حالات المادة: التعريف ومراحل التغيير
عبارة خمس حالات من المادة هي مصطلح لوصف كل شيء يتكون من “الأشياء” في الكون – أي شيء يشغل مساحة وله كتلة هو مادة. لكن هذه العبارة عفا عليها الزمن في الواقع ، حيث يوجد العديد من حالات المادة أكثر من ذلك. أربعة من هذه تحدث بشكل طبيعي ، في حين أن البعض الآخر يتم صنعه بشكل عابر في المختبر ، في ظل ظروف قاسية.
كل شيء مصنوع من ذرات، والتي تتكون بدورها من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.
تتجمع الذرات معًا لتشكيل الجزيئات ، والتي تعتبر اللبنات الأساسية لجميع أنواع المادة ، وفقًا لـ جامعة ولاية واشنطن (يفتح في علامة تبويب جديدة). يتم تجميع كل من الذرات والجزيئات معًا بواسطة شكل من أشكال الطاقة الكامنة يسمى الطاقة الكيميائية (يفتح في علامة تبويب جديدة)وفقًا لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية.
متعلق ب: كم عدد الذرات في الكون المرئي؟
الحالات الطبيعية الأربع للمادة هي: المواد الصلبة والسوائل والغازات والبلازما. ومع ذلك ، فإن مكثفات بوز-آينشتاين تُصنع فقط في المختبر. يمكن أيضًا تصنيع حالات غريبة أخرى للمادة في ظل ظروف قاسية في المختبر ، مثل مكثفات الفرميونية وبلورات الوقت. حتى أن هناك نوعًا غريبًا من المادة ، يُعرف باسم حالة الذوبان المتسلسل ، والتي توجد بشكل ثابت كمادة صلبة وسائلة في آن واحد.
المواد الصلبة والسوائل والغاز
في صلب، يتم تجميع الجسيمات معًا بإحكام حتى لا تتحرك كثيرًا. تتحرك إلكترونات كل ذرة باستمرار ، لذلك فإن الذرات لها اهتزاز صغير ، لكنها ثابتة في موضعها. لهذا السبب ، تمتلك الجسيمات الموجودة في المادة الصلبة طاقة حركية منخفضة جدًا.
المواد الصلبة لها شكل محدد ، وكذلك الكتلة والحجم ، ولا تتوافق مع شكل الحاوية التي توضع فيها. تحتوي المواد الصلبة أيضًا على كثافة عالية ، مما يعني أن الجزيئات متراصة بإحكام.
في السائل ، تكون الجسيمات معبأة بشكل غير محكم أكثر من المواد الصلبة وتكون قادرة على التدفق حول بعضها البعض ، مما يعطي السائل شكلاً غير محدد. لذلك ، فإن السائل سيتوافق مع شكل الحاوية الخاصة به.
مثل الكثير من المواد الصلبة ، فإن السوائل (ومعظمها أقل كثافة من المواد الصلبة) يصعب ضغطها بشكل لا يصدق.
في الغاز ، يكون للجسيمات مساحة كبيرة بينها ولها طاقة حركية عالية. الغاز ليس له شكل أو حجم محدد. إذا لم تكن محصورة ، فإن جزيئات الغاز ستنتشر إلى أجل غير مسمى ؛ إذا كان محصورًا ، فسيتمدد الغاز لملء الحاوية الخاصة به. عندما يتم وضع غاز تحت الضغط عن طريق تقليل حجم الحاوية ، يتم تقليل المسافة بين الجزيئات ويتم ضغط الغاز ، وفقًا لمركز أبحاث جلين التابع لناسا.
بلازما
بلازما ليست حالة مادة شائعة هنا على الأرض ، ولكنها قد تكون الحالة الأكثر شيوعًا للمادة في الكون ، وفقًا لـ مختبر جيفرسون (يفتح في علامة تبويب جديدة). النجوم مثل الشمس هي في الأساس كرات من البلازما شديدة الحرارة.
يتكون البلازما من جزيئات مشحونة للغاية مع طاقة حركية عالية للغاية. ال غازات نبيلة غالبًا ما تستخدم (الهيليوم والنيون والأرجون والكريبتون والزينون والرادون) لعمل إشارات متوهجة باستخدام الكهرباء لتأينها إلى حالة البلازما.
مكثف بوز-آينشتاين
تم إنشاء BEC لأول مرة بواسطة العلماء في عام 1995. باستخدام مزيج من الليزر و مغناطيس، إريك كورنيل وكارل وايمان ، العلماء في المعهد المشترك للفيزياء الفلكية (JILA) في بولدر ، كولورادو ، قاموا بتبريد عينة من الروبيديوم في حدود درجات قليلة من الصفر المطلق. عند درجة الحرارة المنخفضة للغاية ، تقترب الحركة الجزيئية من التوقف. نظرًا لعدم وجود طاقة حركية تقريبًا تنتقل من ذرة إلى أخرى ، تبدأ الذرات في التكتل معًا. لم يعد هناك آلاف من الذرات المنفصلة ، فقط “ذرة خارقة” واحدة.
