المحتويات
إخفاء
حالات المادة وخصائص كل ولاية
- صلب: مادة صلبة لها شكل ثابت لأن الجسيمات لا تتحرك إلى الموضع الصحيح ، 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.
- الحالة الغازية: 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 ، يتم تسهيل تقارب جزيئات الغاز ، وتكون كثافة الغاز منخفضة جدًا ، وهناك فجوات كبيرة بين الجزيئات.
- حالة البلازما (السيتوبلازم): حالة فريدة للمادة ، يمكن وصفها بأنها غاز مؤين تكون فيه الإلكترونات حرة وغير مرتبطة 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
- تعد حالات المادة وخصائص كل حالة إحدى الطرق الفريدة التي يمكن أن توجد بها المادة.
- في الحياة اليومية ، يمكننا أن نلاحظ ثلاث حالات جسدية للمعدة الطبيعية: الصلبة والسائلة والغازية. العديد من الحالات الأخرى معروفة ، مثل الزجاج أو الكريستال السائل.
- يمكن العثور على بعض الحالات فقط في ظل ظروف قاسية ، مثل تركيز بوز-آينشتاين ومخفف النيوترون وبلازما كوارك-غلوون.
- يحدث هذا فقط في ظل البرودة الشديدة ، والكثافة الشديدة ، والطاقة العالية للغاية ، على التوالي.
- بعض حالات المادة وخصائص جميع الحالات الأخرى ممكنة ، ولكن حتى الآن ، تظل القائمة الكاملة لجميع الأجسام الطائرة الطائرة نظرية.
- تاريخيا ، تم التمييز على أساس الاختلافات النوعية في الخصائص.
- تحافظ المادة الصلبة على حجم وشكل ثابتين ، وتتماسك الجزيئات المكونة لها (الذرات أو الجزيئات أو الجسيمات الأيونية) معًا وفي 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 ، تحتوي أيضًا على عدد كبير من الأيونات والإلكترونات ، وكلاهما يمكن أن يتحرك بحرية.
- يستخدم مصطلح “المرحلة” أحيانًا بشكل مترادف مع حالة المادة ، ولكن يمكن للنظام أن يحتوي على مراحل متعددة غير قابلة للذوبان في نفس الحالة.
1- الحالة الصلبة
- تتجمع الجسيمات التي تتكون منها هذه الحالة من المادة بالقرب من بعضها البعض وتتماسك معًا بإحكام شديد ، لذلك لا يمكنك تحريك أحد هذه الجسيمات بمعزل عن الجسيمات الأخرى ، باستثناء كمية صغيرة من الطاقة الحركية.
- 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 تأثير عميق عليها.
- مادة صلبة غير متبلورة: مادة صلبة تتكدس فيها الذرات أو الجزيئات أو الأيونات بترتيب منتظم.
- الكريستال البلاستيكي: مادة صلبة جزيئية بترتيب محلي بعيد المدى ، ولكن مع جزيئات مكونة 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 من المادة أكبر من الطاقة الحركية للمادة الصلبة ، وهذه الجسيمات لا تشكل شكلًا معينًا للمادة ، ولكنها مرتبطة ببعضها البعض بشكل ضعيف ، لذلك يمكن اعتماد شكل الحاوية .
- ولكن بالإضافة إلى كونه غير قابل للضغط ، فإنه يحتوي أيضًا على حجم ثابت ومحدود ، مثل مادة صلبة.
- 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 ، حيث يمكن تحريك السائل يدويًا مثل مادة صلبة.
- عندما يتم فحص حالات المادة وخصائص كل حالة تحت المجهر ، تظهر الإلكترونات في حالة ارتباط عشوائي ، كما لو كانت المادة في حالة سائلة.
- هذه المادة الجديدة تسمى Kitif Spindle Quantum Fluid لأن الإلكترونات في المادة دخلت في حالة رقص عشوائية ، والتي لم تتوافق مع الحالة المعتادة في ذلك الوقت.
- لذلك ، تبدأ حالات المادة وخصائص كل حالة في تكوين مادة صلبة ، ولكن بغض النظر عن مدى انخفاض درجة الحرارة المحيطة ، تميل الإلكترونات في المادة إلى أن تكون عشوائية.
- سائل بلوري: خاصية وسيطة بين السائل والبلور ، يمكن أن تتدفق عادة مثل السائل ولكنها تظهر نظامًا طويل المدى.
- النفخ الهجين: سائل وبلوري في الطبيعة مثل البلورة ، جزيئاته البعيدة لها كثافة موحدة ولا يمكن ضغطها.
