülen kuantize Hall voltajını arttırır. Kuantum Hall yörüngesi durumu elektronik cihazların daha az enerji tüketmesi ve daha az ısı üretmesinin önünü açacak teorik bir fazdır. Bu, maddenin Kuantum Hall durumunun bir türevidir .

Oldukça yüksek basınç altında, sıradan maddeler bir takım egzotik durum değişimlerine uğrayarak bozulmuş madde olarak bilinen duruma geçerler. Bu şartlarda, maddenin yapısı Pauli dışlama prensibiyle desteklenir. Astrofizikçilerin bu duruma büyük ilgileri vardır, nötron yıldızları ve beyaz cücelerde var olan yüksek basınç durumunun nükleer füzyon için kullanıldığına inanılır.

Kuark-gluon plazması, kuramsal zerrelerin gluonlar denizinde (kuramsal zerreleri bir arada tutan güçlü kuvveti ileten atomaltı parçalar), serbestçe ve bağımsızca hareket edebildiği (parçaların sürekli bağlı olması yerine) duruma denir. Bu; molekülleri atomlara bölmek ile benzer. Bu durum kısaca parçacığın ivmesinde elde edilebilir ve bilim adamlarının sadece teoride kalmayıp, bireysel quarklarınn özelliklerini gözlemlemesine izin verir.

Renkli cam yoğuşması, atomik nötronların ışığın hızına yakın ilerlediğinin varlığını teorize edilmesinin bir çeşididir. Einstein’ın görelilik teorine göre,yüksek enerjili çekirdek, hareketinin yönü boyunca uzunluğu kısaltılmış ya da sıkıştırılmış görülür. Sonuç olarak, çekirdeğin içindeki gluonlar sabit bir gözlemciyi gluonik duvar gibi görünür. Çok yüksek enerjilerde, gluonların bu duvarda ki yoğunluğu çok yüksek şekilde artıyormuş gibi görünür. Quark-gluon plazmanın duvarların çarpışmasında üretilmesinin tersine, rengi cam yoğuşması sadece duvarlarla ifade edilir ve parçacıkların gerçek özlellikleri sadece yüksek enerji koşulları altında gözlenir.

Bir değiştiğinde süper sıvı özellikleri ile dağınık şekilde sipariş edilen malzeme (diğer bir deyişle, bir katı veya kristal) olduğunu. Benzer bir süper sıvı, bir değiştiğinde sürtünme hareket edebilir ama sert bir şekli korur. Bir değiştiğinde sağlam olsa da, birçok karakteristik özellikleri birçok konuda.

Evrenin kütlesinin yaklaşık % 83'ünü karanlık maddeden oluşmasına rağmen, karanlık madde elektromanyetik radyasyonu emmediği ve yayılmadığı için birçok özelliği bir gizem olarak kalır. Buna karşın, karanlık maddenin neden yapıldığı ile ilgili birçok teori vardır. Bu nedenle karanlık maddenin var olduğunu varsayılırken ve evrenin büyük çoğunluğunu oluştururken. Özellikleri bilinmez ve spekülasyon yaratır. Çünkü karanlık madde sadece yerçekiminin etkilerinden dolayı gözlemlenir.

Denge jeli Laponite denilen sentetik bir çamurdan yapılmıştır. Diğer jellerin yapısının aksine, yapısı boyunca aynı tutarlıkta ve sabit kalır. Yani katı kütle parçalarına ayrılmaz ve daha çok sıvı kütlenindir. Denge jel filtrasyon kromatografisi, sıvı bağlayıcı ligandın hesaplanması için kullanılan bir tekniktir.