شش حالت ماده

یونانیان باستان ، عالم را متشکل از چهار عنصر آتش ، خاک ، آب و هوا میدانستند. امروزه دانشمندان بکمک این عناصر ، تمام اجزای تشکیل دهنده جهان را آن طور که هست ، توضیح میدهند. آتش بیانگر انرژی بوده و سه عنصر دیگر نشان دهنده سه حالت از ماده جامد ، مایع و گاز میباشند. بر طبق این تقسیم بندی ، مواد جامد دارای شکل و ابعاد مشخصی بوده و همچنین کتله ، حجم و وزن مشخصی دارند.

تا کنون با سه شکل ماده آشنا شده اید: گاز، مایع و جامد.ولی اینها تمام حالات ماده نیستند. اشکال ماده به طور کلی عبارتند از : جامد ,مایع ,گاز ,پلاسما و حالت متراکم بوز -انیشتین- و حالت تازه کشف شده یعنی حالت متراکم فرمیونی.

جامد

مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می کنند و آنها سخت و شکننده هستند.برای درک چگونگی این موضوع می توان جامدات را اینگونه تعریف کنیم.در حالت جامد ، نیروهای بین مولکولی ، بقدری قویتر از انرژی جنبشی هستند که باعث سخت شدن جسم در نتیجه عدم جاری شدن آن میگردند. جامدات شکل و حجم معینی دارند.

در جامدات فاصله مولکولها مانند فاصله آنها در مایع است. جامدات نمیتوانند مانند وضعیتی که حالات مایع و گاز دارند، آزادانه به اطراف حرکت کنند. بلکه ، در جامد ، مولکولها در مکانهای خاصی قرار میگیرند و فقط میتوانند در اطراف این مکانها حرکت نوسانی رفت و برگشتی بسیار کوچک انجام دهند.این حرکت نوسانی ، بخصوص در جامدات بلورین ، کاربردهای صنعتی و علمی زیادی را برای این دسته از مواد به دنبال دارد.

مایع

در حالت مایع ، مولکولها بهم نزدیکتر بوده، بطوریکه نیروهای مابینشان قویتر از انرژی جنبشی آنان میباشد. از طرف دیگر ، نیروها آنقدر قوی نیستند که قادر به ممانعت از حرکت مولکولها گردند.

از این روست که جریان مایع از ظرفی به ظرف دیگر شدنی است، اما نسبت سرعت جاری شدن آب در مقایسه با مایعات دیگر از قبیل روغنها و گلسیرین بسیار متفاوت است که این تفاوت در سرعت جاری شدن ، میزان مقاومت یک مایع در مقابل جاری شدن ،یعنی ویسکوزیته آن خوانده می شود که خود تابعی از شکل ، اندازه مولکولی ، درجه حرارت و فشار میباشد. بنابراین مایعات حجم معین و شکل نامعینی دارند.فاصله مولکولها در مایعات در مقایسه با گازها بسیار کم است.

در مایعات مولکولها به اطراف خود حرکت میکنند و به سهولت روی هم میلغزند و راحت جریان (شارش) پیدا میکنند. مواد مایع با قابلیت شکل پذیری و جریان یافتن ، استفاده های زیادی در صنعت پیدا کرده اند.

گاز

به طور کلی می توان گازها را اینگونه تعریف کرد ؛گاز ها دارای غلظت کم بوده و آسانی متراکم می شوند و نه تنها شکل ظرف خود را می گیرند بلکه آنقدر منبسط می شوند تا ظرف را کاملا پر کنند.حالت فیزیکی مواد در شرایط فشار و درجه حرارت طبیعی ، بستگی به اندازه مولکولی و نیروهای فیمابین آن دارد. اگر مقدار کمی از یک گاز ، در یک تانک نسبتا بزرگی قرار گیرد، مولکولهای آن با سرعت در سرتاسر تانک پخش میشوند.

پخش سریع مولکولهای گاز دلالت بر آن میکند که نیروهای موجود فیمابین مولکولها ، بمراتب ضعیفتر از انرژی جنبشی آن است و از آنجایی که ممکن است مقدار کمی از یک گاز در سرتاسر تانک یافت شود، نشان دهنده آن است که مولکولهای گاز باید نسبتا از هم فاصله گرفته باشند.

بنابراین گازها شکل و حجمشان بستگی به ظرفی دارد که در آن جای دارند.در حالت گازی ، مولکولها آزادانه به اطراف حرکت کرده و با یکدیگر و نیز با دیواره ظرف برخورد میکنند. فاصله مولکولها در حالت گازی در حدود چند ده برابر فاصله آنها در حالت مایع و جامد است.

پلاسما

حالت چهارم ماده پلاسما ,شبیه گاز است و از اتمهایی تشکیل شده است که تمام یا تعدادی از الکترون های خود را از دست داده اند (یونیده شده اند) .بیشتر مواد جهان در حالت پلاسما هستند مانند آفتاب که از پلاسما تشکیل شده است. پلاسما اغلب بسیار گرم است و می توان آن را در محیط مغناطیسی به دام انداخت.

