egokitzapen

SARRERA DESBERDINA:

Materiaren egoera

Esan beharra dago 2 plasma mota daudela: hotzak eta beroak.

Fisikan eta kimikan, edozein gorputzen tenperatura eta/edo presio baldintzak aldatuz, agregazio-egoera ezberdinak erdiesten direla ikus daiteke. Materiaren egoera deritze, eta bakoitzak ezaugarri bereziak ditu^[1].
Agregazio-egoera^[2] guztiek propietate eta ezaugarri desberdinak dituzte; ezagunenak eta egunero ikusten direnak lau dira: solidoa, likidoa, gaseosoa^[3] eta plasma-egoera^[4].​ Gure inguruan modu naturalean sortzen ez diren beste egoera batzuk ere posible dira, adibidez: Bose-Einsteinen kondentsatua^[5], kondentsatu fermioikoa eta neutroi-izarrak. Beste batzuk ere posible direla uste da, esaterako, quarken gluoizko plasma.
«Fase^[6].» terminoa materiaren egoeraren sinonimo gisa erabiltzen da batzuetan, baina sistema batek materiaren egoera beraren hainbat fase «nahasezin» izan ditzake.
Egoera solidoan dauden objektuak forma definitutako gorputz gisa aurkezten dira; haien atomoak, sarri, egitura estu definituak osatuz elkartzen dira, eta horrek itxurazko deformaziorik gabe indarrak jasateko gaitasuna ematen die. Gogorrak eta erresistentetzat jotzen dira, eta erakarpen-indarrak aldarapen-indarrak baino handiagoak dira. Solido kristalinoetan, molekulen arteko espazio txikiak daudenez, lotura-indarrek esku hartzen dute, eta gelaxkak forma geometrikoetan kokatzen dituzte. Amorfoetan edo beirazkoetan, aldiz, horiek osatzen dituzten partikulek ez dute egitura ordenaturik.
Egoera solidoak ondoko ezaugarri hauek dauzka^[7]:
Solido kristalinoetan, partikulak (atomoak, molekulak edo ioiak) patroi errepikakor eta erregularki ordenatu batean paketatuta daude. Hainbat kristal-egitura daude, eta substantzia berak egitura (edo fase solido) bat baino gehiago izan ditzake. Adibidez, burdinak gorputzean zentratutako egitura kubiko bat du 912 °C-tik beherako tenperaturetan (1.674 °F), eta aurpegian zentratutako egitura kubiko bat, 912 eta 1.394 °C artekoa (2.541 °F). Izotzak hamabost kristal-egitura ezagun ditu, edo hamabost fase solido, tenperatura eta presio ezberdinetan^[8].
Beirak eta kristalezkoak ez diren eta irismen luzeko ordenarik ez duten beste solido ez-kristalino eta amorfo batzuk ez dira oreka termikoaren oinarrizko egoerak, eta, horregatik, «materiaren egoera ez-klasiko» gisa deskribatzen dira jarraian.
Solidoak likido bihur daitezke fusioaren bidez, eta likidoak solido bihur daitezke solidotzearen bidez. Solidoak, zuzenean, gas bihur daitezke sublimazio-prozesuaren bidez, eta gasak, zuzenean ere, solido bihur daitezke jalkitzearen bidez.
Tenperatura igotzen bada, solidoa desegin egiten da; kristal-egitura desagertu egiten da, eta egoera likidora iristen da. Egoera horren ezaugarri nagusia da fluidoa izateko gaitasuna eta edukiontziaren formara moldatzeko ahalmena. Kasu horretan, badaude atomoen arteko loturak ere, baina solidoetan baino ahulagoa da. Egoera likidoaren ezaugarri nagusiak hauek dira^[9]:
Nagusiki lotu gabeko, zabaldutako eta erakarpen-indar txikia duten molekulez osatutako materiaren agregazio-egoerari deitzen zaio gas. Horren ondorioz, gasek ez dute bolumen zehatzik, ezta forma zehatzik ere, eta aske hedatzen dira, gasak biltzen dituen ontzia bete arte. Likidoek eta solidoek baino askoz dentsitate txikiagoa dute, eta grabitazio-indarrak eta molekulen arteko erakarpen-indarrak oso txikiak dira. Hiztegi batzuetan, gas terminoa lurrunaren sinonimotzat hartzen da, nahiz eta ez diren nahastu behar haien kontzeptuak: lurruna, zehazki, tenperatura konstanteko presurizazioz kondentsatu daitekeen gasa da.
