物質の状態

物理学において、物質の状態とは、物質が存在できる明確な形態の 1 つです。日常生活では、固体、液体、気体、プラズマの 4 つの物質状態が観察されます。液晶など、多くの中間状態の存在が知られており、ボーズ・アインシュタイン凝縮体やフェルミオン凝縮体(極低温)、中性子縮退物質 (極度の密度) 、クォーク・グルーオン・プラズマ(極端に高いエネルギー)など、極端な条件下でのみ存在する状態もあります。

歴史的に、この区別は特性の質的な違いに基づいています。固体状態の物質は、構成粒子（原子、分子、またはイオン）が互いに接近して固定された状態で、一定の体積（温度や気圧の変化がないと仮定）と形状を維持します。液体状態の物質は、一定の体積（温度や気圧の変化がないと仮定）を維持しますが、容器に合わせて形状が可変です。粒子は依然として互いに接近していますが、自由に移動します。気体状態の物質は、体積と形状の両方が可変で、容器に合わせて両方が適応します。粒子は接近しておらず、所定の位置に固定されていません。プラズマ状態の物質は、体積と形状が可変で、中性原子と、自由に動き回ることができる 多数のイオンと電子を含みます。

相という用語は物質の状態の同義語として使用されることもありますが、単一の化合物が同じ物質の状態にある異なる相を形成することは可能です。たとえば、氷は水の固体ですが、異なる結晶構造を持つ複数の氷の相があり、それらは異なる圧力と温度で形成されます。

固体では、構成粒子（イオン、原子、分子）が密集しています。粒子間の力は非常に強いため、粒子は自由に動くことはできず、振動することしかできません。その結果、固体は安定した一定の形状と一定の体積を持ちます。固体は、破壊または切断などの外部からの力によってのみ形状を変えることができます。

結晶性固体では、粒子（原子、分子、イオン）が規則的に整列した繰り返しパターンで詰まっています。結晶構造にはさまざまな種類があり、同じ物質が複数の構造（または固相）を持つこともあります。たとえば、鉄は912℃（1,674℉）未満の温度では体心立方構造を持ち、 912℃から1,394℃（2,541℉）の間では面心立方構造を持ちます。氷には15種類の結晶構造、つまり15種類の固相が知られており、さまざまな温度と圧力で存在します。^[1]

長距離秩序を持たないガラスやその他の非結晶性非晶質固体は、熱平衡基底状態ではないため、以下では非古典的な物質状態として説明されます。

固体は融解によって液体に変化し、液体は凍結によって固体に変化します。また、固体は昇華によって直接気体に変化し、同様に気体は沈殿によって直接固体に変化します。

液体は、容器の形状に順応しながらも圧力に関わらず（ほぼ）一定の体積を保つ、ほぼ非圧縮性の流体である。温度と圧力が一定であれば、体積は一定である。固体を融点以上に加熱すると、圧力が物質の三重点よりも高い場合、固体は液体になる。分子間（または原子間またはイオン間）の力は依然として重要であるが、分子は互いに対して移動するのに十分なエネルギーを持ち、構造は可動である。つまり、液体の形状は一定ではなく、容器によって決定される。体積は通常、対応する固体の体積よりも大きいが、最もよく知られている例外は水（H ₂ O）である。特定の液体が存在できる最高温度は、その臨界温度である。^[2]

ガスは圧縮可能な流体です。ガスは容器の形状に沿うだけでなく、容器を満たすように膨張します。

気体では、分子は十分な運動エネルギーを持っているため、分子間力の影響は小さく（理想気体の場合はゼロ）、隣接する分子間の典型的な距離は分子の大きさよりもはるかに大きくなります。気体には明確な形や体積はなく、封じ込められている容器全体を占めます。液体は、一定圧力で沸点まで加熱するか、一定温度で圧力を下げることによって気体に変換できます。

臨界温度以下の温度では、気体は蒸気とも呼ばれ、冷却せずに圧縮だけで液化できます。蒸気は液体 (または固体) と平衡状態で存在することができ、その場合、気体の圧力は液体 (または固体) の 蒸気圧に等しくなります。

超臨界流体（SCF）は、温度と圧力がそれぞれ臨界温度と臨界圧力を超える気体です。この状態では、液体と気体の区別がなくなります。超臨界流体は気体の物理的特性を持っていますが、その高密度により溶媒特性が付与される場合があり、これが有用な用途につながります。たとえば、超臨界二酸化炭素は、カフェイン抜きコーヒーの製造においてカフェインを抽出する ために使用されます。 ^[3]

