מצבי צבירה

כפי שראינו קודם, חבורת אטומים נמצאת במצב יותר יציב מבחינת אנרגיה, כאשר המרחקים בין האטומים די קטנים (0.1-0.2 נ''מ) המתאימים ליצירת קשר כימי. לפי כך, האטומים אמורים להיות צבורים (קשורים). האם זה באמת כך?

לא בדיוק! מצב החומר תלוי בעיקר בשני פרמטרים:

(1) תכונות הבור הפוטנציאלי: עומקו, שיפוע קירותיו וכד'

(2) זמינות האנרגיה החיצונית, בעיקר טמפרטורה (ככל שהטמפרטורה יותר גבוהה, כך יותר גבוהה גם האנרגיה הקינטית של החלקיקים וזה משמש כמאגר אנרגיה ליציאה מהבור הפוטנציאלי).

שילוב של שני הפרמטרים הנ''ל גורם לכך, שכל חומר יכול להתקיים בשלושה מצבי צבירה:

(1) גז

במצב זה לחלקיקים (אטומים או מולקולות) יש אנרגיה קינטית גבוהה (כלומר, כל החלקיקים זזים במהירויות גבוהות. טיפוסית, חלקיק גז עובר בשנייה אחת מרחק של כמה מאות מטרים, זאת אומרת המרחק פי 1011 גדול מהחלקיק עצמו. (בקנה המידה האנושי מהירות כזאת היא 107 ק''מ לשנייה, פי כמאה יותר ממהירות האור!) מהירות ענקית זו תואמת אנרגיה קינטית גבוהה מאוד וזה נותן לחלקיקים אפשרות לא להיתקע בבור פוטנציאלי אלא להישאר במצב חופשי. יתר על כך, המרחקים בין חלקיקי הגז מגיעים עד 20-30 נ''מ (כ-100 קטרים אטומיים) וזה בהחלט עולה על המרחק שבו החלקיקים מתחילים להרגיש זה את זה. במצב כזה אין שום סדר במיקום החלקיקים.

במצב גז אין סדר, חלקיקי חומר אינם קשורים ביניהם לבין עצמם אלא נעים במהירויות גבוהות ומרחקים ביניהם גדולים.

 

 

(2) נוזל

במצב נוזלי אנרגיית חלקיקים יותר נמוכה. תנועת החלקיקים מוגבלת, הסביבה די צפופה כך שהמרחק הטיפוסי בין חלקיקים הוא 10 - 1 גדלי חלקיקים בלבד. בתנאים כאלה חלק מהחלקיקים מתקרבים למרחקים שבהם מתחילה אינטראקציית משיכה. הקשרים בין החלקיקים לא חזקים מדי (לחלקיקים יחסית קל למצוא אנרגיה הדרושה ליציאה מהבור הפוטנציאלי), לרוב מתקיימים רק קשרי ואן-דר-ואלס. במצב כזה קיימים חלקיקים בצורת צבירים (קלאסטרים) בעלי הרכב משתנה המונה עד כ-100 חלקיקים לכל היותר. במיקום החלקיקים קיים סדר קרוב.

במצב נוזלי קיים סדר קרוב, תנועת חלקיקים מוגבלת והם קיימים בצורת קלאסטרים.

 

 

(3) מוצק

במצב מוצק האנרגיה של החלקיקים נמוכה מאוד. החלקיקים נמצאים סמוך זה לזה וביניהם קיימים קשרים חזקים הכוללים כל סוגי הקשר. רק חלקיקים בודדים נדירים מצליחים לצבור מספיק אנרגיה ולצאת לזמן קצר מבור פוטנציאלי, כאשר רוב החלקיקים נשארים כל הזמן "תקועים" ומסוגלים לבצע רק תנודות קטנות בלי לעזוב את העמדה. מצב כזה מסייע ליצירת סדר רחוק.

במצב מוצק קיים סדר רחוק, תנועת חלקיקים מתאפשרת רק בצורת תנודות קטנות והמרחקים בין החלקיקים קטנים (בסדר גודל של חלקיקים עצמם).