Materia znana i nieznana, czyli co wiemy o budulcu wszechświata – część I
2021-04-26 Adrian Zając
Chociaż wielu ludziom pojęcie materii kojarzy się wyłącznie z lekcjami fizyki i chemii, o których woleliby zapomnieć, warto to pojęcie odświeżyć, a o samej materii dowiedzieć się czegoś więcej, bowiem otacza nas na co dzień i wpływa na nasze codzienne funkcjonowanie. Czy o materii da się mówić w sposób łatwy i przyjemny? Nie wiem, jednak podjąłem się wyzwania i chcę przedstawić sens materii w przystępny sposób. Z pewnością to nie jest mój ostatni wpis w tym temacie. Serdecznie zapraszam do lektury pierwszej części.
Materia – co to takiego?
Na początek trochę historii…
Historia rozważań na temat istoty otaczającej nas materii w różnych postaciach sięga czasów starożytnych. Ze względu na brak technologii umożliwiającej naukowe zbadanie materii jako takiej, były to tylko dociekania filozoficzne. Jednakże, mimo takiego stosunkowo prostego podejścia próbowano klasyfikować materię ze względu na jej formę. Filozof grecki Platon uważał materię za abstrakcyjny składnik ciał. Z kolei Arystoteles postulował, że ciała składają się z materii i formy, przy czym materia stanowi niesamodzielny bezpostaciowy budulec przedmiotu, kształtowany przez formę. Empedokles natomiast uważał, że przyroda, a zatem i materia, składa się z czterech żywiołów: powietrza, wody, ziemi i ognia. Co interesujące, ich dociekania i wnioski nie są pozbawione sensu, nawet w świetle naszej obecnej wiedzy o materii.
I tak, jeśli przyjmiemy, że Arystotelesowa materia to znane nam atomy, a formą są siły je wiążące w większe aglomeraty, takie jak cząsteczki czy kryształy, to można śmiało stwierdzić, że Arystoteles był jednym z pierwszych fizyków, nawet nie zdając sobie z tego sprawy.
Moim zdaniem jeszcze ciekawsze jest odniesienie obecnego stanu wiedzy do poglądów Empedoklesa i jego czterech żywiołów: powietrza, wody, ziemi i ognia. Bo przecież ile każdy z nas zna stanów skupienia materii? Trzy: stan gazowy, ciekły i stały. Już na pierwszy rzut oka widać analogię do Empedoklesowego powietrza, wody i ziemi. Rozpatrywanie ognia jako jednego z żywiołów tworzących materię świata również nie jest pozbawione sensu, ponieważ badania wykazały istnienie kolejnego stanu skupienia materii, czyli plazmy, ale o tym za chwilę.
Klasyczny podział materii
Jak wspomniałem, klasyczny podział materii obejmuje stan gazowy, ciekły i stały oraz plazmę która dołączyła do tej klasyfikacji około 1920 roku za sprawą badań Irvina Langmuira. Charakterystyczna dla stanu gazowego jest ściśliwość, czyli możliwość kompresowania oraz brak ustalonego kształtu czy też formy. Gazy można zatem ściskać, co każdy może sprawdzić, zatykając palcem wylot napełnionej powietrzem strzykawki i wciskając tłok. Natomiast brak ustalonej formy powoduje, że substancje w fazie gazowej zajmują całą objętość naczynia, niezależnie od jego wielkości. Dzieje się tak, ponieważ oddziaływania miedzy cząsteczkami tworzącymi gaz są bardzo słabe, a odległości między cząsteczkami – duże. Znane są substancje, które w warunkach ziemskich występują już w fazie gazowej, np. tlen czy azot. Nie zmienia to jednak faktu, że większość cieczy, ale i ciał stałych, można przeprowadzić w fazę gazową poprzez podwyższanie temperatury i/lub obniżanie ciśnienia. Przejście cieczy w gaz nazywamy parowaniem i możemy zaobserwować np. przy gotowaniu wody do przygotowania naszych ulubionych napojów, natomiast proces przejścia ciała stałego w gaz to sublimacja i jest ona możliwa tylko w pewnych ściśle określonych warunkach temperatury i ciśnienia. Są jednak znane substancje, które ulegają sublimacji spontanicznie, jak np. pierwiastek jod, który jest ciałem stałym, ale po umieszczeniu go w zamkniętym, przezroczystym naczyniu zaobserwujemy wypełnianie się owego naczynia fioletowym gazem, czyli niczym innym jak jodem w stanie gazowym, powstałym w wyniku sublimacji. Innym przykładem może być tzw. „suchy lód”, czyli znany nam bardzo dobrze dwutlenek węgla w stanie stałym, który w temperaturze pokojowej ulega bardzo szybkiej sublimacji.