ガスは通常、2 点間の大きな電圧差から、または非常に高い温度にさらすことによって、2 つの方法のいずれかでプラズマに変換されます。物質を高温に加熱すると、電子が原子から放出され、自由電子が発生します。これにより、いわゆる部分イオン化プラズマが生成されます。恒星に存在するような非常に高い温度では、基本的にすべての電子が「自由」であり、非常に高エネルギーのプラズマは基本的に電子の海に浮かぶむき出しの原子核であると想定されます。これにより、いわゆる完全イオン化プラズマが形成されます。

プラズマ状態は誤解されることが多いが、地球上の通常の状況下では自由には存在しないが、雷、電気火花、蛍光灯、ネオンライト、プラズマテレビなどで生成されることはよくある。太陽のコロナ、ある種の炎、星はすべてプラズマ状態の照明物質の例である。プラズマは4つの基本状態の中で群を抜いて豊富であり、宇宙の通常の物質の99%はプラズマであり、すべての星を構成している。^{[4] [5] [6]}

物質の状態は相転移によっても特徴付けられる。相転移は構造の変化を示し、特性の急激な変化によって認識できる。物質の明確な状態は、相転移によって他の状態セットと区別される任意の状態セットとして定義できる。水はいくつかの異なる固体状態を持っていると言える。^[7]超伝導の出現は相転移と関連しているため、超伝導状態が存在します。同様に、強磁性状態は相転移によって区別され、独特の特性を持っています。状態の変化が段階的に起こる場合、中間段階は中間相と呼ばれます。このような相は液晶技術の導入によって利用されてきました。^{[8] [9]}

物質の状態や相は、圧力や温度の条件によって変化し、これらの条件が物質の存在に有利に働くように変化すると、他の相に遷移します。たとえば、温度が上昇すると固体は液体に遷移します。絶対零度付近では、物質は固体として存在します。この物質に熱を加えると、融点では溶けて液体になり、沸点では沸騰して気体になります。さらに十分に加熱されると、電子が非常にエネルギー化されて親原子から離れるプラズマ状態になります。

分子で構成されておらず、異なる力によって組織化された物質の形態も、異なる物質の状態と見なすことができます。超流体（フェルミオン凝縮体など）やクォーク・グルーオン・プラズマなどがその例です。

化学式では、化学物質の状態は固体の場合は(s)、液体の場合は(l)、気体の場合は(g)と表される。水溶液は(aq)と表される。

${\displaystyle {\text{2 Na (s) + 2 H}}_{2}{\text{O (l)}}\rightarrow {\text{H}}_{2}\,{\text{(g) + 2 Na}}^{+}{\text{(aq) + 2 OH}}^{-}{\text{(aq)}}}$

プラズマ状態の物質は化学式ではほとんど使われないので（使われたとしても）、それを表す標準的な記号はありません。プラズマが使われるまれな式では、(p) と表記されます。

ガラスは非結晶性または非晶質の固体材料であり、加熱すると液体状態になるときにガラス転移を示します。ガラスは、無機ネットワーク (ケイ酸塩と添加剤でできた窓ガラスなど)、金属合金、イオン溶融物、水溶液、分子液体、ポリマーなど、非常に異なるクラスの材料で作ることができます。熱力学的には、ガラスは結晶性ガラスに対して 準安定状態にあります。ただし、変換率は実質的にゼロです。

塑性結晶は、長距離の位置秩序を持つ分子固体ですが、構成分子は回転の自由度を保持しています。配向ガラスでは、この自由度は急冷された無秩序な状態で固定されています。

同様に、スピングラスでは磁気の無秩序が凍結されます。

液晶状態は、流動性液体と秩序だった固体の中間の特性を持っています。一般的に、それらは液体のように流動することができますが、長距離秩序を示します。たとえば、ネマチック相は、 118〜136℃（244〜277℉）の温度範囲でネマチックであるパラアゾキシアニソールなどの長い棒状の分子で構成されています。 ^[10]この状態では、分子は液体のように流れますが、それらはすべて同じ方向を向いており（各ドメイン内）、自由に回転することはできません。結晶性固体と同様ですが、液体とは異なり、液晶は偏光に反応します。

