物質の状態

物質の状態：多様な相の世界

物質は、その状態によって様々な性質を示します。古くから知られる固体、液体、気体の三態に加え、プラズマ、液晶、超伝導体など、多様な状態（相）が存在します。これらの状態は、分子や原子の配列、運動状態、そしてそれらに働く力によって決定されます。

三態：固体、液体、気体

固体は、構成粒子（原子、分子、イオンなど）が規則的に配列し、強い相互作用によって固く結びついています。そのため、一定の体積と形状を保ちます。結晶性固体は、粒子の規則的な配列が三次元的に広がっていますが、アモルファス固体（ガラスなど）は粒子の配列が不規則です。

液体は、構成粒子が比較的自由に動き回れますが、相互作用によってある程度のまとまりを保ちます。そのため、一定の体積を持ちますが、形状は容器に依存します。水は、他の物質と比べて、固体よりも液体の体積が大きいという特異な性質を持ちます。

気体は、構成粒子が自由に動き回り、相互作用は非常に弱いです。そのため、体積も形状も一定ではなく、容器全体に広がります。気体は、温度と圧力を下げることで、液体や固体へと相転移します。

通常温度におけるその他の状態

液晶は、液体と固体の中間的な性質を持つ状態です。分子は液体のように自由に動き回りますが、その向きが揃っているため、光学的な異方性を示します。液晶ディスプレイなどに利用されています。

アモルファスは、液体のように不規則な構造を持つ固体です。ガラスや高分子材料などがその例です。ガラス転移温度以上で軟化し、液体状になります。

磁気的に秩序化した状態：強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体など、物質の磁気モーメントの向きが秩序だった状態。磁石の性質を示す強磁性体や、磁気モーメントが打ち消し合う反強磁性体などが存在します。

低温での状態

超伝導：電気抵抗がゼロになり、完全な電流が流れる状態。磁場を完全に排除するマイスナー効果を示します。

超流動：粘度がゼロになり、摩擦なく流れ続ける状態。ヘリウムなどで観測されます。

ボース・アインシュタイン凝縮：極低温で、多くの粒子が同じ量子状態を占める状態。

フェルミ凝縮：ボース粒子ではなくフェルミ粒子で起こる凝縮現象。

量子ホール状態：強磁場下で、ホール伝導率が量子化される状態。

高エネルギーでの状態

プラズマ：高温で、原子から電子が剥ぎ取られ、イオンと自由電子からなる状態。宇宙に最も多く存在する状態です。

クォーク・グルーオンプラズマ：非常に高いエネルギー密度下で、クォークとグルーオンが自由に動き回る状態。

その他の状態

流体：形状が自由に変化し、流れることができる状態。液体と気体が含まれます。プラズマも流体の一種です。

過冷却：融点以下まで冷却されても固化しない状態。

フェルミ縮退：極めて高い圧力下で、電子の運動が量子力学的な効果によって制限される状態。白色矮星などで観測されます。

超固体：超流動性を示す固体。

超ガラス：超流動とアモルファス構造を併せ持つ状態。

String-net liquid：隣り合った電子のスピンが同じ向きになる特殊な液体状態。

リュードベリ状態：励起原子からなる準安定状態。

ストレンジ物質：クォーク物質とも呼ばれる、安定したクォークからなる状態。

重力の特異点：一般相対性理論で予言される、物理法則が破綻する領域。物質の状態とはみなされません。

物質の状態は、温度、圧力、磁場などの外部条件によって変化します。これらの状態変化を相転移といい、物質科学において重要な研究対象となっています。近年では、極低温や極高圧といった極限環境下での物質の状態についても盛んに研究が行われ、新たな物質状態の発見や、既存の物質状態の更なる理解が深まっています。

もう一度検索