تستخدم BECs لدراسة ميكانيكا الكم على المستوى العياني. يبدو أن الضوء يتباطأ أثناء مروره عبر BEC ، مما يسمح للعلماء بدراسة مفارقة الجسيمات / الموجة. يحتوي BEC أيضًا على العديد من خصائص ملف سائل فائق، أو السائل الذي يتدفق بدون احتكاك. تُستخدم BECs أيضًا لمحاكاة الظروف التي قد توجد في الثقوب السوداء.
حالات جديدة للمادة
تم إنشاء العديد من حالات المادة الأخرى في ظل ظروف قاسية أو غريبة. على سبيل المثال ، في يناير 2021 ، كشفت الأبحاث المنشورة في مجلة PNAS أنه أثناء التحول بين حالة السائل والصلب ، يصبح الزجاج حالة جديدة من المادة يشار إليها بالزجاج السائل.
على المستوى المجهري ، يقع الزجاج السائل في مكان ما بين مادة صلبة ومادة شبيهة بالهلام تسمى الغروانية – خليط من الجزيئات أكبر من ذرة واحدة أو جزيء. عندما تتحول مادة ما من سائل إلى صلب ، يتم ترتيب الجزيئات في هيكل بلوري – بالنسبة للزجاج ، لا يحدث هذا ويتم تجميد الجسيمات في مكانها قبل حدوث التبلور. وفقًا للباحثين ، فإن الجسيمات الموجودة في الزجاج السائل أكثر مرونة من الزجاج الصلب ، لكنها لا تستطيع الدوران.
“تقدم تجاربنا نوعًا من الأدلة على التفاعل بين التقلبات الحرجة والتوقف الزجاجي الذي كان المجتمع العلمي يلاحقه منذ فترة طويلة” ، هذا ما قاله المؤلف الرئيسي للدراسة وأستاذ نظرية المادة المكثفة اللينة في جامعة كونستانز ماتياس فوكس ، قال في بيان (يفتح في علامة تبويب جديدة).
متعلق ب: كيف تزن الذرة؟
بلورات الوقت هي شكل من أشكال المادة التي تم اقتراحها لأول مرة في عام 2012 (يفتح في علامة تبويب جديدة) بواسطة الفيزيائي الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلكزيك. تُصنع بلورات الوقت في المختبر ولديها القدرة على الدوران بين حالتين من الطاقة دون فقدان الطاقة أبدًا. نظرًا لأنهم لا يصلون إلى حالة التوازن أو الاستقرار ، فإنهم قادرون على تفادي القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي ينص على أن الاضطراب ، أو الانتروبيا ، لنظام مغلق ، يزداد دائمًا.
تم إنشاء بلورات الوقت في مختبر في عام 2017 وفي عام 2021 ، أعلنت Google أنها صنعت بلورة زمنية في كمبيوتر كمي ، وأن البلورة استمرت لمدة 100 ثانية قبل أن تتفكك الحالة سريعة الزوال.
مكثفات الفرميونية هي نوع آخر من المواد المصنوعة في المختبر. مرحلة شقيقة لـ BEC ، تم إنشاء مكثفات الفرميونات لأول مرة في عام 2004 (يفتح في علامة تبويب جديدة)وفقًا لوكالة ناسا. مكثفات الفرميونات هي موائع فائقة ، مما يعني أنها يمكن أن تتدفق بدون لزوجة. على عكس BECs ، فهي تتكون من الفرميونات ، وهي نوع من المواد التي تشمل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات ذات الأعداد الذرية الفردية. عادةً ما تحب الفرميونات أن تكون بمفردها ، ولكن لإنشاء هذه المرحلة ، يتعين على العلماء إقناعهم بالاقتران.
للقيام بذلك ، يجعل العلماء الأمر شديد البرودة. في التجربة الأولى لإثبات هذه المرحلة الغريبة ، الموصوفة في دراسة أجريت عام 2003 في مجلة Physical Review Letters (يفتح في علامة تبويب جديدة)، قام العلماء في JILA في بولدر ، كولورادو بتبريد سحابة من نصف مليون ذرة بوتاسيوم -40 إلى أقل من جزء من مليون درجة فوق الصفر المطلق ، ثم طبقوا مجالًا مغناطيسيًا عليها. أجبر هذا ذرات البوتاسيوم على الاقتران ، مما أدى إلى خلق حالة تشبه الموصلية الفائقة التي تحدث في أزواج الإلكترونات.