Jeśli natomiast obniżymy temperaturę i/lub zwiększymy ciśnienie gazu to po przekroczeniu pewnego punktu zacznie on zmieniać swój stan skupienia w ciekły lub stały. O drugim przypadku za chwilę, natomiast zmiana gazu w ciecz nazywa się skraplaniem. Oczywiście w warunkach ziemskich istnieje mnóstwo substancji występujących naturalnie w stanie ciekłym, jak chociażby woda. Stan ciekły od stanu gazowego różni się tym, że jest prawie w ogóle nieściśliwy, a co za tym idzie, ma stałą objętość w stałych warunkach ciśnienia i temperatury. Nie zmienia to jednak faktu, że ciecze nie mają ustalonej formy i przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki cieczy oddziałują ze sobą silniej niż w stanie gazowym, jednak nie na tyle silnie żeby utrzymać kształt w ujęciu makroskopowym.
Specyficznym przykładem cieczy są ciecze nienewtonowskie. Są to zwykle płynne mieszaniny cieczy i ciała stałego w formie bardzo sproszkowanej. Ciecze nienewtonowskie są szczególnie interesujące ze względu na swoje właściwości mechaniczne, tzn. w przypadku powolnego zanurzania w nich przedmiotów, zachowują się jak typowa ciecz, nie stawiając większego oporu, natomiast w przypadku próby gwałtownego zanurzenia ulegają pozornemu utwardzeniu i zachowują się w tym momencie jak ciało stałe. Mimo bardzo naukowej nazwy, każdy może przygotować taką ciecz w warunkach domowych poprzez zmieszanie odpowiedniej ilość wody i skrobi ziemniaczanej.
Przy dalszym obniżaniu temperatury i/lub zwiększaniu ciśnienia stan ciekły przechodzi w stan stały w procesie zwanym krzepnięciem (proces odwrotny to topnienie). W przypadku, gdy substancja w stanie gazowym przechodzi od razu w stan stały, z pominięciem stanu ciekłego, mówimy o resublimacji. Tu również za przykład może posłużyć dwutlenek węgla, który uwalniany z pojemnika pod ciśnieniem schładza się i tworzy ciało stałe, czyli wspomniany wyżej suchy lód. Oczywiście, znakomita większość pierwiastków i substancji występujących na naszej planecie wykazuje stały stan skupienia. Stan ten charakteryzuje się określonym kształtem i objętością. Jest to następstwo faktu, że odziaływania międzycząsteczkowe w ciałach stałych są tak silne, że uniemożliwiają cząsteczkom ruch w obrębie takiego ciała.
Plazma
Ostatnią z „wielkiej czwórki” jest plazma, która powstaje ze stanu gazowego poprzez silne wyładowanie elektryczne lub bardzo wysoką temperaturę. Proces ten powoduje jonizację cząsteczek gazu, czyli odrywanie od jego atomów wolnych elektronów, przez co tworzą się tzw. jony – formy atomów posiadające ładunek elektryczny. Powstawaniu plazmy towarzyszy wydzielanie światła i ciepła. Podobnie jak gazy, plazma nie posiada zdefiniowanego kształtu czy objętości, jednak w przeciwieństwie do nich przewodzi prąd elektryczny. W życiu codziennym z powstawaniem plazmy mamy do czynienia np. w iskrownikach kuchenek gazowych, w trakcie procesu spawania, w świetlówkach czy w nieprodukowanych już telewizorach plazmowych, gdzie plazma była generowana w mikropęcherzykach ekranu tworząc obraz. W tych warunkach jednak tworzy się tylko częściowo zjonizowana plazma, natomiast przy ekstremalnie wysokich temperaturach, takich jak te panujące wewnątrz gwiazd mamy do czynienia z plazmą całkowicie zjonizowaną, czyli w praktyce pozbawione elektronów jądra atomowe pływające w „zupie” zbudowanej z wolnych elektronów.
Stany skupienia – czy aby na pewno mamy tylko cztery?
I w tym momencie można by pomyśleć: „mamy już wszystko”, ale okazuje się, że stanów skupienia materii jest znacznie więcej. Według niektórych źródeł nawet do 500. Nazywa się je nieklasycznymi, a niektóre z nich mogą być zaskakujące.
I tak, mamy tu stan szklisty, który można by zaliczyć do stanu stałego, sugerując się tylko wyglądem szkła. Jednak zaglądając w jego głąb można zaobserwować, że cząsteczki budującego ten materiał tlenku krzemu są rozłożone bardzo chaotycznie, przypominając… ciecz. Generalnie stan szklisty nazywany jest też przechłodzoną cieczą, ponieważ na poziomie cząsteczek wygląda on jak ciecz, w której gwałtownie zatrzymane zostały ich ruchy w ten sposób, że nie zdążyły one przyjąć uporządkowanej struktury ciała stałego.
