معرفی شش حالت ماده(با توضیح کامل)

در این مقاله به معرفی 6 حالت ماده می پردازیم. همه ما با 3 حالت مادهیعنی جامد ، مایع و گاز آشنایی داریم. ممکن است برخی از شما تا به حال نامحالت چهارم ماده یعنی پلاسما را نیز شنیده باشید و یا اطلاعاتی راجع به آنداشته باشید اما مطمئنا بسیاری از شما از حالت پنجم و ششم ماده یعنی چگالبوز – انیشتن و چگال فرمیونی، و همچنین خواص آنها بی اطلاعید. در اینمقاله قصد داریم شما را با هر 6 حالت ماده و ویژگی های آنها آشنا کنیم.1-جامد
مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می کنند و سفت و شکنندههستند. برای درک چگونگی این موضوع می توان جامدات را اینگونه تعریف کنیم.
درحالت جامد ، نیروهای بین مولکولی ، بقدری قویتر از انرژی جنبشی هستند کهباعث سخت شدن جسم در نتیجه عدم جاری شدن آن میگردند. جامدات شکل و حجممعینی دارند. در جامدات فاصله مولکولها مانند فاصله آنها در مایع است ولیدر جامدات مولکول ها نمیتوانند مانند وضعیتی که در حالات مایع و گازدارند، آزادانه به اطراف حرکت کنندو در مکانهای خاصی قرار میگیرند و فقطمیتوانند در اطراف این مکانها حرکت نوسانی رفت و برگشتی بسیار کوچک انجامدهند.
این حرکت نوسانی ، بخصوص در جامدات بلورین ، کاربردهای صنعتی و علمی زیادی را برای این دسته از مواد به دنبال دارد.
2-مایع
درحالت مایع ، مولکولها در مقایسه با حالت گاز خیلی به هم نزدیکترند بطوریکهنیروهای مابینشان قویتر از انرژی جنبشی آنان میباشد. از طرف دیگر ، نیروهاآنقدر قوی نیستند که قادر به ممانعت از حرکت مولکولها گردند. از این روستکه جریان مایع از ظرفی به ظرف دیگر شدنی است، اما نسبت سرعت جاری شدن آبدر مقایسه با مایعات دیگر از قبیل روغنها و گلسیرین بسیار متفاوت است کهاین تفاوت در سرعت جاری شدن ، میزان مقاومت یک مایع در مقابل جاری شدن،یعنی ویسکوزیته آن نامیده می شود که خود تابعی از شکل ، اندازه مولکولی ،دما و فشار میباشد. بنابراین مایعات حجم معین و شکل نامعینی دارند.

3-گاز
به طور کلی می توان گازها را اینگونه تعریف کرد ؛
گاز ها کم چگالند و ساده متراکم می شوند و نه تنها شکل ظرف خود را می گیرند بلکه آنقدر منبسط می شوند تا ظرف را کاملا پر کنند.
اما اگر بخواهیم گازها را بهتر بشناسیم می توانیم بگوییم که ؛
حالتفیزیکی مواد در شرایط طبیعی فشار و دما ، بستگی به اندازه مولکولی ونیروهای بین آنها دارد. اگر مقدار کمی از یک گاز ، در یک تانک نسبتا بزرگیقرار گیرد، مولکولهای آن با سرعت در سرتاسر تانک پخش میشوند. پخش سریعمولکولهای گاز دلالت بر آن میکند که نیروهای موجود بین مولکولها ، بمراتبضعیفتر از انرژی جنبشی آن است و از آنجایی که ممکن است مقدار کمی از یکگاز در سرتاسر تانک یافت شود، نشان دهنده آن است که مولکولهای گاز بایدنسبتا از هم فاصله گرفته باشند. بنابراین گازها شکل و حجمشان بستگی بهظرفی دارد که در آن جای دارند.
در حالت گازی ، مولکولها آزادانه بهاطراف حرکت کرده و با یکدیگر و نیز با دیواره ظرف برخورد میکنند. فاصلهمولکولها در حالت گازی در حدود چند ده برابر فاصله آنها در حالت مایع وجامد است.
4- پلاسما
حالت چهارم ماده پلاسما ,شبیه گاز است و ازاتمهایی تشکیل شده است که تمام یا تعدادی از الکترون های خود را از دستداده اند (یونیده شده اند )
بیشتر مواد جهان در حالت پلاسما هستندمانند خورشید که از پلاسما تشکیل شده است. پلاسما اغلب بسیار گرم است و میتوان آن را در میدان مغناطیسی به دام انداخت.