اما در تعریفی کلی از پلاسما باید گفت که ؛ پلاسما حالت چهارمی از ماده است که دانش امروزی نتوانسته آنها را جزو سه حالت دیگر پندارد و مجبور شده آنرا حالت مستقلی به حساب آورد. این ماده با ماهیت محیط یونیزه ، ترکیبی از یونهای مثبت و الکترون با غلظت معین میباشد که مقدار الکترونها و یونهای مثبت در یک محیط پلاسما تقریبا برابر است.

پدیدههای طبیعی زیادی از جمله آتش ، آفتاب ، ستارگان و غیره در رده حالت پلاسمایی ماده قرار میگیرند.پلاسما شبیه به گاز است، ولی مرکب از ذرات چارچ دار متحرکی به نام یون است. یونها بشدت تحت تاثیر نیروهای الکتریکی و مغناطیسی قرار میگیرند.

مواد طبیعی در حالت پلاسما عبارتند از انواع شعله ، بخش خارجی جو زمین ، اتمسفر ستارگان ، بسیاری از مواد موجود در فضای سحابی و بخشی از دم ستاره دنباله دار و شفقهای قطبی شمالی که نمایش خیره کننده ای از حالت پلاسمایی ماده است که در محیط مغناطیسی جریان مییاب

حالت متراکم بوز – اینشتین

الت پنجم با نام ماده حالت متراکم بوز-اینشتین(Booze-Einstein condensate) که در سال ۱۹۹۵ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام بوزونها (Bosons)تا حرارتهایی بسیار پایین پدید میآید. بوزونهای سرد در هم فرومحیطوند و ابر ذرهای که رفتاری بیشتر شبیه یک موج دارد تا ذرههای معمولی ، شکل میگیرد. ماده در حالت متراکم بوز-اینشتین شکننده است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.

حالت متراکم فرمیونی

حالت تازه هم حالت متراکم فرمیونی (Fermionic condensate) است. “دبورا جین” (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر فصل خزان ۱۳۸۲ ، موفق به کشف این شکل تازه ماده شده است، میگوید”: وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو میشوید، باید زمانی را صرف شناخت خواص آن کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پنج صدهزار اتم پتاسیم با کتله اتمی ۴۰ تا درجه حرارتی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند.در این حالت اتمهای پتاسیم بدون آنکه چسبندگی میان آنها وجود داشته باشد ، بصورت مایع جریان یافتند.

حالت متراکم فرمیونی تا حدی شبیه حالت متراکم بوز- اینشتین است .هر دو حالت از اتمهایی تشکیل شده اند که این اتم ها در حرارت پایین به هم می پیوندند و جسم واحدی را تشکیل می دهند . در حالت متراکم بوز- اینشتین اتم ها از نوع بوزون هستند در حالیکه در حالت متراکم فرمیونی اتم ها فرمیون هستند.

 

تفاوت میان بوزون ها و فرمیونها چیست ؟

رفتار بوزون ها به گونه ای است که تمایل دارند با هم پیوند برقرار کنند و به هم متصل شوند . یک اتم در صورتی که حاصل جمع تعداد الکترون ، پروتون و نوترون هایش زوج یا جفت باشد، بوزون است . بعنوان مثال اتمهای سودیم بوزون هستند زیرا اتمهای سودیم در حالت عادی یازده الکترون ، یازده پروتون و دوازده نوترون دارند که حاصل جمع آنها عدد جفت ۳۴ می شود.

بنابراین اتمهای سودیم این قابلیت را دارند که در حرارتهای پایین به هم متصل شوند و حالت متراکم بوز- اینشتین را پدید اورند اما از طرف دیگر فرمین ها منزوی هستند.

این ذرات طبق اصول پائولی Pauli هنگامی که در یک حالت کوانتومی قرار می گیرند همدیگر را دفع می کنند و اگر ذره ای در یک حالت کوانتومی خاص قرار گیرد مانع از آن می شود که ذره دیگری هم بتواند به آن حالت دسترسی یابد .هر اتم که حاصل جمع تعداد الکترون ، پروتون و نوترون هایش فرد یا طاق باشد فرمیون است .

به عنوان مثال ، اتم های پتاسیم با عدد کتلوی ۴۰ فرمیون هستند زیرا دارای ۱۹ الکترون ، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع این سه عدد برابر ۵۹ می شود . دکتر جین و همکارانش بر پایه همین خاصیت انزوا طلبی فرمیونها روشی را پیش گرفتند و از محیطهای مغناطیسی کنترل شونده ای برای انجام آزمایشها استفاده کردند.

محیط مغناطیسی باعث می شود که اتمهای منفرد با هم جفت شوند و میزان جفت شدگی اتمها در این حالت با تغییر محیط مغناطیسی قابل کنترل است . انتظار می رفت که اتمهای جفت شده پتاسیم خواص همانند بوزونها داشته باشند اما آزمایشها نشان دادند که در بعضی از اتمها که میزان جفت شدگی ضعیف بود هنوز بعضی از خواص فرمیونی خود را از دست نداده بودند.

در این حالت یک جفت از اتمهای جفت شده می تواند به جفت دیگری متصل شود و این جفت شدگی به همین ترتیب ادامه یابد تا این که سرانجام باعث تشکیل حالت متراکم فرمیونی شود.