ديد کلي

يونانيان باستان ، عالم را متشکل از چهار عنصر آتش ، خاک ، آب و هوا ميدانستند. امروزه دانشمندان بکمک اين عناصر ، تمام اجزاي تشکيل دهنده جهان را آن طور که هست ، توضيح ميدهند. آتش بيانگر انرژي بوده و سه عنصر ديگر نشان دهنده سه حالت از ماده جامد ، مايع و گاز ميباشند. بر طبق اين تقسيم بندي ، مواد جامد داراي شکل و ابعاد مشخصي بوده و همچنين جرم ، حجم و وزن مشخصي دارند.
مايعات و گازها شاره هستند، يعني جريان مييابند. اين اجسام شکل معيني ندارند و شکل ظرفي را که در آن قرار دارند بخود ميگيرند، در حاليکه مقدار معيني دارند. مثلا مقدار آب ، دي اکسيد کربن ، هوا ، شير و غيره جرم قابل اندازه گيري و معيني دارند، اما نميتوانند همانند جامدات با اعمال نيروي پس زني کشاني ، در مقابل تغيير شکل ، مقاومت کنند.

بررسي حالات پنج گانه ماده و تحليلي بر چيستي حالات تازه آن

تا کنون با سه شکل ماده آشنا شده ايد: گاز، مايع و جامد.
ولي اينها تمام حالات ماده نيستند. اشکال ماده به طور کلي عبارتند از : جامد ,مايع ,گاز ,پلاسما و ماده چگال بونز -انيشتين- و حالت تازه کشف شده يعني ماده چگال فرميوني.

جامد

مواد جامد در برابر تغيير شکل مقاومت مي کنند و آنها سفت و شکننده هستند.
براي درک چگونگي اين موضوع مي توان جامدات را اينگونه تعريف کنيم.
در حالت جامد ، نيروهاي بين مولکولي ، بقدري قويتر از انرژي جنبشي هستند که باعث سخت شدن جسم در نتيجه عدم جاري شدن آن ميگردند. جامدات شکل و حجم معيني دارند. در جامدات فاصله مولکولها مانند فاصله آنها در مايع است. جامدات نميتوانند مانند وضعيتي که حالات مايع و گاز دارند، آزادانه به اطراف حرکت کنند. بلکه ، در جامد ، مولکولها در مکانهاي خاصي قرار ميگيرند و فقط ميتوانند در اطراف اين مکانها حرکت نوساني رفت و برگشتي بسيار کوچک انجام دهند.
اين حرکت نوساني ، بخصوص در جامدات بلورين ، کاربردهاي صنعتي و علمي زيادي را براي اين دسته از مواد به دنبال دارد.

مايع

در حالت مايع ، مولکولها بهم نزديکتر بوده، بطوريکه نيروهاي مابينشان قويتر از انرژي جنبشي آنان ميباشد. از طرف ديگر ، نيروها آنقدر قوي نيستند که قادر به ممانعت از حرکت مولکولها گردند. از اين روست که جريان مايع از ظرفي به ظرف ديگر شدني است، اما نسبت سرعت جاري شدن آب در مقايسه با مايعات ديگر از قبيل روغنها و گلسيرين بسيار متفاوت است که اين تفاوت در سرعت جاري شدن ، ميزان مقاومت يک مايع در مقابل جاري شدن ،يعني ويسکوزيته آن خوانده مي شود که خود تابعي از شکل ، اندازه مولکولي ، درجه حرارت و فشار ميباشد. بنابراين مايعات حجم معين و شکل نامعيني دارند.
فاصله مولکولها در مايعات در مقايسه با گازها بسيار کم است. در مايعات مولکولها به اطراف خود حرکت ميکنند و به سهولت روي هم ميلغزند و راحت جريان (شارش) پيدا ميکنند. مواد مايع با قابليت شکل پذيري و جريان يافتن در شبکههاي ريز ، کاربردهاي زيادي در صنعت پيدا کردهاند.

