حالت های مواد

حالت های مختلف مواد

جامد 

مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می کنند و آنها سفت 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 می گردند. جامدات شکل و حجم معینی دارند. در جامدات فاصله مولکولها مانند فاصله آنها در مایع است. جامدات نمی توانند مانند وضعیتی که حالات مایع و گاز دارند، آزادانه به اطراف حرکت کنند. بلکه ، در جامد ، مولکول ها در مکان های خاصی قرار می گیرند و فقط میتوانند در اطراف این مکان ها 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 ، مولکول ها بهم نزدیک تر بوده، بطوری که نیروهای مابینشان قوی تر از انرژی جنبشی آنان می باشد. از طرف دیگر ، نیروها آن قدر قوی نیستند که قادر به ممانعت از حرکت مولکول ها 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 ها 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 مولکول ها در مایعات در مقایسه با گازها بسیار کم است. در مایعات مولکول ها به اطراف خود حرکت میکنند و به سهولت روی هم می لغزند و راحت جریان (شارش) پیدا میکنند. مواد مایع با قابلیت شکل پذیری و جریان یافتن در شبکه های ریز ، کاربردهای زیادی در صنعت پیدا کردهاند.

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 ؛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، مولکول های آن با سرعت در سرتاسر تانک پخش می شوند. پخش سریع مولکول های گاز دلالت بر آن می کند که نیروهای موجود فیمابین مولکول ها ، به مراتب ضعیف تر 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 می کنند. فاصله مولکول ها 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 آن را 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 سنگین تر و سخت تر صورت می گیرد، در صورتی که در حالت دوم چنین نیست.

پلاسما

حالت چهارم ماده پلاسما ,شبیه گاز است و از اتم هایی 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 خورشید که از پلاسما تشکیل شده است. پلاسما اغلب بسیار گرم است و می توان 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 آن را حالت مستقلی به حساب آورد. این ماده با ماهیت محیط یونیزه ، ترکیبی از یونهای مثبت و الکترون با غلظت معین میباشد که مقدار الکترون ها و یون های مثبت در یک محیط پلاسما تقریبا برابر است و حالت پلاسمای مواد ، تقریبا حالت شبه خنثایی دارد. پدیده های 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. یون ها 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 شفق های قطبی شمالی که نمایش خیره کننده ای از حالت پلاسمایی ماده است که در میدان مغناطیسی جریان می یابد ، بد نیست بدانید که دانش امروزی حالات دیگری از جمله برهمکنش ضعیف و قوی هسته های را نیز در دسته بندی ها بعنوان حالات پنجم و ششم ماده بحساب می آورد که از این حالات در توجیه خواص نکلئونهای هسته ، نیروهای هسته های ، واکنش های هسته های و در کل ((فیزیک ذرات بنیادی)) استفاده میشود.

چگال 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 می آید. بوزونهای سرد در هم فرومی روند و ابر ذره ای که رفتاری بیشتر شبیه یک موج دارد تا ذره های معمولی ، شکل می گیرد. ماده چگال بوز-اینشتین شکننده است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.

چگال فرمیونی

حالت تازه هم ماده چگال فرمیونی  است. “دبورا جین”  از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز ۱۳۸۲ ، موفق به کشف این شکل تازه ماده شده است، می گوید”: وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو می شوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگی هایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصدهزار اتم پتاسیم با جرم اتمی ۴۰ تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتم ها در چنین دمایی بدون گرانروی جریان مییابند و این ، نشانه ظهور ماده ای 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 اتم هایی تشکیل شده اند که این اتم ها در دمای پایین به هم می پیوندند و جسم واحدی را تشکیل می دهند . در چگالش بوز- اینشتین اتم ها از نوع بوزون هستند در حالیکه در چگالش فرمیونی اتم ها فرمیون هستند.