حالات ماده از جامد تا پلاسما

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: دید کلی

هر ماده از ذرههای بسیار کوچکی بنام مولکول تشکیل شده است، این مولکولها به هم چسبیده نیستند و فاصله نسبتاً بزرگی بین آنها وجود دارد. مولکولها همیشه در حال حرکتند و بر هم نیرو وارد میکنند. یونانیان باستان ، عالم را متشکل از چهار عنصر آتش ، خاک ، آب و هوا میدانستند. امروزه دانشمندان به کمک 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 جرم ، حجم و وزن مشخصی دارند.

مایعات و گازها شاره هستند، یعنی جریان مییابند. این اجسام شکل معینی ندارند و شکل ظرفی را که در آن قرار دارند به خود میگیرند، در حالی که مقدار معینی دارند. مثلا مقدار 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.

آرایش ماده جامد

اندیشه اولیه تئوری مولکولی مربوط به رابرت براوان بوده و بر پایه عقاید خود چندین نوع آزمایشات را انجام داد از جمله در یک لیوان شیشهای پر از آب یک قطره جوهر ریخته و حرکت جوهر را بررسی کرد. این حرکت نامنظم و زیگ زاگ و در هم و بر هم مولکولی را حرکت براونی گویند. ولی اینها تمام حالات ماده نیستند. اشکال ماده بطور کلی عبارتند از: جامد ، مایع ، گاز ، پلاسما و ماده چگال بونز - انیشتین و حالت تازه کشف شده یعنی ماده چگال فرمیونی.

مواد جامد

مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت میکنند و آنها سفت و شکننده هستند. برای درک چگونگی این موضوع میتوان جامدات را اینگونه تعریف کنیم: در حالت جامد ، نیروهای بین مولکولی ، به قدری 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.

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

حرکت بروانی

مواد مایع

در حالت مایع ، مولکولها به هم نزدیکتر بوده ، بطوری که نیروهای مابین آنها 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 میشود 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 در شبکههای ریز ، کاربردهای زیادی در صنعت پیدا کردهاند.

گاز

بطور کلی میتوان گازها را اینگونه تعریف کرد؛ گاز ها کم چگالند و ساده متراکم میشوند و نه تنها شکل ظرف خود را میگیرند، بلکه آنقدر منبسط میشوند تا ظرف را کاملا پر کنند. اما اگر بخواهیم گازها را بهتر بشناسیم میتوانیم بگوییم که؛ 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. اگر در یک ظرف نوشابه پلاستیکی را بسته و آنرا متراکم کنید و سپس آنرا با آب پر کرده و دوباره سعی کنید 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 ماده پلاسما شبیه گاز است و از اتمهایی تشکیل شده است که تمام یا تعدادی از الکترونهای خود را از دست دادهاند (یونیده شدهاند). بیشتر مواد جهان در حالت پلاسما هستند مانند 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 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 و حالت پلاسمای مواد ، تقریبا حالت شبه خنثایی دارد. پدیدههای طبیعی زیادی از جمله آتش ، خورشید ، ستارگان و غیره در رده حالت پلاسمایی ماده قرار میگیرند.

پلاسما شبیه به گاز است، ولی مرکب از ذرات باردار متحرکی به نام یون است. یونها به شدت تحت تأثیر 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 دنبالهدار و شفقهای قطبی شمالی که نمایش خیره کنندهای از حالت پلاسمایی ماده است که در میدان مغناطیسی جریان مییابد.

پلاسمای جو زمین

بد نیست بدانید که دانش امروزی حالات دیگری از جمله برهمکنش ضعیف و قوی هستهای را نیز در دستهبندیها به عنوان حالات پنجم و ششم ماده بحساب میآورد که از این حالات در توجیه خواص نوکلئونهای هسته ، نیروهای هستهای ، واکنشهای هستهای و در کل فیزیک ذرات بنیادی استفاده 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 نام بوزونها (Bosons) تا دماهایی بسیار پایین پدید میآید. بوزونهای سرد در هم فرو میروند و ابر ذرهای که رفتاری بیشتر شبیه یک موج دارد تا ذرههای معمولی ، شکل میگیرد. ماده چگال بوز - اینشتین شکننده است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.

چگالی فرمیونی

حالت تازه هم ماده چگال فرمیونی (Fermionic condensate) است. دبورا جین (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز ۱۳۸۲ ، موفق به کشف این شکل تازه ماده شده است، میگوید: وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو میشوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگیهایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصد هزار اتم پتاسیم با جرم اتمی ۴۰ تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدید آوردند. این اتمها در چنین دمایی بدون گرانروی جریان مییابند و این ، نشانه ظهور مادهای جدید بود. در این 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 شدهاند که این اتمها در دمای پایین به هم میپیوندند و جسم واحدی را تشکیل میدهند. در چگالش بوز - اینشتین اتمها از نوع بوزون هستند، در حالی که در چگالش فرمیونی اتمها فرمیون هستند.

تفاوت میان بوزونها و فرمیونها

رفتار بوزونها به گونهای است که تمایل دارند باهم پیوند برقرار کنند و به هم متصل شوند. یک اتم در صورتی که حاصل جمع تعداد الکترون ، پروتون و نوترونهایش زوج باشد، بوزون است. به عنوان مثال اتمهای سدیم بوزون هستند، زیرا اتمهای سدیم در حالت عادی یازده الکترون ، یازده پروتون و دوازده نوترون دارند که حاصل جمع آنها عدد زوج ۳۴ میشود. بنابراین اتمهای سدیم این قابلیت را دارند که در دماهای پایین به هم متصل شوند و حالت چگالیده بوز - اینشتین را پدید آورند، اما از طرف دیگر فرمینها منزوی هستند. این ذرات طبق اصل طرد پائولی هنگامی که در یک حالت کوانتومی قرار میگیرند همدیگر را دفع میکنند و اگر ذرهای در یک حالت کوانتومی خاص قرار گیرد مانع از آن میشود که ذره دیگری هم بتواند به آن حالت دسترسی یابد.

هر اتم که حاصل جمع تعداد الکترون ، پروتون و نوترونهایش فرد باشد فرمیون است. به عنوان مثال ، اتمهای پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ فرمیون هستند، زیرا دارای ۱۹ الکترون ، 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 روشی را پیش گرفتند و از میدانهای مغناطیسی کنترل شوندهای برای انجام آزمایشها استفاده کردند. میدان مغناطیسی باعث میشود که اتمهای منفرد باهم جفت شوند و میزان جفت شدگی اتمها در این حالت با تغییر میدان مغناطیسی قابل کنترل است. انتظار میرفت 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 میتواند به جفت دیگری متصل شود و این جفت شدگی به همین ترتیب ادامه یابد تا اینکه سرانجام باعث تشکیل حالت چگالیده فرمیونی شود.

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 249]