كيف تتغير حالات المادة
تؤدي إضافة أو إزالة الطاقة من المادة إلى حدوث تغيير فيزيائي حيث تنتقل المادة من حالة إلى أخرى. على سبيل المثال ، تؤدي إضافة الطاقة الحرارية (الحرارة) إلى الماء السائل إلى تحويله إلى بخار أو بخار (غاز). وإزالة الطاقة من الماء السائل يجعلها جليدًا (صلبًا). يمكن أن تحدث التغيرات الجسدية أيضًا بسبب الحركة والضغط ، وفقًا لـ العلوم المختصرة لطلاب المدارس الثانوية (يفتح في علامة تبويب جديدة) بواسطة H.Messel.
الذوبان والتجميد
عندما يتم تطبيق الحرارة على مادة صلبة ، تبدأ جزيئاتها في الاهتزاز بشكل أسرع وتتحرك بعيدًا عن بعضها. عندما تصل المادة إلى تركيبة معينة من درجة الحرارة والضغط ، نقطة انصهارها ، تبدأ المادة الصلبة في الذوبان وتتحول إلى سائل.
عندما تكون حالتان من المادة ، مثل الحالة الصلبة والسائلة ، عند درجة حرارة وضغط التوازن ، فإن الحرارة الإضافية المضافة إلى النظام لن تؤدي إلى زيادة درجة الحرارة الكلية للمادة حتى تصل العينة بأكملها إلى نفس الحالة الفيزيائية ، وفقًا للموسوعة بريتانيكا (يفتح في علامة تبويب جديدة). على سبيل المثال ، عندما تضع الثلج في كوب من الماء وتتركه في درجة حرارة الغرفة ، سيصل الثلج والماء في النهاية إلى نفس درجة الحرارة. عندما يذوب الجليد من الحرارة القادمة من الماء ، سيبقى عند 32 درجة فهرنهايت (0 درجة مئوية) حتى يذوب مكعب الثلج بالكامل قبل الاستمرار في التسخين.
عند إزالة الحرارة من السائل ، تتباطأ جزيئاته وتبدأ في الاستقرار في مكان واحد داخل المادة. عندما تصل المادة إلى درجة حرارة كافية عند ضغط معين ، نقطة التجمد ، يصبح السائل صلبًا.
تسامي
عندما يتم تحويل مادة صلبة مباشرة إلى غاز دون المرور بمرحلة سائلة ، تُعرف العملية باسم التسامي. قد يحدث هذا إما عندما تزداد درجة حرارة العينة بسرعة إلى ما بعد نقطة الغليان (التبخر الوميضي) أو عندما يتم “تجميد التجفيف” عن طريق تبريدها في ظروف فراغ بحيث يخضع الماء الموجود في المادة للتبخير وإزالته من العينة بحسب هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (يفتح في علامة تبويب جديدة). ستخضع بعض المواد المتطايرة للتسامي في درجة حرارة الغرفة وضغطها ، مثل التجميد كربون ثاني أكسيد ، أو ثلج جاف.
تبخير
التبخير هو تحويل السائل إلى غاز ويمكن أن يحدث من خلال أي منهما التبخر أو الغليان (يفتح في علامة تبويب جديدة)وفقًا لموسوعة بريتانيكا.
نظرًا لأن جسيمات السائل في حركة مستمرة ، فإنها كثيرًا ما تصطدم ببعضها البعض. يتسبب كل تصادم أيضًا في نقل الطاقة ، وعندما يتم نقل طاقة كافية إلى جزيئات بالقرب من السطح ، فقد يتم إبعادها تمامًا عن العينة كجزيئات غاز حرة. تبرد السوائل مع تبخرها لأن الطاقة المنقولة إلى جزيئات السطح ، والتي تتسبب في هروبها ، تنجرف معها.
يغلي السائل عند إضافة حرارة كافية إلى السائل لتتسبب في تكوين فقاعات بخار تحت السطح. هذه نقطة الغليان هي درجة الحرارة والضغط التي يتحول عندها السائل إلى غاز.
التكثيف والترسب
يحدث التكثيف عندما يفقد الغاز الطاقة ويتحد معًا لتشكيل سائل ، وفقًا للمسح الجيولوجي الأمريكي. على سبيل المثال ، يتكثف بخار الماء في الماء السائل ، والمعروف باسمه قطرة ندى.
يحدث الترسب عندما يتحول الغاز مباشرة إلى مادة صلبة ، دون المرور بالمرحلة السائلة. يتحول بخار الماء إلى جليد أو صقيع عندما يكون ملامس الهواء مادة صلبة ، مثل شفرة من العشب ، أبرد من بقية الهواء.
مصادر إضافية
تم تحديث هذه المقالة في 20 أكتوبر 2022 بواسطة Tia Ghose.