اما در تعریفی کلی ازپلاسما باید گفت که ؛ پلاسما حالت چهارمی از ماده است که دانش امروزینتوانسته آنها را جزو سه حالت دیگر پندارد و مجبور شده آنرا حالت مستقلیبه حساب آورد. این ماده با ماهیت محیط یونیزه ، ترکیبی از یونهای مثبت والکترون با غلظت معین میباشد که مقدار الکترونها و یونهای مثبت در یک محیطپلاسما تقریبا برابر است و حالت پلاسمای مواد ، تقریبا حالت شبه خنثاییدارد. پدیدههای طبیعی زیادی از جمله آتش ، خورشید ، ستارگان و غیره در ردهحالت پلاسمایی ماده قرار میگیرند.
پلاسما شبیه به گاز است، ولی مرکب ازذرات باردار متحرکی به نام یون است. یونها بشدت تحت تاثیر نیروهایالکتریکی و مغناطیسی قرار میگیرند. مواد طبیعی در حالت پلاسما عبارتند ازانواع شعله ، بخش خارجی جو زمین ، اتمسفر ستارگان ، بسیاری از مواد موجوددر فضای سحابی و بخشی از دم ستاره دنباله دار و شفقهای قطبی شمالی کهنمایش خیره کننده ای از حالت پلاسمایی ماده است که در میدان مغناطیسیجریان مییابد
بد نیست بدانید که دانش امروزی حالات دیگری از جملهبرهمکنش ضعیف و قوی هسته ای را نیز در دسته بندیها بعنوان حالات پنجم وششم ماده بحساب میآورد که از این حالات در توجیه خواص نوکلئونهای هسته ،نیروهای هسته ای ، واکنش های هسته ای و در کل ((فیزیک ذرات بنیادی))استفاده میشود.
5-چگال بوز – انیشتن
حالت پنجم با نام ماده چگالبوز-انیشتن(Booze-Einstein condensate) که در سال ۱۹۹۵ کشف شد، در اثرسرد شدن ذراتی به نام بوزونها (Bosons)تا دماهایی بسیار پایین پدید میآید.بوزونهای سرد در هم فرومیروند و ابر ذره هایی که رفتاری بیشتر شبیه یک موجدارد تا ذره های معمولی ، شکل میگیرد. ماده چگال بوز-انیشتن شکننده است وسرعت عبور نور در آن بسیار کم است.
6-چگال فرمیونی
حالت تازه مادهچگال فرمیونی (Fermionic condensate) است. “دبورا جین” (Deborah Jin) ازدانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز ۱۳۸۲ ، موفق به کشف این شکل تازهماده شده است، میگوید”: وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو میشوید، بایدزمانی را صرف شناخت ویژگیهایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردنابری از پانصدهزار اتم پتاسیم با جرم اتمی ۴۰ تا دمایی کمتر از یکمیلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتمها در چنین دماییبدون گرانروی جریان مییابند و این ، نشانه ظهور ماده ای جدید بود.
دراین حالت اتمهای پتاسیم بدون آنکه چسبندگی میان آنها وجود داشته باشد ،بصورت مایع جریان یافتند . حالت چگالیده فرمیونی تا حدی شبیه چگالش بوز-اینشتین است .
هر دو حالت از اتمهایی تشکیل شده اند که این اتم ها دردمای پایین به هم می پیوندند و جسم واحدی را تشکیل می دهند . در چگالشبوز- اینشتین اتم ها از نوع بوزون هستند در حالیکه در چگالش فرمیونی اتمها فرمیون هستند.
تفاوت میان بوزون ها و فرمیونها چیست ؟
رفتاربوزون ها به گونه ای است که تمایل دارند با هم پیوند برقرار کنند و به هممتصل شوند . یک اتم در صورتی که حاصل جمع تعداد الکترون ، پروتون و نوترونهایش زوج باشد، بوزون است . بعنوان مثال اتمهای سدیم بوزون هستند زیرااتمهای سدیم در حالت عادی یازده الکترون ، یازده پروتون و دوازده نوتروندارند که حاصل جمع آنها عدد زوج ۳۴ می شود . بنابراین اتمهای سدیم اینقابلیت را دارند که در دماهای پایین به هم متصل شوند و حالت چگالیده بوز-اینشتین را پدید اورند اما از طرف دیگر فرمین ها منزوی هستند . این ذراتطبق اصل طرد پائولی هنگامی که در یک حالت کوانتومی قرار می گیرند همدیگررا دفع می کنند و اگر ذره ای در یک حالت کوانتومی خاص قرار گیرد مانع ازآن می شود که ذره دیگری هم بتواند به آن حالت دسترسی یابد .