他の種類の液晶については、これらの状態に関するメイン記事で説明します。いくつかの種類は、たとえば液晶ディスプレイにおいて技術的な重要性を持っています。

右に示すスチレン-ブタジエン-スチレンブロック共重合体の例に示されているように、共重合体はミクロ相分離を起こして、多様な周期的ナノ構造を形成することがあります。ミクロ相分離は、油と水の相分離に例えて理解できます。ブロック間の化学的不適合性により、ブロック共重合体は同様の相分離を起こします。ただし、ブロックは互いに共有結合しているため、水と油のようにマクロ的に分離することはできず、代わりにブロックはナノメートルサイズの構造を形成します。各ブロックの相対的な長さとポリマーの全体的なブロックトポロジーに応じて、それぞれが独自の物質相である多くの形態が得られます。

イオン液体もミクロ相分離を示す。陰イオンと陽イオンは必ずしも相溶性があるわけではなく、そうでなければ分離するが、電荷の引力により分離が妨げられる。イオン液体の陰イオンと陽イオンは、均一な液体のように自由に拡散するのではなく、区画化された層またはミセル内で拡散するように見える。^[11]

遷移金属原子は、対になっていないまま化学結合を形成しない電子の正味スピンにより、磁気モーメントを持つことがよくあります。一部の固体では、異なる原子の磁気モーメントが整列しており、強磁性体、反強磁性体、またはフェリ磁性体を形成できます。

強磁性体、例えば固体鉄では、各原子の磁気モーメントは（磁区内で）同じ方向に揃っています。磁区も揃っていれば、固体は永久磁石となり、外部磁場がなくても磁性を帯びます。磁石をキュリー点まで加熱すると磁化は消えます。鉄の場合、キュリー点は 768 °C（1,414 °F）です。

反強磁性体には、等しく反対の磁気モーメントを持つ 2 つのネットワークがあり、これらは互いに打ち消し合うため、正味の磁化はゼロになります。たとえば、ニッケル (II) 酸化物(NiO) では、ニッケル原子の半分は一方向に揃ったモーメントを持ち、残りの半分は反対方向に揃ったモーメントを持ちます。

強磁性体では、2 つの磁気モーメントのネットワークは反対ですが不等であるため、相殺は不完全で、正味の磁化はゼロではありません。例としては、異なる磁気モーメントを持つ Fe ^{2+ イオン}と Fe ³⁺イオンを含む磁鉄鉱(Fe ₃ O ₄ ) があります。

量子スピン液体(QSL) は、相互作用する量子スピンのシステムにおける無秩序な状態であり、他の無秩序な状態とは異なり、非常に低い温度まで無秩序さが維持されます。これは物理的な意味での液体ではなく、磁気秩序が本質的に無秩序な固体です。「液体」という名前は、従来の液体の分子の無秩序との類似性に由来しています。QSL は、磁区が平行である強磁性体でも、磁区が反平行である反強磁性体でもありません。代わりに、磁区はランダムに配向されています。これは、例えば、均一に平行または反平行を向くことができない幾何学的にフラストレーションのある磁気モーメントによって実現できます。冷却されて状態に落ち着くとき、磁区は方向を「選択」する必要がありますが、可能な状態のエネルギーが似ている場合は、ランダムに 1 つが選択されます。その結果、強力な短距離秩序にもかかわらず、長距離磁気秩序は存在しません。

超伝導体は電気抵抗がゼロで、完全な導電性を持つ物質です。これは低温で存在する明確な物理的状態であり、各超伝導体ごとに明確に定義された遷移温度で抵抗率が不連続に有限値まで増加します。^[12]

超伝導体は内部からすべての磁場を排除します。この現象はマイスナー効果または完全反磁性として知られています。^[12] 超伝導磁石は磁気共鳴画像装置の電磁石として使用されます。

超伝導現象は1911年に発見され、その後75年間は30K以下の温度でのみ一部の金属や金属合金で知られていました。1986年に特定のセラミック酸化物でいわゆる高温超伝導が発見され、現在では164Kという高温でも観測されています。^[13]

絶対零度に近づくと、一部の液体は粘度がゼロ（または無限の流動性、つまり摩擦なしで流れる）になるため、超流動と呼ばれる第2の液体状態を形成します。これは1937年にヘリウムで発見され、ヘリウムはラムダ温度2.17 K（-270.98 °C、-455.76 °F）以下で超流動を形成します。この状態では、液体は容器から「上昇」しようとします。^{[14]また、}熱伝導率は無限であるため、超流動体では温度勾配が形成されません。回転する容器に超流動体を入れると、量子化された渦が発生します。

これらの特性は、一般的な同位体ヘリウム4が超流動状態でボーズ・アインシュタイン凝縮体（次のセクションを参照）を形成するという理論によって説明されます。最近では、希少同位体ヘリウム3とリチウム6によってさらに低い温度でフェルミオン凝縮超流動体が形成されることが報告されています。^[15]

