آشنایی با پنج تعریف اساسی از ماده

• توسط : محبوبه خاوری
• در : ۱۳۹۹-۰۴-۰۱
• در : اخبار علمی و آموزشی طبیعت علمی

ماده چیست؟
این سوال شاید شما را به سال های دور ببرد و خاطرات دوران دبستان و فصل های اول کتاب علوم را زنده کند. یکی از تعریف های جهانی در پاسخ به سوال این که ماده Matter چیست این است که ماده همان چیزهایی است که جهان را تشکیل می دهد؛ به عبارتی هر چیزی که حجم و جرم داشته باشد ماده نامیده می شود. در این مقاله می خواهیم بیشتر ماهیت و چیستی ماده را بشناسیم و در کنار آن به آشنایی با پنج تعریف اساسی از ماده و درک عمیق تری نسبت به این که ماده چیست پیدا نماییم.

همان طور که می دانید همه مواد از اتم ها تشکیل شده اند و هر چیزی که بر روی کره زمین می بینید از آب گرفته تا هوایی که در اطراف ما جریان دارد و ما آن را تنفس می کنیم؛ اشیایی که در پیرامون مان آن ها را لمس می نماییم و حتی خود ما از ذرات بسیار ریزی تشکیل شده ایم که علم آن را اتم می نامد. خود این اتم ها نیز به ذرت کوچکتری تقسیم می شوند که پروتون، نوترون و الکترون نام دارند.
به گفته دانشگاه ایالتی واشنگتن در ایالات متحده آمریکا، اتم ها برای تشکیل مولکول ها که بلوک های ساختاری انواع مواد محسوب می شوند گرد هم جمع شده و یم ساختار مولکولی را ایجاد می نمایند. هم اتم و هم مولکول ها توسط نوعی از انرژی پتانسیلی به نام انرژی شیمیایی در کنار هم قرار می گیرند. برخلاف انرژی جنبشی، که انرژی یک جسم در حال حرکت است، انرژی پتانسیل ماهیتی کاملاً خلاف آن دارد. انرژی پتانسیل در حقیقت انرژی بالقوه انرژی ذخیره شده در یک جسم است.

نمی دانم چقدر از کتاب علوم دوران دبستان به خاطرتان مانده است اما شاید یادتان باشد که ماده دارای چهار حالت طبیعی جامد، مایع، گاز و پلاسما است. اما خوب است به حالت پنجم ماده نیز اشاره نماییم که از آن به عنوان چگالش بوز-انیشتین یاد می شود.

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

مواد جامد

در یک ماده جامد ذرات تشکیل دهنده ماده کاملا در کنار یکدیگر نزدیک اند و هیچ گونه حرکتی ندارند؛ در این گونه مواد گرچه الکترون های هر اتم دائما در حال حرکت هستند اما اتم ها دارای لرزش بسیار ناچیزی اند و لذا در موقعیت خود ثابت هستند و به همین دلیل است که دلیل ذرات موجود در مواد جامد از انرژی جنبشی بسیار کمی برخوردار هستند.

بیشتر بخوانید : فیزیک دانان کلاس جدیدی از نوترینو های خورشید را مشاهده کرده اند

مواد جامد دارای شکل مشخص و همچنین جرم و حجم هستند و مطابق با شکل ظرفی که در آن قرار داده می شوند در نمی آیند؛ علاوه بر این مواد جامد چگالی بالایی دارند به این معنی که ذرات محکم در کنار هم قرار گرفته اند.

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

مواد مایع

در مواد مایع ذرات نسبت به مواد جامد سست تر هستند و می توانند به گردش در اطراف یکدیگر بپردازند و همین قابلیت هم به مواد مایع این امکان را می دهد که به اشکال مختلفی در بیایند؛ لذا مایعات به شکل ظرفی که در آن ریخته می شوند در می آیند.
بر خلاف مواد جامد، مایعات (که اکثر آنها چگالی کمتری نسبت به مواد جامد دارند) برای فشرده سازی بسیار عالی عمل می کنند.

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

مواد گازی

در یک ماده گازی، فضای بسیار زیادی میان ذرات تشکیل دهنده ماده وجود دارد؛ اتم های گازی از انرژی جنبشی بالایی برخوردار هستند. مواد گازی شکل و حجم مشخصی ندارند؛ اگر محدودیتی وجود نداشته باشد ذرات گاز می توانند به صورت نامحدود پخش شوند.