Energia-edukien edo eragiten duten indarren arabera, materia, izan ere, egoera batean edo beste batean egon daiteke: historian zehar, gas ideal batez edo solido kristalino perfektu batez hitz egin izan da, baina biak dira muga-eredu idealak, eta, beraz, ez dute existentzia errealik^[10].
Gas batean, molekulak kaos egoeran daude, eta grabitatearekiko erantzun gutxi erakusten dute. Hain azkar mugitzen dira, ezen bata bestearengandik askatzen baitira. Orduan, beste egoeratan baino bolumen askoz handiagoa hartzen dute, bitarteko espazio libreak uzten dituztelako eta elkarrengandik oso bananduta daudelako. Horregatik da hain erraza gas bat konprimatzea, eta, kasu horretan, molekulen arteko distantzia txikitzea esan nahi du. Gasak ez du ez formarik, ez bolumenik; izan ere, leku librea duten tokira joango dira molekula ibiltariak, eta gasa hedatu egingo da, edozein ontzi erabat bete arte.
Tenperatura kritikotik beherako tenperaturetan, gas bati lurrun ere esaten zaio, eta konpresioz baino ezin da likidotu, hozte beharrik gabe. Lurrun bat likido (edo solido) batekin orekan egon daiteke; kasu horretan, gasaren presioa likidoaren (edo solidoaren) lurrun-presioaren bera da.
Tenperatura gehiago igoz, egoera gaseosoa erdiesten da. Gasaren atomoak ia erabat aske mugitzen dira, eta, beraz, edukiontziaren espazio guztia betetzeko gai dira, modu uniformean hedatuz. Bere ezaugarri nagusiak hauek dira:
Fluido superkritikoa da tenperatura eta presioa tenperatura eta presio kritikoaren gainetik dituen gasa, hurrenez hurren. Egoera horretan, likidoaren eta gasaren arteko bereizketa desagertu egiten da. Fluido superkritiko batek gas baten propietate fisikoak ditu, baina dentsitate altuak disolbatzaile propietateak ematen dizkio, kasu batzuetan, eta horrek aplikazio erabilgarriak sortzen ditu. Adibidez, karbono dioxido superkritikoa, kafeina gabeko kafearen fabrikazioan, kafeina ateratzeko erabiltzen da^[11].
Plasmari «materiaren laugarren egoera» deritzo, egoera klasikoetatik (solidoa, likidoa eta gaseoso egoeretatik) harago baitago. Plasman, atomoak hautsita daude: elektroi negatiboak alde batetik eta ioi positiboak bestetik daude.
Plasma gas ionizatu bat da, hau da, plasma osatzen duten atomoak beren elektroi batzuetatik bereizi dira. Hala, plasma gasaren antzeko egoera da, baina anioiz eta katioiz osatua (karga negatiboa eta positiboa duten ioiak, hurrenez hurren), bata bestetik bereizita eta aske; horregatik da eroale bikaina. Eguzkia da horren adibide argia.
Lurraren behe-atmosferan, elektroi bat galtzen duen edozein atomo (partikula kosmiko azkar batek jotzen duenean) ionizatuta dagoela esaten da. Baina, tenperatura altuetan, oso ezberdina da. Gasa zenbat eta beroago egon, orduan eta azkarrago mugitzen dira molekulak eta atomoak (gas idealen legea), eta, tenperatura oso altuetan, atomo horien arteko talkak (oso azkar mugituz) nahiko bortitzak dira elektroiak askatzeko. Eguzki-atmosferan, atomoen zati handi bat etengabe «ionizatuta» dago talka horien ondorioz, eta gasak plasma balitz bezala jokatzen du.
Gas hotzek ez bezala (adibidez, airea giro-tenperaturan), plasmek elektrizitatea eroaten dute, eta eremu magnetikoek eragin handia dute. Lanpara fluoreszenteak plasma du (osagai nagusia merkurio-lurruna da), zeina hari elektrizitateak berotzen eta astintzen duen, lanpara konektatuta dagoen linea elektrikoaren bidez. Linea elektrikoak, mutur bat, elektrikoki, positiboa eta bestea negatiboa izanik, ioi positiboak mutur negatiborantz azeleratzea eta elektroi negatiboak mutur positiborantz joatea eragiten du. Partikula azeleratuek energia irabazten dute; atomoekin talka egiten dute; elektroi gehigarriak kanporatzen dituzte, eta plasma mantentzen dute, nahiz eta partikulak birkonbinatu. Talken ondorioz, atomoek argia ere igortzen dute, eta argi hori ohiko lanparak baino eraginkorragoa da. Neonezko errotuluek eta hiriko argiek antzeko printzipioz funtzionatzen dute, eta elektronikan ere erabili izan ziren.