1924 年、アルバート アインシュタインとサティエンドラ ナス ボースは、「ボース アインシュタイン凝縮」(BEC) を予測しました。これは物質の第 5 の状態とも呼ばれます。BEC では、物質は独立した粒子として動作しなくなり、単一の均一な波動関数で記述できる単一の量子状態に崩壊します。

気相では、ボーズ＝アインシュタイン凝縮は長年、未検証の理論的予測のままであった。1995 年、コロラド大学ボルダー校のJILAのEric CornellとCarl Wiemanの研究グループは、実験的に初めてそのような凝縮体を生み出した。ボーズ＝アインシュタイン凝縮は固体よりも「冷たい」。これは、原子が非常に似た (または同じ)量子レベルを持ち、絶対零度(-273.15 °C (-459.67 °F))に非常に近い温度で発生する可能性がある。

フェルミオン凝縮体はボース・アインシュタイン凝縮体に似ていますが、フェルミオンで構成されています。パウリの排他原理により、フェルミオンは同じ量子状態に入ることができませんが、フェルミオンのペアはボソンとして動作することができ、そのようなペアが複数あると、制限なく同じ量子状態に入ることができます。

死んだ恒星の中心核のように、極めて高い圧力下では、通常の物質は縮退物質と総称される一連のエキゾチックな物質状態へと遷移する。縮退物質は主に量子力学的効果によって支えられている。物理学では、「縮退」とは、同じエネルギーを持ち、したがって互換性のある 2 つの状態を指す。縮退物質は、2 つのフェルミオン粒子が同じ量子状態を占めることを防ぐパウリの排他原理によって支えられている。通常のプラズマとは異なり、縮退プラズマは加熱されてもほとんど膨張しない。これは、運動量状態がまったく残っていないためである。その結果、縮退した星は非常に高密度に崩壊する。質量の大きい縮退星は、重力が増加するが圧力は比例して増加しないため、小さくなる。

電子縮退物質は白色矮星の内部に存在します。電子は原子に束縛されたままですが、隣接する原子に移動することができます。中性子縮退物質は中性子星に存在します。巨大な重力によって原子が非常に強く圧縮されるため、電子は逆ベータ崩壊によって陽子と結合せざるを得なくなり、超高密度の中性子の集合体が形成されます。通常、原子核の外側にある自由中性子は半減期が約 10 分で崩壊しますが、中性子星では、この崩壊が逆崩壊によって上回られます。冷たい縮退物質は、木星などの惑星や、さらに質量の大きい褐色矮星にも存在し、核に金属水素があると予想されています。縮退のため、質量の大きい褐色矮星はそれほど大きくありません。金属では、電子は非縮退正イオンの格子内を移動する縮退ガスとしてモデル化できます。

通常の冷たい物質では、核物質の基本粒子であるクォークは強い力によって、陽子や中性子などの 2～4 個のクォークからなるハドロンに閉じ込められています。クォーク物質または量子色力学 (QCD) 物質は、強い力が克服され、クォークが閉じ込められなくなり自由に移動できる相のグループです。クォーク物質相は、非常に高い密度または温度で発生し、実験室で平衡状態で生成する方法は知られていません。通常の条件では、形成されたクォーク物質はすぐに放射性崩壊を起こします。

ストレンジ物質はクォーク物質の一種で、トルマン・オッペンハイマー・フォルコフ限界（太陽の約2～3倍の質量）に近い中性子星の内部に存在すると疑われているが、その存在を直接示す証拠はない。ストレンジ物質では、利用可能なエネルギーの一部がストレンジクォーク（一般的なダウンクォークのより重い類似体）として現れる。ストレンジ物質は一旦形成されると、より低いエネルギー状態で安定する可能性があるが、これはわかっていない。

クォーク・グルーオン・プラズマは、クォークを互いに結びつける強い力を伝達する亜原子粒子であるグルーオンの海の中で、クォークが永久に粒子に束縛されるのではなく、自由になり独立して移動できるようになる非常に高温の相です。これは、プラズマ中の原子からの電子の解放に類似しています。この状態は、粒子加速器での非常に高エネルギーの重イオン衝突で短時間達成でき、科学者は個々のクォークの特性を観察することができます。クォーク・グルーオン・プラズマの存在を予測する理論は、1970年代後半から1980年代前半に開発され、^[16] 2000年にCERNの研究室で初めて検出されました。^{[17] [18]}ガスのように流れるプラズマとは異なり、QGP内の相互作用は強く、液体のように流れます。

