Maddenin hâlleri

Bir fizik terimi olarak maddenin hali, maddenin aldığı farklı fazlardır. Günlük hayatta maddenin dört farklı hal aldığı görülür. Bunlar; katı, sıvı, gaz ve plazmadır. Maddenin başka halleri de bilinir. Örneğin; Bose-Einstein yoğunlaşması ve nötron-dejeneje maddesi. Fakat bu haller olağanüstü durumlarda gerçekleşir, çok soğuk ya da çok yoğun maddelerde. Maddenin diğer hallerininde, örneğin quark-gluon plazmalar, mümkün olduğuna inanılır fakat şu an sadece teorik olarak bilinir.
Tarihsel olarak, maddenin özelliklerindeki niteleyici farklılıklara dayanarak ayrım yapılır. Katı haldeki madde bileşen parçaları ile (atomlar, moleküller ve iyonlar ile) bir arada tutulur ve böylece sabit hacim ve şeklini korur. Sıvı haldeki madde hacmini korur fakat bulunduğu kabın şeklini alır. Bu parçalar bir arada tutulur ama hareketleri serbesttir. Gaz halindeki 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 hali ise, nötr atomlarda dahil, hacim ve şekil olarak tutarsızdır. Serbestçe ilerleyen önemli sayıda iyon ve elektron içerirler. Plazma, evrende maddenin en yaygın şekilde görülen halidir.
Dört ana hal
Katı
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 haldeki 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 hali olarak aşağıda tanımlanmıştır.
Katılar eritilerek sıvılara, sıvılarda dondurularak katılara dönüşebilirler. Bunun yanında, katılar direkt olarak süblimleşme ile gaz haline dönüşebilirler.
Sıvı
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 haldeki 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.
Gaz
Bir gaz sıkıştırılabilir. Gazlar bulundukları kabın şekline uymak zorunda değillerdir. Hem de bulundukları kabı genişletebilirler.
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.
Sıcaklığı ve basıncı sırasıyla kritik sıcaklık ve kritik basınç tan yüksek olan bir süperkritik akışkan (SCF)gazdır. Bu durumda, sıvı ve gazlar arasında ayrım kaybolur. Bir süperkritik akışkan, bir gazın fiziksel özelliklerine sahiptir. Fakat bazı yararlı uygulamalara yol açan durumlarda yüksek yoğunluğu çözücü özellik sunar. Örneğin; kafeinsizleştirilmiş kahve
Plazma
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 hali genellikle yanlış anlaşılır ama gerçekte dünya üzerinde oldukça yaygındır ve insanların çoğu bu plazma halini farkında olmadan düzenli olarak gözlemlerler. Ateş, ışıklandırma, elek kıvılcımları, floresan lambaları, neon ışıklar, plazma televizyonlar ve yıldızlar plazma halindeki 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.
Faz geçişleri
Maddenin hali, 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 halden başka bir hale geçen madde bir faz dönüşümü ile ayırt edilebilir. Suyun birçok farklı katı hali olduğu söylenebilir. Süper iletkenliğin görünüşü faz dönüşümü ile ilişkilendirilir. Yani, süper iletkenlik halleri vardır. Örnek olarak, demir manyetizması hali, faz geçişleri ile ayrılır ve ayırt edici özellikleri vardır.
Hal değişimi gerçekleştiğinde, aşamaların ara adımları mezofaz olarak adlandırılır. Böyle fazlar sıvı kristal teknolojisinin tanımı ile kullanılır.
Verilen maddenin hali 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 halde bulunur. Eğer bu maddeye ısı verilirse erime noktasında sıvılaşarak erir, kaynama noktasında gazlaşır ve eğer yeterince yüksek derecede ısıtılırsa plazma haline geçer. Plazma halinde 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 quarkgluon plazma örnekleridir.
Kimyasal Denklemlerde maddenin katı hali için (k), sıvı için (s), gaz için (g) ile gösterilebilir. Sulu çözelti için ise (aq) ile gösterilir. Kimyasal denklemlerde plazma halindeki maddeler nadiren kullanılır. Bu yüzden plazma halini tanımlamak için standart bir sembol yoktur.
Klasik olmayan haller
Cam
Kristal olmayan ya da şekilsiz bir katı olan cam, sıvı haline 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.
Termodinamiksel olarak, bir cam kendi kristal parçalarına uyarak yarı kararlı bir halde bulunur.
Kristallerin bazı derecelerdeki bozuklukları
Bir plastik kristal, uzun menzil dizilimi ile bir moleküler katıdır ama tutunan bileşen moleküller serbestçe döner. Konumsal camlarda bu serbestlik derecesi bastırılmış düzensiz halde donmuştur.
Benzer olarak, Dönen camlarda manyetik düzensizlik donmuştur.