Plasma, bestelakorik eman badezake ere, naturan ohikoena den egoera da, eta unibertso ikusgaiaren materiaren zati handiena hartzen du.
Ionosferaren goialdea ehunka kilometro batzuk hedatzen da espazioan, eta magnetosferarekin konbinatzen da; magnetosferaren plasma, oro har, malguagoa eta beroagoa da. Magnetosferaren plasmako ioiak eta elektroiak azpitik dagoen ionosferatik eta eguzki-haizetik datoz, eta oraindik ez dago argi nola sartzen eta berotzen den.
Planeten arteko plasma dago, eguzki-haizea. Eguzkiaren kanpoaldeko geruza, koroa, hain dago bero, ezen ez direla soilik bere atomo guztiak ionizatuta, baizik eta elektroi askorekin teoria bat hasi zutenek erauzita dituztela gehienak (batzuetan denak), baita indartsuen lotuta dauden geruza sakonenetako elektroiak ere. Eguzkiaren koroan detektatu dute 13 elektroi galdu dituen burdinaren erradiazio elektromagnetiko bereizgarria.
Muturreko tenperatura horri esker, koroaren plasma ez da gatibu egongo eguzkiaren grabitateagatik, eta, hala, norabide guztietan jariatzen da, Eguzki sistema betez planeta urrunenetatik haratago.
Elementu edo konposatu kimiko bakoitzak presio- eta tenperatura-baldintza jakin batzuk ditu, eta horietan gertatzen dira egoera-aldaketak. Egoera-aldaketaren tenperaturari erreferentzia egiten zaionean soilik, aldaketa horretarako behar den tenperatura gisa interpretatu behar da, 1 atm-ko presio atmosferikoaren pean. Hala, «baldintza estandarretan» (presio atmosferikoa, 0 °C), badaude solido (S) likido (L) eta gas egoeran (G) dauden konposatuak. Tenperatura altuagoetan, plasma (P) ere lor daiteke.
Substantzia batek egoeraz aldatzeko daraman prozesuak honako hauek dira: sublimazioa (S-G), Lurrunketa (L-G), kondentsazioa (G-L), solidotzea (L-S), fusioa (S-L) eta alderantzizko sublimazioa (G-S); horiei, gasaren eta plasmaren arteko aldaketak gehitzen zaizkie: ionizazioa (G-P) eta desionizazioa (P-G). Garrantzitsua da argitzea egoera aldaketa horiek hainbat izen dituztela. Hona hemen trantsizio horien deskribapen laburra:
Garrantzitsua da nabarmentzea substantzien fase-aldaketa guztietan substantzia horiek ez direla beste substantzia bihurtzen, haien egoera fisikoa baino ez dela aldatzen.
Egoera-aldaketak bi motatakoak izan ohi dira: progresiboak eta erregresiboak.
Hurrengo taulak egoera-aldaketen izenak adierazten ditu:
Bose-Einstein kondentsatua materiaren beste egoera bat da. 1924an, Satyendra Nath Bose-k eta Albert Einstein-ek aurresan zuten, eta, laborategian, 1995ean sortu zen lehen aldiz Eric Allin Cornell, Wolfgang Ketterle eta Carl E. Wieman fisikariek, eta, horregatik, fisikako Nobel saria eman zieten 2001ean. Egoera hori zero absolututik hurbil dauden tenperaturetan sortzen da, eta bere ezaugarri nagusia da atomo guztiak leku berean daudela, superatomo bat eratuz. Oraindik ez dakite zein izan daitekeen aurkikuntzari eman dakiokeen erabilerarik onena.
Coloradoko unibertsitatean sortu zuten lehen aldiz, 1999an, eta, 2003an, atomoz osatutako Fermiren lehen kondentsatua sortu zuten. Kondentsatu fermioikoa, materiaren seigarren egoeratzat hartzen dena, tenperatura baxuetan dauden partikula fermioikoz osatutako fase superjariakorra da. Bose-Einsteinen kondentsatuarekin hurbiletik erlazionatuta dago. Bose-Einsteinen kondentsatuak ez bezala, fermioi kondentsatuak bosoien ordez fermioiak erabiliz eratzen dira.
Beste era batera esanda, Fermiren kondentsatua materiaren agregazio-egoera bat da, non materiak superjariakortasuna lortzen duen. Oso tenperatura baxuetan sortzen da, zero absolututik oso gertu.