高密度だが比較的低温の場合、クォークはクォーク液体を形成すると理論づけられていますが、その性質は現在不明です。さらに高密度になると、明確なカラー フレーバー ロック(CFL) 相が形成されます。この相はカラー チャージに対して超伝導です。これらの相は中性子星で発生する可能性がありますが、現在のところ理論上のものです。

カラーガラス凝縮体は、光速に近い速度で移動する原子核に存在すると理論づけられている物質の一種です。アインシュタインの相対性理論によれば、高エネルギーの原子核は、運動方向に沿って長さが縮む、つまり圧縮されているように見えます。その結果、原子核内のグルーオンは、静止した観測者には、光速に近い速度で移動する「グルーオン壁」のように見えます。非常に高いエネルギーでは、この壁内のグルーオンの密度が大幅に増加することがわかります。このような壁の衝突で生成されるクォーク-グルーオン プラズマとは異なり、カラーガラス凝縮体は壁自体を表しており、RHIC やおそらく大型ハドロン衝突型加速器などの高エネルギー条件下でのみ観測できる粒子の固有の特性です。

さまざまな理論が、非常に高いエネルギーでの物質の新しい状態を予測しています。未知の状態が宇宙の重粒子非対称性を生み出しましたが、それについてはほとんどわかっていません。弦理論では、超弦のハーゲドン温度は約 10 ³⁰ K で予測されており、そこでは超弦が大量に生成されます。プランク温度(10 ³² K) では、重力が個々の粒子間の大きな力になります。現在の理論ではこれらの状態を説明できず、予測可能な実験で生成することもできません。ただし、これらの状態は、宇宙がビッグバンでこれらの状態を通過した可能性があるため、宇宙論では重要です。

超固体は、超流動特性を持つ空間的に整列した物質（固体または結晶）である。超流動と同様に、超固体は摩擦なしで移動できるが、硬い形状を維持する。超固体は固体であるが、他の固体とは異なる多くの特徴的な性質を示すため、別の物質状態であると主張する人も多い。^[19]

ストリングネット液体では、原子は液体のように不安定な配列をしているように見えますが、それでも固体のように全体的なパターンは一貫しています。通常の固体状態では、物質の原子は格子パターンに整列し、どの電子のスピンも、それに触れるすべての電子のスピンと反対になります。しかし、ストリングネット液体では、原子は、一部の電子が同じスピンを持つ隣の電子を持つことを必要とするようなパターンに配列されます。これにより、奇妙な特性が生じるとともに、宇宙自体の基本条件に関するいくつかの珍しい提案が裏付けられます。

スーパーガラスは、超流動性と凍結した非晶質構造を 同時に特徴とする物質の相です。

カリウムのような金属は、鎖が融解した状態では液体と固体の両方の状態にあるように見えます。これは、高温と高圧にさらされた結果、カリウムの鎖が液体に溶解し、結晶が固体のままになるからです。^[20]

量子ホール状態は、電流の流れに垂直な方向に測定された量子化ホール電圧を生じます。量子スピン ホール状態は、エネルギーの消費が少なく、熱の発生が少ない電子デバイスの開発への道を開く可能性がある理論的な段階です。これは、物質の量子ホール状態から派生したものです。

光子物質とは、ガスと相互作用する光子が見かけ上の質量を発達させ、相互に相互作用して光子「分子」を形成する現象です。質量の源は質量のあるガスです。これは、静止質量がなく相互作用できない空の空間を移動する光子とは対照的です。

• 物質の隠れた状態
• 古典的な要素
• 凝縮系物理学
• 冷却曲線
• 過冷却
• 過熱
• 物質の状態の一覧

• 2005-06-22、MIT ニュース: MIT の物理学者が新しい形態の物質を創造 引用: 「... 彼らは、高温超流動性を示す原子のガスという新しいタイプの物質を初めて創造しました。」
• 2003-10-10、サイエンスデイリー：ボソンの金属相は物質の新しい状態を示唆する
• 2004-01-15、ScienceDaily: 物質の新しい超固体相の発見の可能性 引用: 「...我々は、超流体の特性を持つ固体物質を初めて観察したようです...しかし、そのすべての粒子が同一の量子状態にあるため、その構成粒子が継続的に流れているにもかかわらず、固体のままです...」
• 2004-01-29、ScienceDaily: NIST/コロラド大学の科学者が新しい物質の形、フェルミオン凝縮体を発見
• サセックス大学のJM Murrell教授による物質の状態、固体、液体、気体を説明する短いビデオ。Wayback Machineで2023年3月30日にアーカイブされました。