حالات ماده از جامد تا پلاسما

[Borna66]

حالات ماده از جامد تا پلاسما
مایعاتو گازها شارههستند، یعنی جریان می‌یابند. این اجسام شکل معینی ندارند و شکلظرفی را که در آن قرار دارند به خود می‌گیرند، در حالی که مقدار معینی دارند. مثلامقدار آب ، دی اکسید کربن ، هوا ، شیر و غیره جرم قابل اندازه گیری و معینی دارند،اما نمی‌توانند همانند جامدات با اعمال نیروی پس زنی کشانی ، در مقابل تغییر شکل ،مقاومت کنند.
اندیشه اولیه تئوری مولکولی مربوط بهرابرت براوانبوده و بر پایه عقاید خودچندین نوع آزمایشات را انجام داد از جمله در یک لیوان شیشه‌ای پر از آب یک قطرهجوهر ریخته و حرکت جوهر را بررسی کرد. این حرکت نامنظم و زیگ زاگ و در هم و بر هممولکولی راحرکت براونیگویند. ولی اینهاتمام حالات ماده نیستند. اشکال ماده بطور کلی عبارتند از: جامد،مایع،گاز،پلاسماوماده چگال بوز - انیشتینوحالت تازه کشف شده یعنیماده چگال فرمیونی.

مواد جامد
مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کنند و آنها سفت وشکننده هستند. برای درک چگونگی این موضوع می‌توان جامدات را اینگونه تعریف کنیم: درحالت جامد ، نیروهای بین مولکولی ، به قدری قویتر ازانرژیجنبشیهستند که باعث سخت شدن جسم در نتیجه عدم جاری شدن آن می‌گردند. جامداتشکل 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 حرکتکنند. بلکه ، در جامد ، مولکولها در مکانهای خاصی قرار می‌گیرند و فقط می‌توانند دراطراف 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 موادبه دنبال دارد.


جامدات بلورین: وقتی مایع به آرامی سرد شود مولکولهای مایع فرصت پیدامی‌کنند که شکل منظم و ثابتی به خود بگیرند، مثل فلزات.
جامدات بی شکل: وقتی مایعی به سرعت سرد شود مولکولهای مایع دیگر فرصتندارند که شکل منظم و ثابتی به خود بگیرند،مانند: چوب ، پنبه، عاج، شیشه.

مواد مایع
در حالت مایع ، مولکولها به هم نزدیکتر بوده ، بطوری که نیروهایمابین آنها قویتر از انرژی جنبشی آنان می‌باشد. از طرف دیگر ، نیروها آنقدر قوینیستند که قادر به ممانعت از حرکت مولکولها گردند. از این روست که جریان مایع ازظرفی به ظرف دیگر شدنی است، اما نسبت سرعت جاری شدن آب در مقایسه با مایعات دیگر ازقبیل روغنها وگلسیرینبسیار متفاوت است که این تفاوت در سرعت جاری شدن ، میزان مقاومت یک مایع در مقابلجاری شدن ، یعنیویسکوزیتهآن خوانده می‌شود که خود تابعی از شکل ، اندازه مولکولی ، درجه حرارت و فشارمی‌باشد. بنابراین مایعات حجم معین و شکل نامعینی دارند. فاصله مولکولها در مایعاتدر مقایسه با گازها بسیار کم است. در مایعات مولکولها به اطراف خود حرکت می‌کنند وبه سهولت روی هم می‌لغزند و راحت جریان (شارش) پیدا می‌کنند. مواد مایع با قابلیتشکل پذیری و جریان یافتن در شبکه‌های ریز ، کاربردهای زیادی در صنعت پیدا کرده‌اند.
گاز
بطور کلی می‌توان گازها را اینگونه تعریف کرد؛ گاز ها کم چگالند وساده متراکم می‌شوند و نه تنها شکل ظرف خود را می‌گیرند، بلکه آنقدر منبسط می‌شوندتا ظرف را کاملا پر کنند. اما اگر بخواهیم گازها را بهتر بشناسیم می‌توانیم بگوییمکه؛ حالت فیزیکی مواد در شرایطفشارو درجه حرارت طبیعی ، بستگی به اندازه مولکولی و نیروهای فی‌مابین آن دارد. اگرمقدار کمی از یک گاز ، در یک تانک نسبتا بزرگی قرار گیرد، مولکولهای آن با سرعت درسرتاسر تانک پخش می‌شوند. پخش سریع مولکولهای گاز دلالت بر آن میکند که نیروهایموجود فیمابین مولکولها ، بمراتب ضعیفتر از انرژی جنبشی آن است و از آنجایی که ممکناست مقدار کمی از یک گاز در سرتاسر تانک یافت شود، نشان دهنده آن است که مولکولهایگاز باید نسبتا از هم فاصله گرفته باشند. بنابراین گازها شکل و حجمشان بستگی بهظرفی دارد که در آن جای دارند.
در حالت گازی ، مولکولها آزادانه به اطرافحرکت کرده و با یکدیگر و نیز با دیواره ظرف برخورد می‌کنند. فاصله مولکولها در حالتگازی در حدود چند ده برابر فاصله آنها در حالت مایع و جامد است. اگر در یک ظرفنوشابه پلاستیکی را بسته و آنرا متراکم کنید و سپس آنرا با آب پر کرده و دوباره سعیکنید که آنرا متراکم کنید، در حالت اول به علت فاصله زیاد بین مولکولی در گاز ،متراکم کردن سنگینتر و سختتر صورت می‌گیرد، در صورتی که در حالت دوم چنین نیست.