Innym bardzo ciekawy nieklasycznym stanem skupienia, który wszyscy zapewne dobrze znają z życia codziennego, jest stan ciekłokrystaliczny. Bo przecież jak tu obejść się bez smartfona, laptopa czy telewizora LCD (skrót LCD oznacza nic innego tylko właśnie wyświetlacz ciekłokrystaliczny). Stan ten jest fizycznie cieczą, jednak ze względu na specyficzną budowę tworzących ją cząstek (w postaci dysków lub prętów), mamy tu do czynienia z zaskakująco wysokim, jak na ciecz, uporządkowaniem cząsteczek. Możliwość stosunkowo swobodnego ruchu cząstek w połączeniu z ich uporządkowaniem i określoną reakcją na prąd elektryczny skutkuje tworzeniem obrazów we wspomnianych wyświetlaczach.
Jeszcze ciekawszy wydaje się stan nadciekły, który charakteryzuje się zerową lepkością. Co to znaczy? W skrócie – cząsteczki w stanie nadciekłym przestają się „ocierać” o siebie nawzajem, a zaczynają działać kolektywnie, jakby były jedną cząsteczką. Następstwem takiego stanu rzeczy są zadziwiające zjawiska w postaci np. swobodnego „pełzania” takiej cieczy po ścianka naczynia w górę, a nawet „wypełzania” z niego. Niestety, stan taki jest ekstremalnie trudny do osiągnięcia, ponieważ wymaga temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu, czyli temperatury panującej w przestrzeni kosmicznej, a wynosi ona minus 273 °C. Jak dotąd udało się go osiągnąć tylko dla dwóch izotopów helu.
Kolejnym nieklasycznym stanem skupienia jest stan nadkrytyczny. Jest on osiągany dla danej substancji po przekroczeniu pewnych wartości ciśnienia i temperatury, zwanych krytycznymi. Można by nazwać go „cieczo-gazem”. Podobnie jak w przypadku stanu nadciekłego, zanika tu lepkość, ale również napięcie powierzchniowe, co jest bardzo korzystne z punktu widzenia pozyskiwania wartościowych substancji np. z roślin w procesie tzw. ekstrakcji. Bardzo popularne w tym zakresie jest wykorzystanie nadkrytycznego dwutlenku węgla. Co ciekawe, temperatura krytyczna dwutlenku węgla nie jest wysoka i wynosi zaledwie 31 °C, natomiast ciśnienie krytyczne jest tu bardzo wysokie i wynosi 7,38 MPa, czyli jest około 74 razy wyższe niż ciśnienie atmosferyczne.
Poza wymienionymi, istnieje jeszcze mnóstwo nieklasycznych stanów skupienia materii, część z nich tylko teoretycznie, ponieważ jak dotąd nie udało się ich potwierdzić eksperymentalnie. Nie będziemy tu o nich mówić ze względu na ich stopień skomplikowania oraz konieczność znajomości fizyki kwantowej do ich zrozumienia. W ramach ciekawostki można w tym miejscu jednak wspomnieć o materii fotonowej, zdegenerowanej, kwarkowej czy wreszcie ciemnej. O trzech ostatnich będzie mowa w kolejnych częściach tego artykułu, dotyczących materii w kosmosie, natomiast na zakończenie jeszcze klika słów o materii fotonowej, ponieważ z rozważań na ten temat płyną ciekawe wnioski.
Materia fotonowa
Jak wiemy foton jest cząsteczką, ale również falą elektromagnetyczną, „budującą” promieniowanie elektromagnetyczne, w tym światło. Wiemy także, że foton jako cząstka nie posiada masy. Wydedukowana teoretycznie materia fotonowa byłaby przykładem stanu, w którym foton „nabrałby” masy. Innymi słowy – w pewnych warunkach powinno być możliwe połączenie bezmasowego fotonu z np. atomem gazu, przez co światło uzyskałoby „materialność”, mówiąc w wielkim skrócie. A czemu jest to wysoce interesujące? Ponieważ teoretycznie zjawisko takie mogłoby umożliwić budowę znanych z serii filmów science-fiction „Gwiezdne Wojny” mieczy świetlnych.
I na tym zakończymy tę część. W kolejnej spojrzymy w głąb materii, żeby przyjrzeć się, jak wygląda atom czy cząsteczka i odpowiedzieć sobie na kilka pytań. Czy atom faktycznie jest najmniejszą możliwą cząstką materii? Jak atomy łączą się w cząsteczki? Jak duże mogą być cząsteczki chemiczne? Na te i wiele innych pytań postaram się odpowiedzieć w kolejnej części tego wpisu.
