حالات المادة وخصائص كل حالة
- صلب: مادة صلبة لها شكل ثابت لأن الجسيمات لن تتحرك إلى الموضع المناسب، والجسيمات مضغوطة جدًا في الحالة الصلبة، والكثافة في المادة الصلبة عالية لأن المسافة بين الجزيئات صغيرة.
- السائل: يكون السائل على شكل وعاء يوضع فيه السائل، والجسيمات الموجودة في السائل غير مستقرة، والسائل كثيف للغاية ولا توجد مسافة كبيرة بين الجزيئات.
- حالة الغاز: الغاز ليس له شكل محدد، ولكن الغاز سيملأ أي مساحة متاحة لأن الجزيئات تتحرك بسرعة في جميع الاتجاهات، والغاز سهل الضغط، والمسافة بين الغازات كبيرة.
- وبالتالي يسهل تقارب جزيئات الغاز، وتكون كثافة الغاز منخفضة جدًا وهناك فجوات كبيرة بين الجزيئات.
- حالة البلازما (السيتوبلازم): هي حالة فريدة للمادة، يمكن وصفها بأنها غاز مؤين تكون فيه الإلكترونات حرة ولا ترتبط بالذرات أو الجزيئات.
- إذا كانت المادة موجودة في ثلاث حالات في الطبيعة: صلبة وسائلة وغازية، فيمكن تصنيف البلازما على أنها الحالة الرابعة التي يمكن أن توجد فيها المادة.
الحالات المحتملة للمادة
- حالات المادة وخصائص كل ولاية هي واحدة من الأشكال الفريدة التي يمكن أن توجد فيها المادة.
- في الحياة اليومية، يمكننا أن نلاحظ ثلاث حالات جسدية في معدة طبيعية: الصلبة والسائلة والغازية. من المعروف وجود العديد من الحالات الأخرى، مثل الزجاج أو الكريستال السائل.
- يمكن العثور على بعض الحالات فقط في ظل ظروف قاسية، مثل تركيز بوز أينشتاين والمادة المخففة بالنيوترونات، وبلازما كوارك-غلون.
- يحدث هذا فقط في ظل البرودة الشديدة، والكثافة الشديدة، والطاقة العالية للغاية، على التوالي.
- بعض حالات المادة وخصائص كل حالة أخرى ممكنة، ولكن حتى الآن، لا تزال القائمة الكاملة لجميع الأجسام الطائرة المجهولة نظرية.
- تاريخيا، تم التمييز على أساس الاختلافات النوعية في الخصائص.
- تحافظ المادة الصلبة على حجم وشكل ثابتين، كما أن الجزيئات المكونة لها (الذرات أو الجزيئات أو الجسيمات الأيونية) قريبة من بعضها وتثبت في مكانها.
- يحافظ السائل على حجم ثابت، لكن الشكل يتغير ليناسب احتياجات الحاوية.
- لا تزال جزيئاته قريبة من بعضها البعض، لكن يمكنها التحرك بحرية.
- المواد الغازية لها أحجام وأشكال مختلفة لتناسب الحاوية.
- جزيئاتها ليست ضيقة ولا ثابتة، المادة في حالة البلازما لها حجم وشكل متغيران.
- ولكن بالإضافة إلى الذرات المحايدة، فإنها تحتوي أيضًا على عدد كبير من الأيونات والإلكترونات، وكلاهما يمكن أن يتحرك بحرية.
- يُستخدم مصطلح “طور” أحيانًا كمرادف لحالة المادة، ولكن يمكن للنظام أن يحتوي على مراحل متعددة غير قابلة للذوبان في نفس الحالة.
1- الحالة الصلبة
- يتم تجميع الجسيمات التي تشكل هذه الحالة من المادة بالقرب من بعضها البعض وترتبط ببعضها البعض بإحكام شديد، لذلك لا يمكنك تحريك أحد هذه الجسيمات بمعزل عن الجسيمات الأخرى باستثناء الطاقة الحركية الصغيرة.
- لكن تجدر الإشارة إلى أن ذرات هذه الجزيئات تهتز باستمرار في مواقعها، والحالة الصلبة للمادة لها شكل ثابت وحجم محدد، وليس لها شكل الحاوية التي توضع فيها.
- نظرًا لقوة روابطها الجزئية، لا يمكن ضغطها للتأثير على حجمها.
- مادة صلبة غير متبلورة: مادة صلبة لا يكون لموضع الذرات فيها تأثير عميق.
- مادة صلبة غير متبلورة: مادة صلبة تتكدس فيها الذرات أو الجزيئات أو الأيونات بترتيب منتظم.
- الكريستال البلاستيكي: مادة صلبة جزيئية ذات ترتيب محلي بعيد المدى، ولكن مع جزيئات مكون يمكنها الحفاظ على حرية الدوران.