Lehenengo kondentsatu fermioikoek, hala, supereroale baten elektroien egoera deskribatzen zuten. Lehen kondentsatu fermioiko atomikoa Deborah S. Jin-ek sortu zuen 2003an. Kondentsatu kirala da simetria kiralaren haustura duten masarik gabeko fermioien teorietan agertzen den kondentsatu fermioiko baten adibidea.
Material hori solido bat da; hau da, helio-4 osatzen duten atomo guztiak kristal-geruza zurrun batean izoztuta daude, izotza gisako solido normal batean atomoak eta molekulak dauden moduan. Aldea da, kasu horretan, «izoztu» ez duela «geldikor»” esan nahi.
Helio-4 partikula hain hotza denez (zero absolutuaren gainetik graduaren hamarren bat eskas), ziurgabetasun kuantikoaren legeak nagusitzen hasten dira. Izan ere, helio atomoak solidoak eta jariakorrak balira bezala portatzen hasten dira aldi berean. Izan ere, egoera egokian, helio atomoen frakzio bat filmean zehar mugitzen hasten da «superfluido» izenez ezagutzen den substantzia gisa, inolako marruskadurarik gabe mugitzen den likido moduan. Hortik datorkio «supersolido» izena.
Zero absolututik gertu dauden tenperaturetan aplikatutako helio-partikulek frogatzen dute inertzia-momentua aldatzen dutela eta solido bat supersolido bihurtzen dela, eta hori, aldez aurretik, materiaren egoera gisa agertzen da.
Oso presio altuan, izar hilen nukleoetan bezala, materia arruntak materiaren egoera exotiko batzuetarako trantsizioa esperimentatzen du. Egoera exotiko horiek materia endekatu gisa ezagutzen dira kolektiboki, eta efektu mekaniko kuantikoetan oinarritzen dira nagusiki. Fisikan, «endekatu» terminoak adierazten du energia bera duten eta, beraz, trukagarriak diren bi egoera. Materia endekatua Pauliren bazterketa-printzipioan oinarritzen da, bi partikula fermioikok egoera kuantiko bera hartzea eragozten baitu. Plasma normala ez bezala, plasma endekatua gutxi zabaltzen da berotzen denean, momentuko egoerarik geratzen ez delako. Ondorioz, izar endekatuak dentsitate oso altuetan kolapsatzen dira. Izar endekatu masiboenak txikiagoak dira grabitazio indarra handitzen delako, baina presioa ez da proportzionalki handitzen.
Elektroiek endekatutako materia izar nano zurien barruan dago. Elektroiek atomoei lotuta jarraitzen dute, baina ondoko atomoetara transferi daitezke. Neutroietan endekatutako materia neutroi izarretan dago. Grabitazio-presio izugarriak atomoak hain indar handiz konprimitzen ditu, ezen elektroiak protoiekin konbinatu behar izaten baitira beta alderantzizko desintegrazioaren bidez, eta horrek neutroien konglomeratu superdentso bat sortzen du. Normalean, nukleo atomiko batetik kanpo dauden neutroi askeek, batez beste, 10 minutu inguruko bizitza galtzen dute, baina neutroi-izar batean, alderantzizko desintegrazioak gainditzen du desintegrazioa. Materia hotz endekatua Jupiter gisako planetetan eta are masiboagoak diren nano marroietan ere badago, zeinetan hidrogeno metalikoa duen nukleo bat izatea espero den. Endekapena dela eta, nano marroi masiboenak ez dira nabarmen handiagoak. Metaletan, elektroiak gas endekatu baten gisa modelatu daitezke, endekatu gabeko ioi positiboen sare batean mugitzen dena.
Materia hotz erregularrean, quarkak, materia nuklearraren funtsezko partikulak, 2-4 quarkez osatutako hadroietan indar sendoz daude konfinatuta, protoietan eta neutroietan, adibidez. Quarken materia edo materia kromo-dinamiko kuantikoa (QCD) fase multzo bat da, non indar sendoa gainditzen den eta quarkak deskonfinatuta eta mugitzeko libre geratzen diren. Quarken materiaren faseak dentsitate edo tenperatura oso altuetan gertatzen dira, eta ez da ezagutzen horiek laborategian orekan sortzeko modurik; baldintza arruntetan, eratzen den edozein quark-materiari desintegrazio erradioaktiboa gertatzen zaio berehala.
