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Estados da Matéria
Existem cinco estados conhecidos da matéria: sólido, líquido, gás, plasma e condensado de Bose-Einstein (ou luz líquida). A principal diferença nas estruturas de cada estado está na densidade das partículas.
Sólidos
No estado sólido, a força coesiva da matéria é forte o suficiente para manter as moléculas ou átomos nas posições dadas, restringindo a mobilidade térmica. Assim, um sólido tem uma forma definitiva e um volume determinado. A forma de um sólido só pode ser alterada através da aplicação de uma força, como quando quebrados ou cortados. Os sólidos podem ser cristalinos ou amorfos. Existem várias estruturas cristalinas diferentes, e a mesma substância pode ter mais de uma estrutura (ou fase sólida). Por exemplo, o ferro tem uma estrutura cúbica de corpo-centrado em temperaturas abaixo de 912°C e uma estrutura cúbica de face centrada entre 912 e 1394°C. O gelo, ou fase sólida da água, tem 15 fases, que existem em diferentes temperaturas e pressões. O vidro e outros sólidos não cristalinos, ou amorfos, não possuem ordem padronizada. Sólidos podem ser transformados em líquidos, por derretimento, e líquidos podem ser transformados em sólidos por congelamento. Sólidos também se transformam diretamente em gases através do processo de sublimação, e gases da mesma forma podem mudar diretamente em sólidos através de deposição.
Líquidos
Na fase líquida, as partículas de uma substância têm mais energia cinética que as de um sólido. As partículas líquidas não são mantidas em um arranjo regular, mas ainda estão muito próximas uma da outra, de modo que os líquidos têm um volume definido. Líquidos, como sólidos, não podem ser comprimidos. As partículas de um líquido têm espaço suficiente para fluir em volta uma da outra, de modo que os líquidos têm uma forma indefinida. Um líquido mudará de forma para se adequar ao seu recipiente. A força é espalhada uniformemente por todo o líquido, então quando um objeto é colocado em um líquido, as partículas líquidas são deslocadas pelo objeto.
A magnitude da força de empuxo ascendente é igual ao peso do fluido deslocado pelo objeto. Quando a força de empuxo é igual à força da gravidade puxando para baixo a massa do objeto, o objeto flutuará. Este princípio de flutuação foi descoberto pelo matemático grego Arquimedes que, segundo a lenda, saltou do banho e correu nu pelas ruas gritando “Eureka!”
As partículas de um líquido tendem a ser mantidas pela atração intermolecular fraca, em vez de se moverem livremente como as partículas de um gás. Esta força coesiva puxa as partículas para formar gotas ou correntes.
Gases
As partículas de gás têm muito espaço entre elas e possuem alta energia cinética. Se não confinadas, as partículas de um gás se espalharão indefinidamente; se confinado, o gás se expandirá para preencher seu recipiente. Quando um gás é colocado sob pressão, reduzindo o volume do recipiente, o espaço entre as partículas é reduzido e a pressão exercida pelas colisões aumenta. Se o volume do recipiente for mantido constante, mas a temperatura do gás aumentar, a pressão também aumentará. As partículas dos gases têm energia cinética suficiente para superar as forças intermoleculares que mantêm sólidos e líquidos juntos, assim, um gás não tem volume definido nem forma definida.
Plasma
O plasma não é um estado comum da matéria aqui na Terra, mas pode ser o estado mais comum da matéria no universo. O plasma consiste em partículas altamente carregadas com energia cinética extremamente alta. Os gases nobres (hélio, neônio, argônio, criptônio, xênonio e radônio) são frequentemente usados para fazer sinais luminosos usando eletricidade para ionizá-los ao estado de plasma. Estrelas são essencialmente bolas de plasma superaquecidas.
Em laboratório, é possível se estudar o plasma de alta temperatura que são mantidos confinados por campos magnéticos intensos, em um Tokamak, um reator experimental de fusão nuclear. Uma outra maneira de se obter plasma no laboratório e de forma relativamente simples é focalizando um laser de alta intensidade com pulsos ultracurtos em um gás.