In der Schule wurde Ihnen wahrscheinlich beigebracht, dass es drei Aggregatzustände gibt:fest, flüssig und gasförmig. Dann, als Sie mehr Wissenschaft gelernt haben, sind Sie vielleicht auf eine vierte gestoßen:Plasma.
Es gibt jedoch auch viele weniger bekannte Materiezustände mit Namen wie „Bose-Einstein-Kondensat“ und „Zeitkristalle“. Wie viele Materiezustände gibt es also wirklich?
Die Antwort lautet, dass es vier Grundzustände der Materie gibt – fest, flüssig, gasförmig und Plasma. Dies sind diejenigen, die natürlicherweise im Universum vorkommen. Hinzu kommen exotische Materiezustände. Das sind Zustände der Materie, denen Sie in Ihrem Alltag sicher nicht begegnen werden, die aber von den Gesetzen der Physik erlaubt sind.
Was ist ein Aggregatzustand?
Das gleiche Material kann in vielen verschiedenen Formen existieren, abhängig von Faktoren wie Temperatur und Druck. Jede dieser Formen wird als „Materiezustand“ bezeichnet.
Der Zustand der Materie bestimmt, wie die Moleküle, aus denen sie besteht, angeordnet sind, wie viel sie sich bewegen und wie stark die Kräfte zwischen ihnen sind – sogenannte intermolekulare Kräfte.
Was sind die Aggregatzustände?
Fest
In einem Festkörper sind die Moleküle dicht gepackt und üben starke zwischenmolekulare Kräfte aufeinander aus. Die Moleküle haben keinen Platz, um sich frei zu bewegen, und schwingen an Ort und Stelle. Ein Festkörper behält seine Form, wenn keine Kraft auf ihn einwirkt.
In den meisten Materialien ist ein Festkörper der dichteste natürliche Zustand der Materie. Eine Ausnahme von dieser Regel ist Eis, das auf Wasser schwimmt.
Ein typischer Feststoff ist kristallin, was bedeutet, dass die Moleküle in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sind. Es gibt jedoch einen anderen Typ, der als amorphe Festkörper bezeichnet wird und dieses weitreichende Muster nicht aufweist. Glas ist ein Beispiel für einen amorphen Festkörper.
Flüssigkeit
Wenn Sie einen Feststoff auf seinen Schmelzpunkt erhitzen, gewinnen seine Moleküle zu viel Energie, um in der dicht gepackten Struktur zu bleiben. Das Material schmilzt und hinterlässt eine Flüssigkeit.
In einer Flüssigkeit sind die zwischenmolekularen Kräfte immer noch stark, aber jetzt können sich die Moleküle umeinander bewegen. Dadurch kann die Flüssigkeit fließen und die Form ihres Behälters annehmen. Die Moleküle einer Flüssigkeit sind etwas weniger dicht gepackt als die eines Feststoffs.
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Gas
Erhitzen Sie eine Flüssigkeit über ihren Siedepunkt hinaus und Sie haben ein Gas. Die Moleküle haben sich vollständig voneinander gelöst, und die zwischenmolekularen Kräfte zwischen ihnen sind sehr gering.
Ein Gas dehnt sich aus, um den Raum auszufüllen, in dem es sich befindet, was auch bedeutet, dass ein Gas leicht komprimiert werden kann. Die Moleküle haben viel Energie und sie flitzen in willkürliche Richtungen, bis sie mit etwas kollidieren.
Auch wenn eine Flüssigkeit weit unter ihrem Siedepunkt liegt, kann sie durch Verdampfen in ein Gas übergehen. Da sich die Moleküle zufällig in der Flüssigkeit bewegen, hat hin und wieder eines in der Nähe der Oberfläche genug Energie, um zu entkommen. Mit der Zeit machen alle Moleküle den Sprung und die gesamte Flüssigkeit verdunstet.
Plasma
Ein Plasma entsteht, wenn ein heißes Gas elektrisch aufgeladen wird, obwohl es sich ganz anders verhält als ein gasförmiges Material.
Die Moleküle eines Gases bestehen aus einzelnen Atomen, und ein Atom hat einen positiv geladenen Kern, der von negativ geladenen Elektronen umgeben ist. Wenn die Temperatur des Gases hoch genug ist – oder wenn es einem starken elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird – werden diese Elektronen aus den Kernen gerissen. Das entstehende Gemisch aus positiv und negativ geladenen Teilchen wird als Plasma bezeichnet.
Da es geladene Teilchen enthält, kann ein Plasma Elektrizität leiten.
Exotische Materiezustände
Es gibt viele andere Materiezustände, von denen einige unten aufgeführt sind.
Supraleitendes Material
Supraleitung liegt vor, wenn sich Materie in einem Zustand ohne elektrischen Widerstand befindet – das heißt, ihre elektrische Leitfähigkeit ist stark erhöht. Ein supraleitendes Material hat eine kritische Temperatur, unterhalb der diese Änderung stattfindet; dieser Punkt liegt normalerweise nahe am absoluten Nullpunkt.
Bose-Einstein-Kondensat
Bosonen sind eine Art von Teilchen, zu denen Photonen, Gluonen und das Higgs-Boson gehören. Wenn Bosonen bei geringer Dichte auf unglaublich niedrige Temperaturen abgekühlt werden, beginnen sie, quantenmechanische Effekte in großem Maßstab zu zeigen.
Zeitkristalle
Bei einem gewöhnlichen kristallinen Festkörper sind die Moleküle in sich wiederholenden Mustern im Raum angeordnet. Die Moleküle eines Zeitkristalls folgen jedoch zeitlich einem sich wiederholenden Muster. Die Partikel sind in ständiger Bewegung und folgen denselben sich wiederholenden Bewegungen, ohne Energie zu verlieren.