||از وارسی مخلوطها و مواد خالص سه حالت از چهار حالت ((ماده)) ، به آسانی مشخص میشود که این سه حالت عبارتند از: ((جامد|جامدات)) ، ((مایع|مایعات)) و ((گاز|گازها)). ((پلاسما)) حالت چهارم ماده است. پلاسما ، حالت معمول مواد موجود در زندگی روزمره ما نیست، ولی متداولترین حالت ماده در جهان است.||
{img src=img/daneshnameh_up/e/eb/liquid-9.gif}
!دید کلی
یونانیان باستان ، عالم را متشکل از چهار عنصر ((آتش)) ، ((خاک)) ، ((آب)) و ((آزمایشهای مربوط به هوا|هوا)) میدانستند. امروزه ((دانشمندان)) بکمک این ((عنصر|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 بخود میگیرند، در حالیکه 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 کشسانی|نیروی پس زنی کشانی)) ، در مقابل تغییر شکل ، مقاومت کنند.
!آزمایشات ساده
*مقدار معینی مایع ، حجم مشخصی دارد، گاز چنین نیست. اگر یک ((واحد حجم مایعات|لیتر)) شیر را در چهار لیوان بریزیم، در مجموع همان یک لیتر حجم را اشغال میکند. حجم اشغال شده توسط سطح افقی بالای شیر در لیوان مشخص میشود. همین سطح است که باعث تمایز مایعات از گازها میشود.
*اگر گاز سنگین و قابل روئیت (رنگی) ((کلر)) را از ظرفی به ظرف دیگر بریزیم و در ظرف را باز بگذاریم ، گاز درون ظرف باقی نمیماند. گازها همانند مایعات ، سطح افقی در بالای حجم اشغال کرده خود ندارند و در همه جا پخش میشوند. بنابراین ، حجم گاز برابرحجم هر ظرفی است که در آن قرار میگیرد.
{img src=img/daneshnameh_up/8/8d/msc1cb.jpg}
!جامد
در حالت جامد ، ((نیروی بین مولکولی|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 ، ((مولکول|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 ((بلور|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 ((روغن|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 ، ((دما|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
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 ((پلاستیک|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 بعلت فاصله زیاد بین مولکولی در گاز ، متراکم کردن سنگینتر و سختتر صورت میگیرد، در صورتی که در حالت دوم چنین نیست.
!پلاسما
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 ((الکترون|الکترونها)) و ((آنیون و کاتیون|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 ((آنیون و کاتیون|یون)) است. یونها بشدت تحت تاثیر ((نیروی الکتریکی|نیروهای الکتریکی)) و ((نیروی مغناطیسی|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. نمایش خیره کننده از حالت پلاسمایی ماده است که در ((میدان مغناطیسی)) جریان مییابد.
بد نیست بدانید که دانش امروزی حالات دیگری از جمله برهمکنش ضعیف و قوی ((هسته|هستهای)) را نیز در دستهبندیها بعنوان حالات پنجم و ششم ماده بحساب میآورد که از این حالات در توجیه خواص ((نکلئون|نکلئونهای هسته)) ، ((نیروی هستهای|نیروهای هستهای)) ، ((واکنش های هستهای و در کل ((فیزیک ذرات بنیادی)) استفاده میشود.
{img src=img/daneshnameh_up/c/cf/Metan.jpg}
|
ساختمان گاز متان ، یک گاز طبیعی
|
!چگال بوز-اینشتین
حالت پنجم با نام ماده __~~green:چگال بوز-اینشتین~~__ (__Booze-Einstein condensate__) که در سال ۱۹۹۵ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام __~~green:بوزونها~~__ (__Bosons__) تا دماهایی بسیار پایین پدید میآید. بوزونهای سرد در هم فرومیروند 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.
!چگال فرمیونی
حالت تازه هم ماده __~~green: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 پانصدهزار اتم ((پتاسیم)) با جرم اتمی 40 تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتمها در چنین دمایی بدون گرانروی جریان مییابند و این ، نشانه ظهور مادهای جدید بود. در دماهای پایینتر چه اتفاقی میافتد؟ هنوز نمیدانیم.__"__
ماده چگال فرمیونی بسیار شبیه ماده چگال بوز-اینشتین (__BEC__) است. ((ذرات بنیادی)) و اتمها در طبیعت میتوانند به شکل __بوزون__ یا __فرمیون__ باشند. یکی از تفاوتهای اساسی میان آنها حالتهای کوانتومی مجاز برای ذرات است. تعداد زیادی بوزون میتوانند در یک حالت ((مکانیک کوانتومی|کوانتومی)) باشند ، مثلا انرژی ، اسپین و ... آنها یکی باشد ، اما مطابق ((اصل طرد پائولی)) ، دو فرمیون نمیتوانند همزمان حالتهای کوانتومی یکسان داشته باشند.
برای همین ، مثلا در ((آرایش اکترونی عناصر|آرایش اتمی)) ، الکترونها که فرمیون هستند، نمیتوانند همگی در یک تراز انرژی قرار گیرند.در هر ((اوربیتال اتمی|اوربیتال)) تنها دو الکترون که اسپینهای متفاوت داشته باشند، جا میگیرد و الکترونهای بعدی باید به اوربیتال دیگری با انرژی بالاتر بروند. بنابراین اگر فرمیونها را سرد کنیم و انرژی آنها را بگیریم ، ابتدا پایینترین تراز انرژی پر میشود ، اما ذره بعدی باید به ترازی با انرژی بالاتر برود.
وجود ماده چگال فرمیونی همانند ماده چگال یوز- اینشتین سالها قبل پیشبینی شده و خواص آن محاسبه شده بود ، اما رسیدن به دمای نزدیک به صفر مطلق که برای تشکیل این شکل ماده لازم است تاکنون ممکن نشده بود. هر دو از فرورفتن اتمها در دماهایی بسیار پایین ساخته میشوند. اتمهای BEC بوزون هستند و اتمهای ماده چگال فرمیونی ، فرمیون.
!مباحث مرتبط با عنوان
*((اتم))
*((اتم اولیه))
*((بوزون))
*((جامد))
*((چگالی))
*((گاز))
*((پلاسما))
*((عناصر بنیادی جهان))
*((فرمیون))
*((مایع))
*((مقاومت مکانیکی))
*((مولکول))