گاز

به طور کلي مي توان گازها را اينگونه تعريف کرد ؛
گاز ها کم چگالند و ساده متراکم مي شوند و نه تنها شکل ظرف خود را مي گيرند بلکه آنقدر منبسط مي شوند تا ظرف را کاملا پر کنند.
اما اگر بخواهيم گازها را بهتر بشناسيم مي توانيم بگوييم که ؛
حالت فيزيکي مواد در شرايط فشار و درجه حرارت طبيعي ، بستگي به اندازه مولکولي و نيروهاي فيمابين آن دارد. اگر مقدار کمي از يک گاز ، در يک تانک نسبتا بزرگي قرار گيرد، مولکولهاي آن با سرعت در سرتاسر تانک پخش ميشوند. پخش سريع مولکولهاي گاز دلالت بر آن ميکند که نيروهاي موجود فيمابين مولکولها ، بمراتب ضعيفتر از انرژي جنبشي آن است و از آنجايي که ممکن است مقدار کمي از يک گاز در سرتاسر تانک يافت شود، نشان دهنده آن است که مولکولهاي گاز بايد نسبتا از هم فاصله گرفته باشند. بنابراين گازها شکل و حجمشان بستگي به ظرفي دارد که در آن جاي دارند.
در حالت گازي ، مولکولها آزادانه به اطراف حرکت کرده و با يکديگر و نيز با ديواره ظرف برخورد ميکنند. فاصله مولکولها در حالت گازي در حدود چند ده برابر فاصله آنها در حالت مايع و جامد است. اگر در يک ظرف نوشابه پلاستيکي را بسته و آنرا متراکم کنيد و سپس آنرا با آب پر کرده و دوباره سعي کنيد که آنرا متراکم کنيد، در حالت اول بعلت فاصله زياد بين مولکولي در گاز ، متراکم کردن سنگينتر و سختتر صورت ميگيرد، در صورتي که در حالت دوم چنين نيست.

پلاسما

حالت چهارم ماده پلاسما ,شبيه گاز است و از اتمهايي تشکيل شده است که تمام يا تعدادي از الکترون هاي خود را از دست داده اند (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 دنبالهدار و شفقهاي قطبي شمالي که نمايش خيره کننده اي از حالت پلاسمايي ماده است که در ميدان مغناطيسي جريان مييابد
بد نيست بدانيد که دانش امروزي حالات ديگري از جمله برهمکنش ضعيف و قوي هستهاي را نيز در دستهبنديها بعنوان حالات پنجم و ششم ماده بحساب ميآورد که از اين حالات در توجيه خواص نکلئونهاي هسته ، نيروهاي هستهاي ، واکنش هاي هستهاي و در کل ((فيزيک ذرات بنيادي)) استفاده ميشود.

چگال بوز – اينشتين

حالت پنجم با نام ماده چگال بوز-اينشتين(Booze-Einstein condensate) که در سال 1995 کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتي به نام بوزونها (Bosons)تا دماهايي بسيار پايين پديد ميآيد. بوزونهاي سرد در هم فروميروند و ابر ذرهاي که رفتاري بيشتر شبيه يک موج دارد تا ذرههاي معمولي ، شکل ميگيرد. ماده چگال بوز-اينشتين شکننده است و سرعت عبور نور در آن بسيار کم است.

چگال فرميوني

حالت تازه هم ماده چگال فرميوني (Fermionic condensate) است. “دبورا جين” (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاييز 1382 ، 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 40 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 مي دهند . 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 بوزون ها 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 34 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 مي شود 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 40 فرميون هستند زيرا داراي 19 الکترون ، 19 پروتون و 21 نوترون هستند و حاصل جمع اين سه عدد برابر 59 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 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 اتم هاي 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 135- 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 مي شود و استفاده ازآن به خاطر مزيت هاي ياد شده سريعا افزايش مي يابد جين مي گويد کنترل ميزان جفت شدگي اتمهابا استفاده از تغيير ميدان مغناطيسي همانند تغيير دما براي يک ابررسانا ست . اين روند ما را اميدوار مي کند که بتوانيم آموخته هاي خود از چگالش فرميوني را به ديگر زمينه ها از جمله ابر رسانايي در دماي اتاق تسري دهيم.
ناسا کاربردهاي زيادي را براي ابررساناهادر نظر گرفته است به عنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شد که مدار ماهواره هاي چرخنده به دور زمين با دقت بسياربالايي 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 6 برابر نسبت به موتورهاي فعلي سبکتر خواهند شد و باعث مي شود که وزن و فضاپيما بسيار کاهش يابد .
از ديگر زمينه هايي که ابررساناها مي توانند نقش اساسي در آنها بازي مي کنند مي توان کاوش هاي بعدي انسان از فضا را نام برد . ابررساناها بهترين گزينه براي توليد وانتقال بسيارکارآمد انرژي الکتريکي هستند و طي شب هاي طولاني ماه که دما تا 173- درجه سانتي گراد پايين مي آيد و طي ماه هاي ژانويه تا مارس دستگاه هاي MRI ساخته شده ازسيم هاي ابررسانا ، ابزار تشخيص دقيق و توانمندي در خدمت سلامت خدمه فضاپيما خواهد بود .
منبع:http://www.academist.ir
/خ