- شبه بلوري: مادة صلبة لها ترتيب عميق للمواضع الذرية، ولكنها ليست متكررة.
2- الحالة السائلة
- الطاقة الحركية للجسيمات في هذه الحالة للمادة أعلى من الطاقة الحركية للمادة الصلبة، وهذه الجسيمات لا تشكل شكلاً معينًا للمادة، لكنها ضعيفة الترابط مع بعضها البعض، لذا فإن شكل الحاوية يمكن اعتمادها.
- ولكن بالإضافة إلى كونها غير قابلة للضغط، فإن لها أيضًا حجمًا ثابتًا ومُحددًا، مثل الحالة الصلبة.
- عند العمل بالقوة على سطح مادة سائلة، يتم توزيع هذه القوى بالتساوي على السطح بالكامل، بحيث يمكن لأي جسم استبدال أي كمية من السائل واستبدالها.
- في أبريل 2016، أعلن العلماء عن حالة سائلة غريبة، وفي هذه الحالة يمكن نقل السائل يدويًا كمادة صلبة.
- عند فحص حالات المادة وخصائص كل حالة بالمجهر، تظهر الإلكترونات في حالة من الترابط العشوائي، كما لو كانت المادة في حالة سائلة.
- تسمى هذه المادة الجديدة بـ Kitif Spindle Quantum Fluid لأن إلكترونات المادة دخلت في حالة رقص عشوائي، والتي لا تتوافق مع الحالة المعتادة في ذلك الوقت.
- لذلك، تبدأ حالات المادة وخصائص كل حالة في تكوين مادة صلبة، ولكن بغض النظر عن انخفاض درجة الحرارة المحيطة، تميل إلكترونات المادة إلى أن تكون عشوائية.
- سائل بلوري: خاصية وسيطة بين السائل والبلور، يمكن أن يتدفق عادة مثل السائل، لكنه يظهر طلبًا طويل المدى.
- تضخم هجين: سائل وبلوري في الطبيعة مثل البلور، جزيئاته البعيدة تظهر كثافة موحدة ولا يمكن ضغطها.
- مثل السوائل، تُظهر الجسيمات ذات المسافات الأصغر نفس الخصائص الفيزيائية في جميع الاتجاهات.
3- الحالة الغازية
- المسافة بين جزيئات الغاز كبيرة جدًا، مما سيزيد من طاقتها الحركية، إذا لم تكن هذه الجسيمات محصورة في حاوية أو أي وسيط معين، فسوف تنتشر بشكل عشوائي في الفضاء.
- عندما تكون جزيئات الغاز محصورة في حاوية، فإنها تنتشر لتحتل الحاوية أو جميع أجزاء الحاوية الموجودة فيها.
- عندما يزداد الضغط، تزداد درجة حرارته وطاقته الحركية.
- بالإضافة إلى ذلك، إذا ظل حجم الحاوية ثابتًا وزادت درجة حرارة الجسيمات، فستزيد طاقتها الحركية، وسيزداد ضغطها على جدار الحاوية.
4- البلازما
- قد لا تكون هذه الحالة غير شائعة على الأرض، لكنها أكثر أشكال المادة شيوعًا في الكون بأسره.
- تتكون البلازما بشكل أساسي من جزيئات مشحونة للغاية لها طاقة حركية كبيرة، وعادة ما تستخدم الغازات الخاملة النادرة لتكوين البلازما على الأرض.
- النجوم هي في الأساس كرات نارية كبيرة من البلازما.
حالات المادة في درجات حرارة منخفضة
1- سيولة فائقة
- عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق، يفقد السائل تمامًا لزوجته وقدرته على التدفق.
- تم اكتشاف هذه الحالة لأول مرة في الحالة السائلة للهيليوم في عام 1937.
- يتميز بتوصيله الحراري اللانهائي للغاية دون أدنى مقاومة.
2- تكثيف بوز أينشتاين
- توقع ألبرت أينشتاين وناث بوس حالة المادة.
- نظرًا لأنها لم تعد تعمل كجسيمات مستقلة، وتنهار جميع الجسيمات كميًا، لذلك يمكن وصفها بأنها دالة موجية واحدة، أي عندما تصل غازات معينة إلى الصفر المطلق.
3- تكاثف الفرمون
- حالته تشبه مكثف “بوز آينشتاين”.
- يحتوي فقط على الفرميونات.
4- جسيمات ريدبيرج
- إنها واحدة من الحالات المستقرة للبلازما.
- يحدث عندما تتكثف الذرات المثارة عند درجة حرارة معينة.
5- التمثيل الضوئي
تنتج حالة المادة الناتجة عن تفاعل فوتونات الضوء مع غاز هائل فوتونات أو جسيمات ضوئية.