پلاسما
حالت چهارم مادهپلاسماشبیه گاز است و ازاتمهاییتشکیل شده است که تمام یا تعدادی از الکترونهای خود را از دست داده‌اند (یونیدهشده‌اند). بیشتر مواد جهان در حالت پلاسما هستند مانندخورشیدکه از پلاسما تشکیل شده است. پلاسما اغلب بسیار گرم است و می‌توان آن را درمیدان مغناطیسیبه دام انداخت. اما درتعریفی کلی از پلاسما باید گفت که؛ پلاسما حالت چهارمی از ماده است که دانش امروزینتوانسته آنها را جزو سه حالت دیگر پندارد و مجبور شده آنرا حالت مستقلی به حسابآورد. این ماده باماهیت محیط یونیزه، ترکیبی از یونهای مثبتو الکترون با غلظت معین می‌باشد که مقدار الکترونها و یونهای مثبت در یک محیطپلاسما تقریبا برابر است و حالت پلاسمای مواد ، تقریبا حالت شبه خنثایی دارد. پدیده‌های طبیعی زیادی از جمله آتش ، خورشید ، ستارگان و غیره در رده حالت پلاسماییماده قرار می‌گیرند.
پلاسما شبیه به گاز است، ولی مرکب از ذرات باردارمتحرکی به نام یون است. یونها به شدت تحت تأثیرنیروهایالکتریکی و مغناطیسیقرار می‌گیرند. مواد طبیعی در حالت پلاسما عبارتند ازانواع شعله ،بخشخارجی جو زمین،اتمسفر ستارگان، بسیاری از مواد موجود درفضایسحابیو بخشی ازدمستاره دنباله‌داروشفقهایقطبی شمالیکه نمایش خیره کننده‌ای از حالت پلاسمایی ماده است که درمیدان مغناطیسیجریان می‌یابد.
بد نیست بدانید که دانش امروزی حالات دیگری از جملهبرهمکنش ضعیفوقوی هسته‌ایرا نیز در دسته‌بندیها به عنوانحالات پنجم و ششم ماده بحساب می‌آورد که از این حالات در توجیهخواص نوکلئونهای هسته،نیروهای هسته‌ای، واکنشهای هسته‌ای و در کلفیزیکذرات بنیادیاستفاده می‌شود.

چگالی بوز – اینشتین
حالت پنجم با نام ماده چگال بوز - اینشتین (Booze - Einstein condensate) که در سال ۱۹۹۵ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نامبوزونها (Bosons) تا دماهایی بسیار پایینپدید می‌آید. بوزونهای سرد در هم فرو می‌روند و ابر ذره‌ای که رفتاری بیشتر شبیه یکموج دارد تا ذره‌های معمولی ، شکل می‌گیرد. ماده چگال بوز - اینشتین شکننده است وسرعت عبور نور در آن بسیار کم است.



چگالی فرمیونی
حالت تازه هم مادهچگال فرمیونی (Fermionic condensate) است. دبورا جین (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز۱۳۸۲ ، موفق به کشف این شکل تازه ماده شده است، می‌گوید: وقتی با شکل جدیدی از مادهروبرو می‌شوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگیهایش کنید. آنها این ماده تازه را باسرد کردن ابری از پانصد هزار اتم پتاسیم با جرم اتمی ۴۰ تا دمایی کمتر از یکمیلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدید آوردند. این اتمها در چنین دمایی بدونگرانروی جریان می‌یابند و این ، نشانه ظهور ماده‌ای جدید بود. در این حالت اتمهایپتاسیم 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 اتمهاییتشکیل شده‌اند که این اتمها در دمای پایین به هم می‌پیوندند و جسم واحدی را تشکیلمی‌دهند. در چگالش بوز - اینشتین اتمها از نوع بوزون هستند، در حالی که در چگالشفرمیونی اتمها فرمیون هستند.

تفاوت میان بوزونها و فرمیونها
رفتار بوزونها به گونه‌ای است که تمایلدارند باهم پیوند برقرار کنند و به هم متصل شوند. یک اتم در صورتی که حاصل جمعتعدادالکترون،پروتونونو ترونهایشزوج باشد، بوزون است. به عنوان مثال اتمهای سدیم بوزون هستند، زیرا اتمهای سدیم درحالت عادی یازده الکترون ، یازده پروتون و دوازده نوترون دارند که حاصل جمع آنهاعدد زوج ۳۴ می‌شود. بنابراین اتمهای سدیم این قابلیت را دارند که در دماهای پایینبه هم متصل شوند و حالت چگالیده بوز - اینشتین را پدید آورند، اما از طرف دیگرفرمینها منزوی هستند. این ذرات طبقاصل طرد پائولیهنگامی که در یک حالتکوانتومی قرار می‌گیرند همدیگر را دفع می‌کنند و اگر ذره‌ای در یک حالت کوانتومیخاص قرار گیرد مانع از آن می‌شود که ذره دیگری هم بتواند به آن حالت دسترسییابد.
هر اتم که حاصل جمع تعداد الکترون ، پروتون و نوترونهایش فرد باشدفرمیون است. به عنوان مثال ، اتمهای پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ فرمیون هستند، زیرادارای ۱۹ الکترون ، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع این سه عدد برابر ۵۹می‌شود. دکتر جین و همکارانش بر پایه همین خاصیت انزوا طلبی فرمیونها روشی را پیشگرفتند و از میدانهای مغناطیسی کنترل شونده‌ای برای انجام آزمایشها استفاده کردند. میدان مغناطیسیباعث می‌شود که اتمهای منفردباهم جفت شوند و میزان جفت شدگی اتمها در این حالت با تغییر میدان مغناطیسی قابلکنترل است. انتظار می‌رفت که اتمهای جفت شده پتاسیم خواص همانند بوزونها داشتهباشند، اما آزمایشها نشان دادند که در بعضی از اتمها که میزان جفت شدگی ضعیف بودهنوز بعضی از خواص فرمیونی خود را از دست نداده بودند. در این حالت یک جفت ازاتمهای جفت شده می‌تواند به جفت دیگری متصل شود و این جفت شدگی به همین ترتیب ادامهیابد تا اینکه سرانجام باعث تشکیل حالت چگالیده فرمیونی شود