We moeten het eens hebben over aggregatietoestanden. Dat is voor niemand fijn, ik weet het. Zelfs op Facebook vindt niemand dit leuk! Het woord op zich klinkt al vreselijk. En toch is er nu eenmaal een dag dat aggregatietoestanden in ons leven komen. Ze zijn er dan altijd al geweest, maar plots ga je ze als dusdanig herkennen en dan wordt alles anders. Voor veel mensen komt deze dag in het eerste jaar fysica op de middelbare school. Vast, vloeibaar, gasvormig: dat is alles en toch ben je er niet in één les vanaf. Een stof kan namelijk van de ene aggregatietoestand overgaan in een andere (en weer terug): zo zijn er zes faseovergangen. Naarmate de temperatuur stijgt gaan de deeltjes (atomen of moleculen) in stoffen meer bewegen en minder sterk aan elkaar binden. Hierdoor kan een vaste stof vloeibaar worden (smelten) en een vloeistof gasvormig worden (verdampen); bovendien kan een vaste stof rechtstreeks overgaan naar de gasfase (sublimeren). Bij dalende temperatuur komen de omgekeerde processen voor, respectievelijk: stollen, condenseren en rijpen.
Er zijn wel enkele hindernissen bij het leerproces. Zo is water één van de stoffen waarmee we het meeste ervaring hebben, maar water heeft meteen een uitzonderlijke eigenschap bij overgang tussen vloeibaar en vast: terwijl de meeste stoffen in volume afnemen als ze stollen, zet water uit als het bevriest.
De Nederlandse taal werkt ook niet mee. De bijvoeglijke naamwoorden zijn ‘vast’, ‘vloeibaar’ en ‘gasvormig’, terwijl de corresponderende zelfstandige naamwoorden ‘vaste stof’, ‘vloeistof’ en ‘gas’ zijn. Dus respectievelijk één, twee en drie lettergrepen voor de adjectieven en het omgekeerde bij de substantieven. Is dat erg? Op zich niet, maar leerlingen gebruiken de boel steevast door elkaar en ze zijn niet de enigen: kijk ook maar op het plaatje hierboven, dat ik heb overgenomen van schoolTV.
De driedeling die we op school leren is overzichtelijk, maar zoals vaker met dit soort dingen kom je in de praktijk grijze zones tegen. De driedeling kan een goede eerste benadering zijn, maar de natuur houdt zich niet strikt aan de stippellijntjes die wij rond de aggregatietoestanden hebben aangebracht. Zelfs de natuur zelf vindt er dus niets aan. ;-) Neem nu glas: op het eerste zicht is dit duidelijk een vaste stof, maar op moleculair niveau bestaat het uit een onregelmatige, amorfe structuur, net zoals een vloeistof. Soms hoor je wel eens dat glas beter beschouwd kan worden als een zeer stroperige (visceuze) vloeistof, of dat het een bijkomende aggregatietoestand is. Het zou zelfs zijn aangetoond dat het glas in de ramen van zeer oude kerken onderaan dikker is, doordat het glas, onder invloed van de zwaartekracht, in de loop der eeuwen iets uitgezakt zou zijn. Helaas blijken ongelooflijke verhalen bij nader onderzoek vaak gewoon onwaar. Het is maar vrij recent dat we nagenoeg perfect vlakke glasplaten kunnen maken. Eeuwen geleden was het meeste glas dikker aan de randen. Als er een verschil was tussen de boven- en de onderkant, werd de dikste kant onderaan gezet voor de stevigheid.
We hebben al een paar dagen zonnig weer in ons land, maar zomerse hitte waarbij het asfalt smelt is er gelukkig nog niet bij in maart. Wie zou echter op het idee komen om de viscositeit van asfalt te gaan meten bij normale kamertemperatuur? Daar moet je al erg veel geduld voor hebben! Er wordt inderdaad zo’n experiment gedaan, zij het dan met pek – een andere zwarte en ook zeer stroperige stof. Tim tipte mij over het pitch drop experiment (pekdruppelexperiment) aan de Universiteit van Queensland in Australië. Waarschijnlijk was dit als uitdaging bedoeld: lukt het om een niet al te saai stukje te schrijven over een experiment dat al sinds 1930 loopt en waarbij er sindsdien amper acht druppels gevallen zijn? De laatste druppel liet los in 2000 en die daarvoor twaalf jaar eerder, dus je zou misschien verwachten dat in 2012 de negende druppel zal vallen. De druppels laten echter steeds langer op zich laten wachten (zoals je gemakkelijk kun zien in deze tabel), dus ik zou mijn slaap er nog niet voor laten om dit evenenment via de webcam live mee te maken. ;-) Hopelijk slagen ze er bij deze nieuwe druppel trouwens in om het cruciale moment op film te bewaren: dat zou dan voor het eerst zijn. Dan zien we het daarna vast bij het nieuws passeren. Hun IgNobelprijs in de fysica hebben de bedenkers van het experiment in elk geval al binnengehaald.
Nog leuker wordt het als je de klassieke fysica achter de kiezen hebt en ontdekt dat er veel meer aggregatietoestanden zijn! Sommige daarvan kunnen enkel bij zeer hoge of juist zeer lage energieën voorkomen (zie bijvoorbeeld de Engelstalige Wikipedia). Deze lijken misschien minder geschikt voor de middelbare school, omdat we geen directe ervaring hebben met de bijbehorende extreem hoge of lage temperaturen, maar ze spreken des te meer tot de verbeelding. De bekendste ‘nieuwe’ aggregatietoestand is plasma, een hoog-energetische toestand waarbij de kernen en de elektronen van atomen apart voorkomen (door ionisatie). Hierbij straalt de materie een futuristische gloed uit. De bekendste toepassing vind je dan ook in beeldschermen, maar je kunt plasma ook gebruiken om er diamantjes in te groeien :-) en ook onze zon is een feite een gloeiende bol plasma. Aan de koele kant van het aggregatiespectrum komen we onder andere de Bose-Einsteincondensaten (BEC) tegen. In deze exotische toestand zijn de (aanvankelijk) individuele deeltjes niet meer van elkaar te onderscheiden en vormen ze één superatoom.
Waar het plasma dus één groot Caraïbisch feest van materie is, is het Bose-Einsteincondensaat volkomen Zen.
Gelijkaardige berichten:
Pingback: Lijstjes van leuke zoekopdrachten (1/2) » Sylvia's blog
Pingback: Kan gas naar plasma overgaan? » Sylvia's blog
Pingback: Grenzeloos traag glas » Sylvia's blog