هر اتم کهحاصل جمع تعداد الکترون ، پروتون و نوترون هایش فرد باشد فرمیون است . بهعنوان مثال ، اتم های پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ فرمیون هستند زیرا دارای ۱۹الکترون ، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع این سه عدد برابر ۵۹ میشود . دکتر جین و همکارانش بر پایه همین خاصیت انزوا طلبی فرمیونها روشیرا پیش گرفتند و از میدانهای مغناطیسی کنترل شونده ای برای انجام آزمایشهااستفاده کردند . میدان مغناطیسی باعث می شود که اتمهای منفرد با هم جفتشوند و میزان جفت شدگی اتمها در این حالت با تغییر میدان مغناطیسی قابلکنترل است . انتظار می رفت که اتمهای جفت شده پتاسیم خواص همانند بوزونهارا داشته باشند اما آزمایشها نشان دادند که در بعضی از اتمها که میزان جفتشدگی ضعیف بود هنوز بعضی از خواص فرمیونی خود را از دست نداده بودند .
دراین حالت یک جفت از اتمهای جفت شده می تواند به جفت دیگری متصل شود و اینجفت شدگی به همین ترتیب ادامه یابد تا این که سرانجام باعث تشکیل حالتچگالیده فرمیونی شود .
دکتر جین شک داشت که جفت شدگی اتم های مشاهدهشده همانند جفت شدگی اتمهای هلیوم مایع باشد که به آن ابر شارگی می گویند. ابرشاره ها نیز بدون اینکه خاصیت چسبندگی بین آنها باشد به راحتی جریانمی یابند . وضعیت مشابه دیگر ، حالت ابر رسانایی است . در یک ابر رساناالکترونهای جفت شده( الکترون ها فرمیون هستند ) به محض آنکه با مقاومتالکتریکی مواجه شوند به راحتی جریان می یابند . علاقه وافری به ابررساناها وجود دارد زیرا از آنها برای تولید الکتریسیته پاک و ارزان میتوان استفاده کرد در صورتی که استفاده از ابر رساناها در تکنولوژی میسرشود قطارهای برقی سریع السیر و کامپیوترهای فوق سریع با قیمت پایین روانهبازار خواهد شد اما متاسفانه استفاده از ابررساناها و حتی تحقیق در بارهآنها دشوار است .
بزرگترین مشکل این است که حداقل دمایی که لازم است تایک ابررسانا ایجاد شود ۱۳۵- درجه سلسیوس است . بنابراین نیتروژن مایع یادستگاه سرد کننده دیگری لازمست تا سیمهای رابط و هر وسیله جانبی دیگری کهالکترونهای جفت شده در ان محیط قرار می گیرند را نگه دارد . این فرایندهزینه زیادی می خواهد و به دستگاههای پر حجمی نیاز دارد . اما اگرابررسانایی بردمای اتاق شود کار کردن با آن فوق العاده راحت می شود واستفاده ازآن به خاطر مزیت های یاد شده سریعا افزایش می یابد جین می گویدکنترل میزان جفت شدگی اتمهابا استفاده از تغییر میدان مغناطیسی همانندتغییر دما برای یک ابررسانا ست . این روند ما را امیدوار می کند کهبتوانیم آموخته های خودرا از چگالش فرمیونی به دیگر زمینه ها از جمله ابررسانایی در دمای اتاق تسری دهیم.
ناسا کاربردهای زیادی را برایابررساناهادر نظر گرفته است به عنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعثخواهد شد که مدار ماهواره های چرخنده به دور زمین با دقت بسیاربالاییکنترل شوند . خاصیت اصلی ابر رساناها به دلیل نداشتن مقاومت الکتریکیامکان انتقال جریان الکتریکی – حجم کوچکی از ابررسانا است . به همین خاطراگر به جای سیم های مسی از ابر رساناها استفاده شود ،موتورهای فضاپیماهاتا ۶ برابر نسبت به موتورهای فعلی سبکتر خواهند شد و باعث می شود که وزنفضاپیما بسیار کاهش یابد .