Îmi amintesc de perioada când eram copil şi am învăţat despre solide, lichide şi gaze. La orele de ştiinţă din şcoala primară niciodată nu s-a vorbit despre alte stări de agregare ale materiei. Pe măsură ce am înaintat în vârstă şi am avansat în cunoaştere am început să învăţ şi despre celelalte stări ale materiei.
Mit: Există doar trei stări de agregare ale materiei
Am presupus cu naivitate că noile stări de agregare ale materiei despre care am învăţat, cum ar fi plasma şi care au reprezentat un progres în domeniul cunoaşterii ştiinţifice sunt în prezent predate la şcoală. Asta a fost până când fiul meu a adus acasă manualul său de ştiinţă pentru clasa a 6-a şi am fost şocat să aflu că tot cele trei stări de agregare ale materiei sunt predate la şcoală, probabil pentru că se consideră că înţelegerea celorlalte stări este dificilă pentru un copil de clasa a 6-a... Şi cu toate acestea nu vorbim despre lucruri atât de complicat de înţeles.
În manualul respectiv se afirmă că „există 3 stări de agregare ale materiei şi anume starea solidă, starea lichidă şi starea gazoasă". Ar fi fost mai bine să se spună că: „Cele mai cunoscute trei stări de agregare ale materiei sunt..." sau „cele trei stări ale materiei cu care suntem cel mai familiarizaţi sunt..." sau ceva de acest gen, ceea ce ar fi dat de înţeles că există şi alte stări ale materiei despre care se va învăţa mai târziu. În schimb, neprezentarea acestor informaţii în etapele de formare a educaţiei ştiinţifice a copiilor a condus de multe ori la situaţia în care aceste cunoştinţe limitate i-au însoţit pe toată durata vieţii. Într-o încercare de a spulbera orice ignoranţă în legătură cu stările cunoscute în prezent ale materie, hai să vorbim despre toate acestea pe baza a ceea ce ştim în prezent despre ele. Plasma este cea care compune cea mai mare parte din Universul vizibil, astfel încât cred că ar trebui să li se predea copiilor în primul rând informaţii despre aceasta.
În timp ce „starea de agregare" reprezintă termenul obişnuit care este folosit pentru a descrie sub ce formă se prezintă materia, eu prefer termenul de „fază". Ambii termeni pot fi utilizaţi în cele mai multe cazuri. Eu cred că „faza" descrie mai exact sub ce formă se află materia, dar, cu toate acestea, există anumite situaţii specifice din fizică în care utilizarea termenului de „stare" este mai potrivit. Faza (sau starea de agregare) materiei poate fi considerată ca fiind domeniul din spaţiu de-a lungul căruia toate proprietăţile fizice ale unei substanţe sunt uniforme. Această uniformitate este chimic identică de-a lungul materiei şi din punct de vedere fizic ea diferenţiază substanţele. Dacă o substanţă poate fi modificată pentru a deveni din punct de vedere fizic sau chimic o substanţă diferită atunci se poate spune că ea se află într-o fază diferită. Cele mai frecvente tipuri de schimbări ale fazei materiei se produc atunci când se modifică caracteristicile sale fizice.
Cel mai bun mod de a înţelege cum o fază modifică natura fizică a unei substanţe este să considerăm exemplul obişnuit al apei, gheţii şi aburului. Acestea pot ocupa aproape aceeaşi zonă din spaţiu şi să se afle în faze complet diferite. Să luăm în considerare un pahar de apă cu gheaţă. Gheaţa se află într-o fază solidă, apa este într-o fază lichidă, iar aerul umed este într-o fază gazoasă. În timp ce din punct de vedere chimic ele sunt identice, ceea ce le face pe acestea să se afle în diferite faze este faptul că ele sunt din punct de vedere fizic diferite între ele.
Cele mai multe forme ale materiei pot suferi o tranziţie între aceste faze fizic diferite în funcţie de cantitatea de căldură prezentă. De exemplu, toată lumea ştie că dacă adăugaţi căldură unui solid acesta va suferi, de obicei, o tranziţie către un lichid, cu unele excepţii care se datorează unor condiţii de mediu specifice. Dacă veţi continua să adăugaţi căldură, atunci lichidul se va transforma într-un gaz. Dacă veţi continua să adăugaţi căldură atunci gazul se va transforma în plasmă. Plasma se obţine atunci când electronii unui atom sunt atât de excitaţi, încât au destulă energie pentru a scăpa de influenţa nucleului încărcat pozitiv şi de a interacţiona cu orice alt nucleu similar aflat în preajma lor.
Situaţia opusă este cea în care se elimină căldura din materie. Când veţi răci o substanţă până aproape de temperatura de zero absolut atunci veţi obţine ceea ce este cunoscut ca fiind un condensat Bose-Einstein. Din necesitatea de a păstra substanţele la o temperatură extrem de scăzută, nu s-a putut dovedi că aceste condensate pot apărea în mod natural în Universul nostru, deşi teoretic ele ar putea exista.
O altă fază a materiei, chiar mai puţin cunoscută, implică caracteristicile magnetice ale substanţei. Cel mai recent exemplu a fost publicat în revista „Nature", în luna decembrie 2012. Cercetătorii de la MIT au fost capabili să crească un cristal (un solid) care a avut caracteristicile magnetice ale unui lichid. În timp ce cele mai multe solide magnetice au zone pozitive şi negative în cadrul lor, ce determină apariţia unor momente magnetice, la acest cristal momentele magnetice specifice au variat, în mod constant, fără vreo influenţă din exterior. Cercetătorii nu doar că au reuşit să descopere un nou tip de materie, ci au descoperit, în acelaşi timp, un nou tip de magnetism!
Pe măsură ce tehnologia avansează, oamenii de ştiinţă folosesc metode mult mai sofisticate care ne permit să separăm şi să unim fiecare aspect al Universului nostru fizic. Din moment ce putem defini în mod clar o stare sau o fază pentru orice substanţă care este din punct de vedere chimic unică şi care are caracteristici fizice distincte, progresul rapid al tehnologiei şi metodelor ştiinţifice ne permit să schimbăm în permanenţă modul în care putem modifica caracteristicile fizice ale unei substanţe. Acesta este motivul pentru care numărul de stări ale materiei va creşte drastic, fără îndoială, pe măsură ce timpul va trece.
Numărul stărilor materiei se modifică în permanenţă, eu pot să spun că atunci când am scris acest articol am găsit 4 tipuri de materie obişnuită (materie despre care s-a demonstrat că apare în mod natural), 8 tipuri despre care se consideră că apar la un nivel de energie scăzut şi nu sunt obişnuite, 3 care nu sunt obişnuite şi se crede că apar la un nivel ridicat de energie şi alte 3 care sunt clasificate separat datorită proprietăţilor magnetice pe care le au.
Deci, trăgând linie, există mai multe stări ale materiei în afara celor care sunt frecvent citate, solidă, lichidă şi gazoasă. Numărul lor exact şi natura acestor stări va continua să se schimbe ca urmare a progresului tehnologic. De asemenea, cele mai multe dintre cărţile de şcoală elementară şi chiar de liceu sunt pline cu multe, multe minciuni :)
Traducere de Cristian-George Podariu după there-are-more-than-three-states-of-matter.