اگر ماده گازی در یک ظرف ریخته شود در صورتی که محدودیتی وجود داشته باشد آنگاه ماده گازی قادر است حجم خود را تا پر کردن ظرف گسترش دهد. اگر فضای ظرفی که گاز در آن قرار داده شده است فشرده و محدود شود آنگاه فضای بین ذرات گازی کاهش می یابد و گاز فشرده می شود.

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

پلاسما

طبق گفته آزمایشگاه جفرسون ایالات متحده، پلاسما یکی از مواد رایج و ملموس در کره زمین نیست اما ممکن است شایع ترین حالت ماده در جهان باشد. زیرا همه ستارگان در حقیقت توپ های بسیار گرمی از پلاسما هستند.
پلاسما از ذرات پر بار با انرژی جنبشی بسیار بالا تشکیل شده است. گازهای نجیب (هلیوم ، نئون ، آرگون ، کریپتون ، زنون و رادون) اغلب برای ایجاد علائم درخشان با استفاده از برق برای یونیزه کردن آن ها به حالت پلاسما استفاده می شوند.

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

چگالش بوز-انیشتین

چگالش بوز-انیشتین (BEC) در سال ۱۹۹۵ توسط چندین دانشمندان مطرح شد. اریک کرنل و کارل ویمان دانشمندان موسسه مشترک آزمایش های اخترفیزیک آزمایشگاهی (JILA) در بولدر کلرادو، با استفاده از ترکیبی از لیزر و آهنربا، نمونه ای از روبییدیوم را تا چند درجه از صفر مطلق خنک کردند. در این دمای بسیار پایین حرکت مولکولی متوقف می شود و از آن جا که تقریباً هیچ انرژی جنبشی از یک اتم به اتمی دیگر منتقل نمی شود اتم ها شروع به جمع شدن می کنند در نتیجه این اعمال دیگر هزاران اتم جداگانه وجود ندارد بلکه فقط یک “اَبَر اتم” باقی می ماند.

بیشتر بخوانید : آشنایی با نظریه نسبیت انیشتین

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

از چگالش بوز-انیشتین برای مطالعه مکانیک کوانتومی در سطح ماکروسکوپی استفاده می شود. به نظر می رسد نور با گذشت از چگالش بوز-انیشتینکند می شود و به دانشمندان امکان می دهد پارادوکس ذرات / موج را مطالعه کنند. چگالش بوز-انیشتینهمچنین دارای بسیاری از خواص یک منبع رواناب یا سیال است که بدون اصطکاک جریان می یابد و علاوه بر این  چگالش بوز-انیشتین برای شبیه سازی شرایطی که در سیاه چاله ها وجود دارد استفاده می شود.

تبدیل یک حالت از ماده به یک حالت دیگر

افزودن یا از بین بردن انرژی از ماده موجب حرکت ماده از حالت به حالت دیگر و تبدیل آن زا یک حالت به حالت دیگر می شود. به عنوان نمونه یکی از نمونه ای ساده و روشن تبدیل حالت های ماده به یکدیگر در اثر از بین بردن یا افزودن انرژی به آن ها، نمونه بارز اشکال مختلف آب است؛ برای مثال افزودن انرژی حرارتی (گرما) به آب (که به صورت طبیعی مایع است) باعث می شود که حالت آن تغییر نماید و تبدیل به بخار آب (حالت گاز) تبدیل شود. قرار دادن آب در دمای پایین نیز موجب تبدیل شدن آن به یخ (حالت جامد) می شود.

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

ذوب و انجماد

هنگامی که انرژی گرمایی بر روی مواد جامد اعمال می شود آنگاه ذرات آن سریع تر لرزش می کنند؛ علاوه بر این گرما سبب می شود که این ذرات بتوانند از هم فاصله گرفته و دور شوند. هنگامی که ماده به ترکیب خاصی از دما و فشار برسد و اصطلاحاً به نقطه ذوب خود برسد؛ آنگاه از حالت جامد بودن فاصله گرفته و حالت آن از جامد تبدیل به مایع می شود.

