Фазовая вертикаль (агрегатные состояния вещества): газ, жидкость, твердое тело, плазма, вакуум.

Принято считать, что материя в форме вещества, которая может двигаться только со скоростью меньше скорости света в вакууме, может находиться в твердом, жидком, газообразном состоянии. Четвертое состояние вещества – это плазма. То, в каком состоянии находится вещество, зависит от температуры и давления. Если тепловая энергия kТ, где k = 1,38×10-23 Дж/К, больше энергии взаимодействия атомов или молекул, то это будет газ. Если эти энергии соизмеримы – будет жидкое состояние, а при kТ меньше энергии взаимодействия получают твердое состояние.

В свою очередь твердое состояние может быть аморфным и кристаллическим. В первом случае нет так называемого дальнего порядка в расположении атомов, есть лишь некоторый ближний порядок. В кристаллах атомы «правильно» располагаются в трех взаимно перпендикулярных направлениях (если симметрия кубическая) и образуют кристаллическую решетку. При этом атомы можно представлять в виде шариков, соприкасающихся друг с другом. Кристаллическая решетка обладает различными видами симметрии.

Симметрия – это свойство решётки совпадать с самой собой при некоторых пространственных её перемещениях. Все кристаллы делят на 7 кристаллических систем. Самая низкая симметрия у триклинной системы, где базисные оси а ¹ b ¹ с, вдоль которых расположены атомы, а углы между ними a ¹ b ¹ g ¹ 90°. Самая высокая симметрия у кубической решетки: а = b = с, a = b = g = 90°.

В жидкостях (промежуточное состояние между газом и твердым состоянием) атомы, молекулы могут относительно свободно перемещаться, хотя основное время атомы проводят в оседлом состоянии, лишь изредка перемещаются в другую позицию. Встречаются и жидкие кристаллы, где существует почти дальний порядок, т.е. упорядоченное расположение атомов в пределах значительного объема. При перескакивании атомов из одной позиции в другую происходит диффузия – перемещение атомов по объёму жидкости.

Существуют и аморфные твердые тела, далекие от состояния термодинамического равновесия с хаотичным расположением атомов.

Плазма – это почти нейтральный в смысле электрического заряда ионизированный газ. Считают плазму идеальной, если тепловая энергия на атом kТ немного превышает потенциальную энергию их взаимодействия для среднего в ней расстояния между атомами (ионами). Для неё, как и для идеального газа, давление p = n kT, где n  – число ионов в единице объема плазмы.

В плазме происходит ионизация термическая (за счет энергии k Т), ударная (заряженными частицами), фотоионизация – за счет электромагнитного излучения. Плазма сильно взаимодействует с электрическими и магнитными полями. У неё есть ряд специфических особенностей (продольные колебания зарядов), она диамагнитна и т.д. Это наиболее распространенное состояние вещества во Веленной. Из неё полностью состоит Солнце и звезды. Их основной источник излучения – термоядерный синтез при температурах 107–109 К.

Туманности и межзвездная среда это низкотемпературная плазма. Вблизи Земли в радиационных поясах также есть плазма. Она находит применение и на практике: служит рабочим телом в плазменных ракетных двигателях и МГД-генераторах, вырабатывающих электрический ток, с её помощью надеются термоядерный синтез сделать управляемым. Тогда энергетическая проблема для Земли была бы снята, как мы уже говорили об этом.