Materia arrotza quarken materia mota bat da, Tolman-Oppenheimer-Volkoff mugatik gertu dauden neutroi-izar batzuen barruan existitzen dela susmatzen dena (gutxi gorabehera 2-3 eguzki-masa), nahiz eta existentziaren froga zuzenik ez dagoen. Materia arrotzean, energia erabilgarriaren zati bat quark arrotz gisa agertzen da, quark down arruntaren analogo astunago bat. Litekeena da, behin eratuta, egonkorra izatea energia-egoera baxuagoetan, nahiz eta hori ez den ezagutzen.
Quark-gluoizko plasma oso tenperatura altuko fase bat da, non quarkak askatzen diren eta modu independentean mugi daitezkeen beti partikuletan lotuta egon beharrean, gluoi itsaso batean, quarkak lotzen dituen indar sendoa transmititzen duten partikula subatomikoak. Hori plasma batean atomoetako elektroiak askatzearen analogoa da. Egoera hori lortzen da, laburki, partikula-azeleragailuetako energia oso altuko ioi astunen talketan, eta banakako quarken propietateak behatzeko, eta ez soilik teorizatzeko, aukera ematen die zientzialariei. Quark-gluoizko plasma 2000. urtean aurkitu zen Ikerketa Nuklearrerako Europako Kontseiluan (CERN). Plasma ez bezala, zeina gas gisa jariatzen den, QGParen barruko elkarrekintzak indartsuak dira, eta likido gisa jariatzen da.
Dentsitate altuetan, baina tenperatura baxu samarretan, quarkek quarken likido bat eratzen dute, eta gaur egun ez da ezagutzen haien izaera. Dentsitate are altuagoetan, kolorea eta zaporea blokeatzeko beste fase bat osatzen du (CFL). Fase hori supereroalea da kolorea kargarako. Fase horiek neutroi-izarretan gerta daitezke, baina gaur egun teorikoak dira.
Kolorezko beiraren kondentsatua, teoriaren arabera, argiaren abiaduratik gertu bidaiatzen duten nukleo atomikoetan existitzen den materia mota bat da. Einsteinen erlatibitatearen teoriaren arabera, badirudi energia handiko nukleo batek luzera uzkurtua edo konprimitua duela bere mugimendu-norabidean zehar. Horren ondorioz, nukleo barruko gluoiak argiaren abiaduratik gertu bidaiatzen duen «horma gluoiko» gisa agertzen dira behatzaile geldikorrarentzat. Oso energia altuetan, horma horretako gluoien dentsitatea asko handitzen dela ikusten da. Pareta horien talkan gertatzen den quark-gluoizko plasmak ez bezala, gluoien kondentsatuak paretak berak deskribatzen ditu, eta partikulen berezko propietate bat da, energia handiko baldintzetan bakarrik beha daitekeena, hala nola RHICean eta, agian, baita «Hadroien Talkagailu Handian» ere.
Hainbat teoriak materiaren egoera berriak iragartzen dituzte oso energia altuetan. Estatu ezezagun batek barionen asimetria sortu du unibertsoan, baina ezer gutxi ezagutzen da hari buruz. Korden teorian, Hagedornen tenperatura bat iragartzen da supersokentzat, 10³⁰ K inguruan, non asko ekoizten diren. Plancken tenperaturan (10³² K), grabitatea indar esanguratsu bihurtzen da banakako partikulen artean. Gaur egungo teoria bakar batek ere ezin ditu egoera horiek deskribatu, eta ezin dira aurreikus daitekeen esperimentu bakar batekin ere gertatu. Hala ere, egoera horiek garrantzitsuak dira kosmologian, zeren unibertsoak, Big Bang-ean, haietatik pasa zitzakeen.
Erlatibitate orokorrak zulo beltz baten erdian dagoela iragartzen duen grabitazio-berezitasuna ez da materiaren fase bat; ez da, inola ere, objektu material bat (materiaren masa-energiak hura sortzen lagundu zuen arren), baizik eta espazio-denboraren propietate bat. Espazio-denbora han hausten denez, berezitasuna ez da hartu behar egitura lokalizatutzat, baizik eta espazio-denboraren ezaugarri topologiko orokortzat^[12].​ Argudiatu izan da oinarrizko partikulak ez direla funtsean materialak, baizik eta espazio-denboraren propietate lokalizatuak direla^[13]. Grabitate kuantikoan, singularitateek materiaren fase berri baterako trantsizioak marka ditzakete^[14].
Materiaren beste egoera posible batzuk ere badaude; hauetako batzuk muturreko baldintzetan bakarrik existitzen dira, izar hilen barruan, adibidez, edo unibertsoaren hasieran, Big Bang edo leherketa handiaren ondoren: