Meille kaikille on opetettu koulussa aineiden kolme eri olomuotoa, neste, kiinteä ja kaasu. Tämän tiedon avulla pystymme ymmärtämään paremmin meidän koko ympäristöämme. Normaalisti näiden kolmen olomuodon tietäminen on tarpeeksi arkielämässä, sillä niitä näkee päivittäin: juomme jatkuvasti vettä tai jotain muuta nestettä, näemme höyryä tai kaasua keittäessämme ruokaa ja lähes kaikki, mihin koskemme on kiinteää. Omat kokemuksemme näistä eri olomuodoista on luonut meille ajatuksen todellisuudesta, minkä mukaan nämä kolme olomuotoa ovat ainoat, mitä on olemassa. Olisi hyvin vaikea edes kuvitella erilaisia olomuotoja, varsinkin jos ei ymmärrä aineita atomitasolla. Moni kuitenkin on tietoinen siitä, että aineella voi olla enemmän kuin kolme olomuotoa. Jotkut sanovat niitä olevat neljä, jotkut sanovat viisi ja hyvin harvat ajattelevat aineella pystyvän olevan kymmenittäin erilaisia olomuotoja.
Kuva: https://www.slideshare.net/eduhelpbdos/the-three-states-of-matter-class-1
Näiden vähemmän tiedettyjen olomuotojen tietäminen on yllättävän harvinaista, koska niitä ei opeteta koulussa. Toki lukiossa puhutaan plasmasta, mutta itse olen kuullut muista aineen olomuodoista koulun ulkopuolella (olen käynyt vain yhden kemian kurssin lukiossa. En siis tiedä opetetaanko siellä näitä olomuotoja muilla kursseilla). Monen mielestä on myös hankalaa ymmärtää muiden mahdollisten olomuotojen olemassaoloa. Itsellä ainakin kesti jonkin aikaa tajuta muita olomuotoja. Muut olomuodot eivät ole yleisiä näkyjä suurimmalle osalle väestöstä, jolloin on vaikea visualisoida vieraalta kuulostavia olomuotoja. Muista olomuodoista tietäminen myös antaa erilaisen käsityksen maailmankaikkeudelle, koska se osoittaa universumin olevan paljon monimutkaisempi kuin kolmen olomuodon tietämyksellä olettaisi. Se on mielenkiintoista ajatella, millaisia eri olomuodot ovat käytännössä. Monelle voi tulla mieleen tiettyjä esineitä scifi-elokuvista, mitkä eivät muistuta yhtään kolmea tiedettyä olomuotoa. Moni näistä eri olomuodoista ei edes ole sellaisia, mitä löytyy vain avaruudesta; moni näistä löytyy meidän planeetaltamme. Kyseessä ei siis ole liian vieraita olomuotoja, vaikka ne saattavat tuntua mahdottomilta.
Neste, kiinteä ja kaasu
Kaikki ymmärtävät nesteen, kiinteän ja kaasun. Niitä on helppoa ajatella käytännössä vettä apuna käyttämällä: kun lämpötila on alhainen, vesi jäätyy (kiinteä), kun veden lämpötila on neutraali, vesi pysyy nestemäisenä (neste) ja kun lämpötila nousee tarpeeksi, vesi muuttuu höyryksi (kaasu). Tämä on yksi yksinkertaisimmista tavoista kertoa kolme olomuotoa, mutta mitä tämä tarkoittaa atomitasolla? Lyhyesti sanottuna aineiden eri olomuodot johtuvat atomien erilaisesta käyttäytymisestä. Aine pystyy olla kiinteä, kun atomit pysyvät vakaana, liikkuen hyvin vähän (ei täysin paikallaan). Tällöin atomit pystyvät pitämään molekyylin hajoamattomana luoden kiinteän aineen. Nestemäinen aine syntyy atomien liikkuessa paljon vapaammin, jolloin molekyyli ei ole tarpeeksi vahva luodakseen kiinteää ainetta. Nestemäisessä aineessa molekyyli kuitenkin säilyy sitoutuneena, mikä estää aineen pinta-alaa kasvamasta. Kaasussa sen sijaan atomit eivät ole sidoksissa ollenkaan toisiinsa estäen molekyylien vuorovaikutuksen. Muistaakseni yläasteen kemian opettajani vertasi kaasuilmiön atomeita luoteihin: atomit vain lentelevät kaikkialle ilmassa täyttäen tilan tilavuuden.
Kuva: https://www.quora.com/How-are-particles-arranged-in-the-three-states-of-matter
Näiden kolmen olomuodon lisäksi moni voi miettiä niistä eroavia asioita, joita näemme päivittäin, kuten mutaa tai smoothieta. Muta tai smoothie ovat tarpeeksi nestemäisiä, että niitä ei voi sanoa kiinteiksi aineiksi. Samalla ne eivät ole tarpeeksi nestemäisiä, että niitä voisi kutsua nesteiksi. Tällaisessa tilanteessa kyseessä ei ole eri olomuoto, vaan pikemminkin kahden olomuodon risteys. Tällainen ilmiö on mahdollista, kun kiinteän aineen molekyylirakenne ei kestä nestettä. Esimerkiksi kiven laittaminen veteen ei muuta kivestä ja vedestä mutaa muistuttavaa ainetta, mutta veden ja mullan sekoittaminen yhteen saa aikaan mullan. Mutaa voi siis pitää kiinteänä aineena, millä on heikko molekyylirakenne, kun se on vuorovaikutuksessa nesteen kanssa. Mutaa muistuttavien aineiden lisäksi on monia muita tilanteita, joissa ainetta voisi jopa pitää omana olomuotonaan. Tällaisia mahdollisia olomuotoja kutsutaan nimellä ei-klassiset olomuodot (non-classical states). Muun muassa joitakin kristalleja voidaan pitää ei-klassisina olomuotoina. Tällaiset kristallit ovat yleensä kiinteitä, mutta osa niiden molekyyleistä liikkuvat vapaammin kuin normaalien kiinteiden aineiden molekyylit. On myös olemassa nestemäisiä kristalleja, jotka omaavat nestemäisten ja kiinteiden aineiden ominaisuuksia. Erilaisten kristallien lisäksi on olemassa magneettisesti järjestäytyneitä aineita. Yleisesti magneettisesti järjestäytyneet aineet muistuttavat kiinteitä aineita, mutta niiden rakenteessa on eroja: magneettisen energian takia useat elektronit eivät pariudu, jolloin ei synny kemiallisia siteitä. Näiden esimerkkien lisäksi jopa lasin on sanottu olevan eri olomuoto aineelle. Ei-klassiset olomuodot ovat kemiallisella tasolla eri olomuotoja, mutta niistäkin on väitelty, sillä yleisesti ne muistuttavat hyvin paljon kolmea tiedettyä olomuotoa.
Kuva: https://www.slideshare.net/knowledge1995/liquid-crystals-57084227
Aineen olomuodon mahdollistaa lämpötila. Riippuen siitä, kuinka kylmä tai kuuma tilassa on, aine muuttaa olomuotoaan. Eri aineilla on eri sulamis -ja kiehumispisteet, mutta veden ollessa niin yksinkertainen, sitä voi pitää hyvänä esimerkkinä. Veden ollessa 0 astetta, vesi jäätyy ja sadan asteen kohdalla vesi kiehuu, ja siinä välissä vesi pysyy “neutraalina” eli nestemäisenä. Tämä on lämpötilan vaikutus yleensä eri aineisiin, mutta muut olomuodot pystytään saavuttamaan, kun lämpötilat muuttuvat yli kiehumispisteen ja alle sulamispisteen. Toki vesi on jäätynyt, vaikka pakkasta olisi 100 astetta, mutta mitä jos lämpötila muuttuisi inhimillisen korkeaksi tai alhaiseksi?
Plasma
Lähes kaikki tuntevat nesteen, kiinteän ja kaasun, mutta yllättävän moni osaa sanoa plasman olevan yksi aineen olomuoto. Plasma on ylivoimaisesti tunnetuin “harvinainen” olomuoto, koska siitä monet ovat kuulleet jopa koulussa. Plasma syntyy, kun lämpötila nousee niin kuumaksi, että atomi menettää elektroneja. Pienenä kertauksena kaikille atomi koostuu elektroneista, protoneista ja neutroneista ja nämä koostuvat kvarkeista. Atomin ytimessä sijaitsee protonit ja neutronit ja ytimen ympärillä (elektronikuoressa) sijaitsee elektronit, mitkä ovat pienempiä kuin protonit tai neutronit. Elektronien irtautuessa atomeista, se luo erittäin kuuman olomuodon, jota kutsutaan plasmaksi.
Kuva: https://en.wikipedia.org/wiki/State_of_matter
Plasmaa ei usein näy arjessa, mutta moni on kuullut plasmaleikkureista, joita käytetään hyvin vahvojen aineiden leikkaamisessa. Plasman ollessa niin kuumaa, jopa metallia on helppo leikata plasman avulla. Plasmaleikkurin lisäksi salama on myös tietynlaista plasmaa. Fiktiossa plasmaa voi verrata Star Wars -elokuvissa nähtyihin valosapeleihin. Jos valosapelit olisivat nimensä mukaisesti “valo”sapeleita, nämä aseet muistuttaisivat enemmän taskulamppuja. Valosapelit toimivat suurimmaksi osin juuri sillä tavalla kuin plasma toimii todellisuudessa mennen seinien läpi, pilkkoen tavaroita kuumuuden ansiosta ja samalla reagoiden sähkökenttiin.
Kuva: https://research-groups.usask.ca/plasma-physics/
Yleisesti nestettä, kiinteää, kaasua ja plasmaa pidetään fundamentaalisina olomuotoina ollen neljä ainoata täysin selvää ja varmaa olomuotoa. Kaikki muut tunnetut olomuodot ovat niin monimutkaisia, ja tuntuvat olevan aika samanlaisia. Tämän takia muista olomuodoista tietäminen on pikemminkin nippelitietoa.
Bosen-Einsteinin kondensaatti - viides aineen tila
Aika harva tietää sellaisesta olomuodosta kuin Bosen-Einsteinin kondensaatti. Tätä olomuotoa pidetään viidentenä aineen olomuotona. Tämä olomuoto on syy sille, miksi yleisesti sanotaan olevan vain viisi olomuotoa, koska loput olomuodot, mitkä mainitsen myöhemmin, eivät ole yhtä tunnettuja. Bosen-Einsteinin kondensaatti on bosoneista koostuva aine, missä useat hiukkaset miehittävät alinta energiatilaa. Bosoneilla tarkoitetaan hiukkasia, jotka eivät noudata Paulin kieltosääntöä, eli sääntöä, jonka mukaan esimerkiksi elektronit eivät voi olla samassa kvanttitilassa. Kvanttitilalla sen sijaan tarkoitetaan kaikkea havaittavaa tietoa kvanttisysteemistä, mikä taas on tavallaan osa koko maailmasta. Olen pahoillani, jos tekstistäni on vaikea saada selvää, mutta näitä asioita on vaikea selittää ilman, että selittää eri termien merkitykset. Hiukkasten miehittävän alinta energiatilaa tarkoittaa hiukkasten menettävän yksilöllisen luonteensa. Tämän seurauksena Bosen-Einsteinin kondensaatti alkaa noudattaa kvanttimekaniikan lakeja, eli tapahtumia kuvaavaa perusteoriaa, mikä tutkii aineiden mekaniikan pätevyyttä.
Tuosta selityksestäni ei varmaan saa mitään selvää, mutta toisin sanoen Bosen-Einsteinin kondensaatti syntyy, kun atomit erotetaan ja lämpötila lasketaan lähelle absoluuttista nollapistettä (-273.15 celsiusastetta). Tällöin hiukkasia voidaan verrata aaltoihin. Lämpötilan laskiessa nämä aallot laajenevat mennen päällekkäin keskenään. Hiukkasten mennessä päällekkäin keskenään niistä tulee yksittäisten hiukkasten sijaan yksi kvanttiyksikkö. Yleensä Bosen-Einsteinin kondensaatti esiintyy joko supranesteenä tai suprajohteena. Supraneste on nestettä, millä ei hyvin kylmissä lämpötiloissa esiinny kitkaa, jolloin vaikuttaa siltä kuin aine uhmaisi painovoimaa ja suprajohde on kiinteä aine, millä ei ole alhaisissa lämpötiloissa sähköistä vastusta.
Kuva: https://www.zmescience.com/science/bec-space-first-rocket-962552314/
Tuosta minun naurettavan yksinkertaisesta selityksestäni voi olettaa, miksi näitä asioita ei opeteta kouluissa; näiden asioiden selittäminen ja ymmärtäminen on erittäin hankalaa. Itse opin tästä viidennestä olomuodosta englanniksi, mikä on varmaan yksi syy sille, miksi se oli vaikea selittää suomeksi. Silti se on outoa mielestäni, että vain harva tietää tästä olomuodosta. Kyseessä kuitenkin on olomuoto, mikä sai nimensä kahden hyvin tunnetun tiedemiehen mukaan, S. N. Bosen ja Albert Einsteinin mukaan.
Kvarkki-gluoniplasma ja fermioninen kondensaatti
Bosen-Einsteinin kondensaatin lisäksi erittäin harva on tietoinen kvarkki-gluoniplasmasta ja fermionisesta kondensaatista. Näitä pidetään kuudentena ja seitsemäntenä olomuotona riippuen siitä, keneltä kysyy. Kvarkki-gluoniplasma syntyy erittäin kuumassa lämpötilassa, kun kvarkit ja gluonit irtautuvat protoneista ja neutroneista. Tämä irtautuminen syntyy lämpötilan takia. Eli kvarkki-gluoniplasma syntyy sellaisessa lämpötilassa, mikä on kirjaimellisesti tarpeeksi sulattamaan atomin osia. Se on uskomatonta, että se on edes mahdollista luoda tällainen olomuoto. Tosin tällainen olomuoto on luotu vain hiukkaskiihdyttimissä, jossa kiihdytetään hiukkasia toisiaan päin luoden hyvin kuumia lämpötiloja.
Kuva: https://en.wikipedia.org/wiki/Quark%E2%80%93gluon_plasma
Fermioninen kondensaatti on hyvin erilainen kuin kvarkki-gluoniplasma. Fermioninen kondensaatti on erittäin alhaisen lämpötilan luomus. Alhainen lämpötila saa atomit pariutumaan keskenään, jolloin aineesta tulee supraneste. Se muistuttaa yllättävän paljon Bose-Einsteinin kondensaattia; yhtenä tärkeänä erona on aineet, mitkä mahdollistavat tämän olomuodon. Bosen-Einsteinin kondensaatti koostuu bosoneista, kun taas fermioninen kondensaatti koostuu fermioneista. Fermioninen kondensaatti myös luodaan eri tavalla magneettisella käsittelyllä.
Kuva: https://www.nasa.gov/audience/forstudents/postsecondary/features/12feb_fermi_prt.htm
Olen kuullut vain muutaman kerran eläissäni näistä kahdesta aineen olomuodosta. Mielestäni ne on helpompi tajuta kuin Bosen-Einsteinin kondensaatti, mutta silti kumpaakaan kvarkki-gluoniplasmaa tai fermionista kondensaattia ei kuvata “viidentenä” olomuotona. Jos googlettaa Bosen-Einsteinin kondensaatin, suurimmassa osassa hakutuloksista tätä olomuotoa kuvataan viidentenä olomuotona. Kvarkki-gluoniplasma eikä fermioninen kondensaatti saa samanlaista kohtelua. Toisaalta kvarkki-gluoniplasmaa voi pitää ihan plasmana ja fermionista kondensaattia ja myös Bosen-Einsteinin kondensaattia voidaan pitää olomuotona supraneste. Tämä ei kuitenkaan pidä paikkaansa, sillä se olisi sama asia kuin sanoisi veden olevan eri olomuoto kuin kivi: kumpikin esiintyy eri olomuodoissa, mutta nämä aineet itsessään eivät ole eri olomuotoja, vaan eri aineita. Pitää muistaa, että kaikki aineet koostuvat atomeista, ja olomuotoihin vaikuttavat atomien toiminta, eikä aine.
Muut olomuodot
Seitsemän olomuodon tietäminen on jo aika hyvä tulos, varsinkin jos osaa selittää ne. Kaikki muut olomuodot jaetaan kahteen ryhmään: matalalämpöiset olomuodot (low-temperature states) ja korkeaenergiset olomuodot (high-energy states). En löytänyt näistä kahdesta ryhmästä mitään suomenkielisiä lähteitä internetistä, minkä takia en tiedä onko niille olemassa eri nimet suomeksi. Matalalämpöiset olomuodot ovat nimensä mukaisesti sellaisia, mitkä syntyvät hyvin alhaisessa lämpötilassa. Usein nämä olomuodot muistuttavat supranesteitä. Esimerkiksi Bosen-Einsteinin kondensaatti ja fermioninen kondensaatti ovat matalalämpöisiä olomuotoja. Nämä kaksi ovat tunnetuimmat olomuodot tästä kategoriasta, mutta muita matalalämpöisiä olomuotoja ovat esimerkiksi fotoninen aine (photonic state) ja Rydberg-molekyyli (Rydberg molecule). Fotonista ainetta pidetään parempana vertauksena Star Wars -elokuvien valosapelille, koska plasma ei olomuotona pysty pysymään miekan tavalla kiinteänä samalla tavalla kuin elokuvissa, jolloin plasma todellisuudessa muistuttaisi enemmän jonkinlaista plasmapyssyä.
Kuva: https://imgflip.com/i/242ql1
Korkeaenergisiä olomuotoja voidaan saavuttaa monella eri tavalla. Tietysti nimensä mukaisesti käyttämällä paljon energiaa eri tavalla voidaan luoda eri olomuotoja, mutta samalla korkea paine ja lämpötila ovat yleensä syyt korkeaenergisille olomuodoille. Kvarkki-gluoniplasma tavallaan on korkeaenerginen olomuoto, vaikka sen on sanottu olevan ihan eri ryhmässä nimeltä hyvin korkeaenergiset olomuodot (very high energy states). Näiden kahden ryhmän olomuotoja on hyvin vaikea selittää. Itse en osaa edes selittää muutaman niiden logiikkaa; esimerkiksi fotoninen aine on nimeltään aine, vaikka kaikkien sääntöjen mukaan aine ei ole syy olomuotoon, vaan atomit. Se nimi on hyvin harhaanjohtava.
Miksi suurin osa tietää vain kolme aineen tilaa?
Selityksistäni voi olettaa, miksi osaa näistä olomuodoista ei selitetä kouluissa, ainakaan peruskouluissa: niiden selittäminen on naurettavan hankalaa. Näiden asioiden sataprosenttinen ymmärtäminen ei välttämättä edes ole tarpeeksi hyvään selitykseen, koska kyseessä on tieteenala, jossa useita teorioita, sääntöjä, lakeja ja ilmiöitä on hyvin vaikea selittää sanoin. Kolmen olomuodon opettaminen on helppoa niin opettajille kuin myös opiskelijoille. Kolme olomuotoa on helppo selittää veden avulla toisin kuin muita olomuotoja. Olen silti sitä mieltä, että ne pitäisi edes mainita koulussa. Opettamalla vain kolme olomuotoa ja kertomalla niiden olevan ainoat olomuodot antaa lapsille kehnon kuvan universumista. Muita olomuotoja ei tarvitse opettaa samalla tavalla kuin kolmea olomuotoa, sillä moni aikuinenkaan ei tajua niitä, mutta pelkkä mainitseminen antaa lapsille laajemman käsityksen kaikesta. Mielestäni edes plasma pitäisi opettaa jo ala-asteella, koska se on mielestäni aika helppo ymmärtää ja se on yksi neljästä fundamentaalisesta olomuodosta.
Kuva: https://imgflip.com/i/3px654
Minä tiedän eri olomuodoista aika vähän. Olen tutustunut niihin vapaa-ajallani koittaen mahdollisimman hyvin oppia ne. Jos minulle oltaisiin kerrottu muista olomuodoista koulussa, uskon, että ymmärtäisin niitä paremmin. Tietämättömyydestäni huolimatta on uskomatonta ajatella, että tietyt aineet pystyvät esiintyä niin useassa muodossa. Me kaikki olemme miettineet universumin suuruutta, mutta silloin tällöin mietimme päinvastoin suuruuden sijasta atomi -ja molekyylitason pienuutta. Ihmiset eivät edes pysty käsittämään kaikkia universumin osia kvarkeista atomeihin ja niitäkin pienempiä asioita.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti