معرفی 3 حالت ديگر ماده به جز جامد، مايع و گاز

[azarafrooz 14221]

همه ما با 3 حالت ماده يعني جامد ، مايع و گاز آشنايي داريم ، حالت چهارم ماده يعني پلاسما و حالت پنجم و ششم ماده يعني چگال بوز – انيشتن و چگال فرميوني

 

4- پلاسما

حالت چهارم ماده پلاسما ,شبيه گاز است و از اتم‌هايي تشکيل شده است که تمام يا تعدادي از الکترون‌هاي خود را از دست داده‌اند (يونيده شده اند)

بيشتر مواد جهان در حالت پلاسما هستند مانند خورشيد که از پلاسما تشکيل شده است. پلاسما اغلب بسيار گرم است و مي توان آن را در ميدان مغناطيسي به دام انداخت.

اما در تعريفي کلي از پلاسما بايد گفت که ؛ پلاسما حالت چهارمي از ماده است که دانش امروزي نتوانسته آنها را جزو سه حالت ديگر پندارد و مجبور شده آن‌را حالت مستقلي به حساب آورد. اين ماده با ماهيت محيط يونيزه ، ترکيبي از يونهاي مثبت و الکترون با غلظت معين ميباشد که مقدار الکترونها و يونهاي مثبت در يک محيط پلاسما تقريبا برابر است و حالت پلاسماي مواد ، تقريبا حالت شبه خنثايي دارد. پديده‌هاي طبيعي زيادي از جمله آتش ، خورشيد ، ستارگان و غيره در رده حالت پلاسمايي ماده قرار مي‌گيرند.

پلاسما شبيه به گاز است، ولي مرکب از ذرات باردار متحرکي به نام يون است. يون‌ها بشدت تحت تاثير نيروهاي الکتريکي و مغناطيسي قرار ميگيرند. مواد طبيعي در حالت پلاسما عبارتند از انواع شعله ، بخش خارجي جو زمين ، اتمسفر ستارگان ، بسياري از مواد موجود در فضاي سحابي و بخشي از دم ستاره دنباله دار و شفق‌هاي قطبي شمالي که نمايش خيره کننده اي از حالت پلاسمايي ماده است که در ميدان مغناطيسي جريان مييابد.

 

5-چگال بوز – انيشتن

حالت پنجم با نام ماده چگال بوز-انيشتن (Bose-Einstein condensate) که در سال ۱۹۹۵ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتي به نام بوزونها (Bosons) تا دماهايي بسيار پايين پديد ميآيد. بوزونهاي سرد در هم فروميروند و ابر ذره هايي که رفتاري بيشتر شبيه يک موج دارد تا ذره هاي معمولي ، شکل ميگيرد. ماده چگال بوز-انيشتن شکننده است و سرعت عبور نور در آن بسيار کم است.

 

6-چگال فرميوني

حالت تازه ماده چگال فرميوني (Fermionic condensate) است. “دبورا جين” (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو موفق به کشف اين شکل تازه ماده شده است، مي‌گويد”: وقتي با شکل جديدي از ماده روبرو مي‌شويد، بايد زماني را صرف شناخت ويژگي‌هايش کنيد. آن‌ها اين ماده تازه را با سرد کردن ابري از پانصدهزار اتم پتاسيم با جرم اتمي ۴۰ تا دمايي کم‌تر از يک ميليونيم درجه بالاتر از صفر مطلق پديدآوردند. اين اتم‌ها در چنين دمايي بدون گرانروي جريان مييابند و اين ، نشانه ظهور ماده‌اي جديد بود.

در اين حالت اتم‌هاي پتاسيم بدون آنکه چسبندگي ميان آن‌ها وجود داشته باشد ، بصورت مايع جريان يافتند . حالت چگاليده فرميوني تا حدي شبيه چگالش بوز- اينشتين است .

هر دو حالت از اتم‌هايي تشکيل شده اند که اين اتم ها در دماي پايين به هم مي پيوندند و جسم واحدي را تشکيل مي‌دهند . در چگالش بوز- اينشتين اتم ها از نوع بوزون هستند در حالي‌که در چگالش فرميوني اتم ها فرميون هستند.

 

تفاوت ميان بوزون ها و فرميونها چيست ؟

رفتار بوزون‌ها به گونه اي است که تمايل دارند با هم پيوند برقرار کنند و به هم متصل شوند . يک اتم در صورتي که حاصل جمع تعداد الکترون ، پروتون و نوترون هايش زوج باشد، بوزون است . بعنوان مثال اتمهاي سديم بوزون هستند زيرا اتمهاي سديم در حالت عادي يازده الکترون ، يازده پروتون و دوازده نوترون دارند که حاصل جمع آنها عدد زوج ۳۴ مي شود . بنابراين اتم‌هاي سديم اين قابليت را دارند که در دماهاي پايين به هم متصل شوند و حالت چگاليده بوز- اينشتين را پديد اورند اما از طرف ديگر فرمين ها منزوي هستند . اين ذرات طبق اصل طرد پائولي هنگامي که در يک حالت کوانتومي قرار مي گيرند همديگر را دفع مي کنند و اگر ذره اي در يک حالت کوانتومي خاص قرار گيرد مانع از آن مي‌شود که ذره ديگري هم بتواند به آن حالت دسترسي يابد .

هر اتم که حاصل جمع تعداد الکترون ، پروتون و نوترون هايش فرد باشد فرميون است . به عنوان مثال ، اتم هاي پتاسيم با عدد جرمي ۴۰ فرميون هستند زيرا داراي ۱۹ الکترون ، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع اين سه عدد برابر ۵۹ مي شود . دکتر جين و همکارانش بر پايه همين خاصيت انزوا طلبي فرميونها روشي را پيش گرفتند و از ميدان‌هاي مغناطيسي کنترل شونده اي براي انجام آزمايشها استفاده کردند . ميدان مغناطيسي باعث مي شود که اتمهاي منفرد با هم جفت شوند و ميزان جفت شدگي اتمها در اين حالت با تغيير ميدان مغناطيسي قابل کنترل است . انتظار مي رفت که اتمهاي جفت شده پتاسيم خواص همانند بوزونها را داشته باشند اما آزمايشها نشان دادند که در بعضي از اتمها که ميزان جفت شدگي ضعيف بود هنوز بعضي از خواص فرميوني خود را از دست نداده بودند .

در اين حالت يک جفت از اتمهاي جفت شده مي تواند به جفت ديگري متصل شود و اين جفت شدگي به همين ترتيب ادامه يابد تا اين که سرانجام باعث تشکيل حالت چگاليده فرميوني شود .

دکتر جين شک داشت که جفت شدگي اتم‌هاي مشاهده شده همانند جفت شدگي اتم‌هاي هليوم مايع باشد که به آن ابر شارگي مي گويند . ابرشاره ها نيز بدون اينکه خاصيت چسبندگي بين آنها باشد به راحتي جريان مي يابند . وضعيت مشابه ديگر ، حالت ابر رسانايي است . در يک ابر رسانا الکترونهاي جفت شده( الکترون ها فرميون هستند ) به محض آنکه با مقاومت الکتريکي مواجه شوند به راحتي جريان مي يابند . علاقه وافري به ابر رساناها وجود دارد زيرا از آن‌ها براي توليد الکتريسيته پاک و ارزان مي توان استفاده کرد در صورتي که استفاده از ابر رساناها در تکنولوژي ميسر شود قطارهاي برقي سريع السير و کامپيوترهاي فوق سريع با قيمت پايين روانه بازار خواهد شد اما متاسفانه استفاده از ابررساناها و حتي تحقيق در باره آن‌ها دشوار است .

بزرگ‌ترين مشکل اين است که حداقل دمايي که لازم است تا يک ابررسانا ايجاد شود ۱۳۵- درجه سلسيوس است . بنابراين نيتروژن مايع يا دستگاه سرد کننده ديگري لازمست تا سيمهاي رابط و هر وسيله جانبي ديگري که الکترون‌هاي جفت شده در ان محيط قرار مي گيرند را نگه دارد . اين فرايند هزينه زيادي مي خواهد و به دستگاه‌هاي پر حجمي نياز دارد . اما اگر ابررسانايي بردماي اتاق شود کار کردن با آن فوق العاده راحت مي‌شود و استفاده ازآن به خاطر مزيت هاي ياد شده سريعا افزايش مي‌يابد جين مي‌گويد کنترل ميزان جفت شدگي اتم‌ها با استفاده از تغيير ميدان مغناطيسي همانند تغيير دما براي يک ابررسانا ست . اين روند ما را اميدوار مي کند که بتوانيم آموخته هاي خودرا از چگالش فرميوني به ديگر زمينه ها از جمله ابر رسانايي در دماي اتاق تسري دهيم.

ناسا کاربردهاي زيادي را براي ابررساناها در نظر گرفته است به عنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شد که مدار ماهواره هاي چرخنده به دور زمين با دقت بسيار بالايي کنترل شوند . خاصيت اصلي ابر رساناها به دليل نداشتن مقاومت الکتريکي امکان انتقال جريان الکتريکي – حجم کوچکي از ابررسانا است . به همين خاطر اگر به جاي سيم هاي مسي از ابر رساناها استفاده شود ،موتورهاي فضاپيماها تا ۶ برابر نسبت به موتورهاي فعلي سبکتر خواهند شد و باعث مي شود که وزن فضاپيما بسيار کاهش يابد .