هنگامی که دو حالت ماده مانند جامد و مایع در دمای تعادل و فشار قرار دارند؛ گرمای اضافه شده به سیستم باعث نمی شود تا دمای کلی ماده افزایش یابد تا این که کل نمونه به همان حالت فیزیکی برسد. به عنوان مثال وقتی یخ را درون یک لیوان آب می گذارید و آن را در دمای اتاق قرار می دهید، سرانجام یخ و آب به همان درجه حرارت می رسند. از آن جا که یخ از گرمای حاصل از آب ذوب می شود تا صفر درجه سانتیگراد باقی می ماند تا اینکه تمام قطعه های یخ قبل از گرم شدن همچنان ذوب شوند.

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

هنگامی که گرما از یک مایع خارج می شود ، ذرات آن کند می شوند و در یک محل درون ماده شروع به استقرار می کنند و نیز هنگامی که ماده تحت فشار مشخصی سرد شود و دمای خود را از دست بدهد آنگاه به نقطه انجماد خود می رسد و اگر حالت ماده داشته باشد به صورت جامد در می آید.

بیشتر مایعات با یخ زدن منقبض می شوند. با این وجود آب هنگام یخ زدگی در یخ منبسط می شود و باعث می شود مولکول ها از هم دور شوند و این موضوع تراکم میان آن ها را کاهش می دهد و همین موضوع هم سبب می شود که یخ بر روی آب شناور بماند.
افزودن مواد اضافی مانند نمک در آب می تواند نقاط ذوب و انجماد آن را تغییر دهد. به عنوان مثال افزودن نمک به برف باعث کاهش دمای یخ می شود و همین ویژگی سبب می شود که در طول زمستان و با پاشیدن نمک به سطح جاده های یخ زده از لغزندگی بیش از حد آن ها و ایجاد سوانح رانندگی برای رانندگان جلوگیری به عمل آید.

نقطه سه گانه

نقطه سه گانه یا triple point، حالتی است که در آن دما و فشار مربوط به سه فاز ماده با هم در تعادل ترمودینامیکی قرار می گیرند و در آن حالت های جامد، مایع و گاز همه به طور همزمان وجود دارند. جامد، مایعات و گازها همه به طور همزمان وجود دارند. به عنوان مثال آب در هر سه حالت آن با دمای ۲۷۳٫۱۶ کلوین و فشار ۶۱۱٫۲ پاسکال وجود دارد.

تصعید

هنگامی که یک جامد بدون عبور از یک فاز مایع مستقیماً به یک گاز تبدیل شود آنگاه می گوییم که فرآیند تصعید رخ داده است. این موضوع ممکن است در شرایطی اتفاق بیفتد که دمای نمونه به سرعت به فراتر از نقطه جوش برسد و عمل تبخیر سریع رخ دهد.

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

تبخیر

تبخیر تبدیل مایعات به گاز است. از آنجا که ذرات یک مایع در حرکت ثابت هستند ، غالباً با یکدیگر برخورد می کنند. هر برخورد باعث انتقال انرژی نیز می شود و هنگامی که انرژی کافی به ذرات نزدیک به سطح منتقل گردد؛ ذرات ممکن است به عنوان ذرات گاز آزاد به طور کامل از نمونه جدا شوند. مایعات با تبخیر از بین می روند زیرا انرژی منتقل شده به مولکول های سطح که باعث فرار آن ها می شود؛ با آن ها از بین می رود.
هنگامی که گرمای کافی به مایع اضافه شود مایع جوش می آید تا باعث ایجاد حباب بخار در زیر سطح شود و ماده به نقطه جوش خود نزدیک شود؛ در نقطه جوش است که مایع تبدیل به گاز می شود.

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

چگالش و تبلور

چگالش زمانی اتفاق می افتد که یک گاز انرژی خود را از دست می دهد و برای تشکیل مایع جمع می شود. به عنوان مثال ، بخار آب درون آب مایع متراکم می شود.

بیشتر بخوانید : جهان چگونه به وجود آمد؟

پنج تعریف اساسی از ماده – ماده چیست

تبلور هنگامی اتفاق می افتد که یک گاز مستقیماً به یک جامد تبدیل شود بدون آنکه از مرحله مایع شدن گذر کند. برای مثال تبدیل شدن بخار آب موجود در هوا به بلورهای یخی جامد که به صورت تگرگ و یخ از آسمان فرو می ریزند نمونه ای از فرآیند تبلور هستند.