Likit (Sıvı) Kristal Hal
Kristal sıvı hali akışkan sıvılar ile düzenli katılar arasında özelliklere sahiptir. Genellikle, bir sıvı gibi akabilirler ama uzun menzili düzen gösterirler. Örneğin, nematik kristal, 118136 C arasındaki sıcaklık aralığında olan para-azoxyanisole gibi uzun çubuk moleküllerden oluşur. Bu halde, moleküller sıvılar gibi akışkandır ama her nokta aynı yöndedir (aynı alan çevresinde) ve serbestçe hareket edemezler.
Kristal sıvıların diğer bir çeşidi bu haldeki ana madde yazısında bahsedilir. Birçok çeşidi teknolojik açıdan öneme sahiptir. Örneğin, kristal sıvı gösterimleri
Manyetik düzenleme
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.
Mikrofaz ayrışması
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.
Düşük sıcaklık halleri
Süper akışkan
Mutlak sıfır yakınlarında bazı sıvılar bir ikinci sıvı formunda 'superfluid olarak belirtilir. Çünkü, akışkanlığı sıfırdır (ya da sonsuz akışkanlık vardır; sürtünmesiz akmak gibi]. Bu 1937de, süper akışkan forumunda olan 2.17 K lambda sıcaklığının altındaki helyum için keşfedilmiştir. Bu haldeyken, 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, BoseEinstein 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.
BoseEinstein yoğuşması
Albert Einstein ve Satyendra Nath Bose "BoseEinstein yoğuşması" nı 1924te tahmin etmiştir. Bazen maddenin beşinci hali olduğunu düşünmüşlerdir. BoseEinstein yoğuşmasında, madde bağımsız parçacık gibi davranmayı durdurur ve tek kuantum haline düşer.
Gaz fazında, BoseEinstein yoğuşması onaylanmamış teorik tahmin olarak kalmıştı. 1955te, Eric Cornell ve Carl Wiemannin Colorado Üniversitesindeki araştırma grubu ilk yoğuşma deneyini ürettiler. BoseEinstein 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.
Fermiyonik yoğunlaşma
Fermiyonik yoğunlaşma, Bose-Einstein yoğunlaşmasına benzer fakat fermiyonlardan oluşur. Pauli ilkesi fermiyonların aynı kuantum durumuna girmesini engeller, fakat bir çift fermiyon bozon gibi davranabilir, ve böyle çiftler daha sonra bir kısıtlama olmadan aynı kuantum durumuna girebilir
Rydberg molekülü
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 2009da Nature, Rydberg atomundan ve zemin atomundan Rydberg molekülü oluşumunu bildirdi. Deneyde ultra soğuk rubidyum atomları kullanıldı, böyle bir madde halinin olabileceğini kanıtladı. Deney çok soğuk rubidyum atomları kullanılarak yapıldı.
Kuantum Hall hali
Kuantum Hall hali, 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.
Garip madde
Garip madde, Tolman-Oppenheimer-Volkoff sınırına yakın (yaklaşık 2-3 güneş kütlesi) bazı nötron yıldızları içinde bulunabilen kuark maddenin bir türüdür. Düşük enerji durumlarında kararlı olabilir
Fotonik madde
Fotonik maddede, fotonlar kütleleri varmış gibi davranır ve birbirleriyle etkileşime girerler, fotonik moleküller dahi oluşturabilirler. Bu durum fotonların kütleleri olmaması ve etkileşime girememeleri gibi genel özelliklerine aykırıdır
Yüksek enerji hali
Madde bozunması
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.
Elektron-dejenere madde beyaz cücenin içinde bulunur. Elektronlar atomlarına bağlı kalır fakat yakın atomlara transfer edilebilir. Nötron-dejenere madde nötron yıldızında bulunur. Büyük çekim basıncı atomlara büyük bir sıkıştırma basıncı uygular ki elektronlar protonlarla ters beta bozunması yoluyla birleşmek zorunda kalır, sonuç olarak çok yoğun bir nötron yığını elde edilir. (Normalde atomik çekirdeğin dışındaki serbest nötronların yarılanma ömrü 15 dakikanın altındadır, fakat nötron yıldızında, atomun çekirdeğinde olduğu gibi diğer etkenler nötronları stabilize eder.)
Kuark-gluon plazması
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.
Quark-gluon plasma 2000de CERNde keşfedildi.
Renkli cam yoğuşması
Renkli cam yoğuşması, atomik nötronların ışığın hızına yakın ilerlediğinin varlığını teorize edilmesinin bir çeşididir. Einsteinın 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.
Diğer ileri sürülen haller
Süper katı
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.
Süper Cam
Süper cam, süperakışkanlığı ve dondurulmuş biçimsiz yapısı ile ayırt edici özelliği olmuş bir maddedir.
Karanlık madde
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.
Equilibrium gel
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.