Газ – это такое агрегатное состояние вещества, в котором частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия; кинетическая энергия теплового движения частиц (молекул, атомов) газа значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, поэтому частицы движутся почти свободно, целиком заполняя сосуд, в котором находятся. Любое вещество можно перевести в газообразное, изменяя давление и температуру.

Жидкость – это такое агрегатное состояние вещества, которое является промежуточным между твердым и газообразным. Для жидкости характерна большая подвижность частиц и малое свободное пространство между ними. Это приводит к тому, что жидкости сохраняют свой объем и приобретают форму сосуда. В то же время жидкость имеет только ей присущие особенности, одна из которых – текучесть.

Молекулы жидкости размещаются очень близко друг к другу. Поэтому плотность жидкости намного больше плотности газов (при нормальном давлении). Свойства жидкости во всех направлениях одинаковы (говорят, что жидкость является изотропной), за исключением жидких кристаллов.

Тепловое движение молекул жидкости «состоит» из коллективных колебательных движений и скачков молекул из одних положений равновесия в другие. При наличии внешней силы, сохраняющей свое направление более длительное время, чем интервалы между скачками, молекулы перемещаются в направлении этой силы, что и приводит к текучести жидкости.

Твердые тела – это тела, находящиеся в таком агрегатном состоянии, которое характеризуется стабильностью формы и определенным характером теплового движения атомов. Это движение вызывает малые колебания атомов (или ионов)[3], из которых состоит твердое тело.

Структура твердых тел многообразна, но их можно разделять на кристаллы и аморфные тела.

В кристаллах атомы (или ионы) расположены в узлах так называемых кристаллических решеток и колеблются около них. Периодичность в расположении атомов приводит к сохранению такого порядка на больших расстояниях.

В аморфных телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. Аморфные тела изотропные, не имеют постоянной температуры плавления, текут.

Кристаллическая структура твердых тел зависит от сил, действующих между атомами и частицами. Одни и те же атомы могут образовывать различные структуры – например, серое и белое олово, графит и алмаз.

Известно, что некоторые вещества существуют в состояниях с разной атомной кристаллической структурой. Такая особенность называется полиморфизмом («поли» – много, «морф» – форма).

Одиночные кристаллы называют монокристаллами. У монокристаллов некоторые свойства являются анизотропными, то есть они зависят от направления в веществе. Естественная анизотропия – характерная черта кристаллов. Например, пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки вдоль определенной плоскости (параллельно этой плоскости силы сцепления между частицами слюды наименьшие).

Кристаллы горного хрусталя

Твердое тело, состоящее из большого количества маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Поликристаллические материалы являются изотропными.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором количество отрицательных и положительных зарядов практически одинаковы.

При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращается в газ. Если увеличивать температуру и дальше, молекулы газа начнут распадаться на атомы, которые затем превращаются в ионы.

Еще недавно считали, что в состоянии плазмы находится основная масса вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Но сейчас в астрономии происходит настоящая научная революция: обнаружено, что большая часть вещества Вселенной – это так называемая темная материя, физические свойства которой еще предстоит исследовать.

У Земли плазма существует в виде солнечного ветра (потока заряженных частиц) и ионосферы. На поверхности Земли в природных условиях плазма появляется при вспышках молний. В лабораторных условиях плазма впервые появилась в виде газового разряда. Она заполняет лампы дневного света, стеклянные трубки неоновой рекламы и т. д.

Переходы вещества из одного состояния в другое сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств – механических, электрических, оптических, тепловых (плотности, теплопроводности и др.).

Так, вода, превращаясь из жидкости в лед, снижает плотность примерно с 1 до 0,9 г/см³ и удельную теплоемкость с 4200 Дж до 2100 Дж / (кг °С). (Удельная теплоемкость – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать телу массой 1 кг, чтобы изменить его температуру на один градус.)

Опыт показывает, что изменение агрегатных состояний вещества происходит при определенных температурах, причем с поглощением или выделением тепловой энергии. Например, чтобы расплавить кусок свинца при атмосферном давлении, нужно нагреть его до температуры плавления 327 °C

и продолжать нагревание, пока свинец не расплавится. Только когда весь свинец перейдет в жидкое состояние, дальнейшее нагревание приведет к повышению его температуры.

Другой пример. Эфир интенсивно превращается из жидкости в пар (кипит) при температуре кипения 35 °C (атмосферное давление 760 мм рт. ст.). В процессе кипения его температура остается неизменной. Потребляемая веществом при плавлении или парообразовании тепловая энергия в основном расходуется на преодоление сил притяжения между молекулами или атомами вещества. В случае обратных переходов из пара в жидкость или из жидкости в твердое состояние тепловая энергия выделяется.

Мы встречаемся с кристаллическими телами повсюду. Кроме природных кристаллов, человек научился выращивать кристаллы с заданными свойствами, без чего невозможно представить себе современные технологии. Что же представляют собой кристаллы, каковы их особые свойства и чем они различаются между собой?

Иногда считают, что характерным свойством кристаллов является их внешняя правильная форма – естественная огранка. Но это не так, потому что формы различных кристаллов могут быть похожими между собой. Кроме того, большие кристаллические тела часто состоят из очень маленьких кристалликов, и о внешней форме всего тела (его называют поликристаллическим) говорить не приходится. Оказывается, что характерной особенностью кристалла является его атомная структура, правильное, симметричное, закономерное размещение атомов.

Довольно долго представления о внутренней структуре кристаллов были научной гипотезой. Теория строения кристаллов до конца XIX в. была уже разработана, но существование кристаллической решетки – правильного размещения атомов – еще предстояло доказать.

Айсберг

И когда в физике появились новые методы исследования строения вещества, связанные с открытием рентгеновского излучения, наконец-то стало возможным заглянуть внутрь кристалла. Немецкий физик МаксЛауэ (1879–1960) в 1912 г. предложил пропускать рентгеновские волны через кристаллы. Полученные картины (так называемые дифракционные спектры) предоставили возможность выявить закономерную, периодическую структуру кристаллов.