حالات المادة بطاقة عالية
1- مادة متحللة
- توجد هذه المادة عادة في النجوم تحت ضغط عالٍ جدًا ولها كثافة عالية.
- وتشارك في توليد الخصائص الكمومية لهذه الكائنات.
2- مسألة الكوارك
- الكوارك هو المكون الرئيسي للبروتون والنيوترون في النواة.
- عندما يتم إطلاق هذه الكواركات من القوة التي تربطها معًا عند كثافة عالية ودرجة حرارة عالية، تمر هذه الكواركات عبر مراحل مختلفة من حالات المادة وتسمى خصائص كل حالة كواركات المادة.
الحالات الأخيرة للمادة
- المواد التبادلية Exiton: بدعم من مبدأ استبعاد Pauli، تخضع المادة لضغط عالٍ.
- مادة لوحة الإلكترون: تقع داخل القزم الأبيض، ويبقى الإلكترون مرتبطًا بالذرة، ولكن يمكنه الانتقال إلى الذرات المجاورة.
- مادة قابلة للتحلل: مادة صلبة ذات شكل وحجم محددين بدون وعاء.
- بسبب اضمحلال النيوترونات، تكون الجسيمات قريبة جدًا من بعضها وتوجد في النجوم النيوترونية.
- تضغط قوة الجاذبية القوية على الذرات بشدة لدرجة أن الإلكترونات تجبر على الاندماج مع البروتونات من خلال الاضمحلال التجريبي العكسي، مما ينتج عنه عناقيد نيوترونية شديدة الكثافة.
- عادة ما تتحلل النيوترونات الحرة خارج النواة بعمر نصف أقل من 15 دقيقة، ولكن في النجم النيوتروني، تمامًا مثل النواة، يمكن أن تؤدي التأثيرات الأخرى أيضًا إلى استقرار النيوترونات.
- نوع من النيوترونات بدون وعاء له شكل وحجم محدد لمادة صلبة، والجسيمات قريبة جدًا من بعضها.
- مادة غريبة: يمكن العثور على مادة الكوارك في بعض النجوم النيوترونية بالقرب من حدود تولمان-أوبنهايمر-وولكوف بحوالي 2-3 كتل شمسية بمجرد تكوينها، وقد تكون مستقرة في حالة منخفضة الطاقة.
- تكثيف الفرميون: يشبه مثخن آينشتاين بوز، ولكنه يتكون من الفرميونات، المعروفة أيضًا باسم مثخن ديراك فيرمي.
- يمكن لمبدأ الاستبعاد المتعدد أن يمنع الفرميونات من دخول نفس الحالة الكمومية، لكن زوجًا من الفرميونات يمكن أن يكون بمثابة بوزون، ويمكن للعديد منهم أن يدخلوا نفس الحالة الكمومية دون قيود.
- الموصلية الفائقة: عند التبريد عند درجة حرارة حرجة معينة، ستظهر مقاومة صفرية وإزالة دقيقة للحقول المغناطيسية في مواد معينة.
- تعتبر الموصلية الفائقة شرطًا أساسيًا للعديد من المعادن الأساسية.
- سائل الدوران الكمي: على عكس الحالات المضطربة الأخرى، يمكن أن تحافظ الحالة المضطربة في نظام سائل الدوران الكمي التفاعلي على الاضطراب عند درجات حرارة منخفضة للغاية.
- مادة الفرميون الثقيلة: تشكل مواد الفرميون الثقيلة أو أنظمة الفرميون شديدة الارتباط حالة جديدة من المادة.
- يتم تحديدها من خلال انتقال المراحل الكمية وإظهار سلوكيات القياس العالمية من حيث الديناميكا الحرارية وخصائص النقل والاسترخاء.
- قد تنتمي سوائل الدوران الكمومية، والبلورات شبه السائلة، وسوائل فيرمي ثنائية الأبعاد، والمعادن الثقيلة لجلوكوز الدم، والموصلات الفائقة الثقيلة إلى حالة جديدة من المادة، وهي مواد صلبة ذات أشكال وأحجام محددة بدون حاويات.
- الجسيمات قريبة جدًا من بعضها: المادة الصلبة لها شكل وحجم معين، ولا توجد حاوية، والجسيمات قريبة جدًا من بعضها.
- سائل الشبكة المتوترة: تمتلك الذرات في هذه الحالة ترتيبًا غير مستقر ظاهريًا، مثل السائل، لكنها تظل متسقة في الحالة العامة، مثل المادة الصلبة.
لقد ناقشنا في مقال اليوم حالات المادة وخصائص كل دولة. لقد تحدثنا أيضًا عن حالات المادة التقليدية وحالات المادة الحديثة.