- مثل السوائل ، تظهر الجزيئات 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 ، فستنتشر عشوائيًا في الفضاء.
- عندما تكون جزيئات الغاز محصورة في حاوية ، فإنها تنتشر لتحتل الحاوية أو جميع أجزاء الحاوية الموجودة فيها.
- عندما يزداد الضغط ، تزداد درجة الحرارة والطاقة الحركية أيضًا.
- أيضًا ، إذا ظل حجم الحاوية ثابتًا وزادت درجة حرارة الجسيمات ، فستزداد 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 ولها طاقة حركية كبيرة ، وغالبًا ما تستخدم الغازات الخاملة النادرة لإنتاج البلازما على الأرض.
- النجوم هي في الأساس كرات نارية بلازما كبيرة.
حالات المادة عند درجات حرارة منخفضة
1- سائل فائق
- 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- تكاثف بوز-آينشتاين
- توقع ألبرت أينشتاين وناث بوز حالة المادة.
- نظرًا لأنها لم تعد تعمل كجسيمات مستقلة ، وتنهار جميع الجسيمات كميًا ، فيمكن وصفها بأنها دالة موجة واحدة ، أي عندما تصل غازات معينة إلى الصفر المطلق.
3- تكاثف الفرمون
- حالتها مشابهة لمكثف 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 الطاقة العالية للمادة
1- المادة المتحللة
- توجد هذه المادة عادة في النجوم تحت ضغط عالٍ جدًا ولها كثافة عالية.
- وتشارك في توليد الخصائص الكمومية لهذه الكائنات.
2- مشكلة الكوارك
- الكوارك هو المكون الرئيسي للبروتون والنيوترون في النواة.
- عندما يتم إطلاق هذه الكواركات من القوة التي تجعلها متماسكة عند كثافة عالية ودرجة حرارة عالية ، فإن هذه الكواركات تمر بمراحل مختلفة من حالات المادة ، وتسمى خصائص كل حالة كواركات المادة.
أحدث الحالات
- مواد Exiton: مدعومة بمبدأ استبعاد Pauli ، تخضع المادة لضغط عالٍ.
- مادة اللوحة الإلكترونية: تقع داخل القزم الأبيض ، ويظل الإلكترون مرتبطًا بالذرة ، ولكن يمكن أن ينتقل إلى الذرات المجاورة.
- مادة قابلة للتحلل: مادة صلبة ذات شكل وحجم محددين بدون وعاء.
- بسبب اضمحلال النيوترونات ، تكون الجسيمات قريبة جدًا من بعضها البعض 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 تكتلات نيوترونية شديدة الكثافة.
- تتحلل النيوترونات الحرة خارج النواة بعمر نصف أقل من 15 دقيقة ، ولكن في النجم النيوتروني ، مثل اللب ، 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.
- المادة الغريبة: 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: مثخن مشابه لأينشتاين بوز ولكنه يتكون من الفرميونات ، والمعروف أيضًا باسم مثخن ديراك-فيرمي.
- يمكن لمبدأ الاستبعاد المتعدد أن يمنع الفرميونات من دخول نفس الحالة الكمومية ، لكن زوجًا من الفرميونات يمكن أن يعمل كبوزون ، ويمكن للعديد منها أن يدخل نفس الحالة الكمومية دون قيود.
- الموصلية الفائقة: عند التبريد إلى درجة حرارة حرجة معينة ، ستظهر مقاومة صفرية وإزالة الحد الأدنى من الحقول المغناطيسية في مواد معينة.
- تعتبر الموصلية الفائقة شرطًا أساسيًا للعديد من المعادن الأساسية.
- سائل الدوران الكمي: على عكس الحالات المضطربة الأخرى ، يمكن للحالة المضطربة في نظام مائع الدوران الكمي التفاعلي أن تحافظ على الاضطراب عند درجات حرارة منخفضة للغاية.
- الفرميون الثقيل: تشكل مواد الفرميون الثقيلة أو أنظمة الفرميون شديدة الارتباط حالة جديدة من المادة.
- يتم تحديدها من خلال انتقالات الطور الكمي وتوضح سلوكيات القياس العالمية من حيث الديناميكا الحرارية وخصائص النقل والاسترخاء.
- يمكن أن تنتمي سوائل الدوران الكمومية ، والبلورات شبه السائلة ، وسوائل فيرمي ثنائية الأبعاد ، والمعادن الثقيلة لغلوكوز الدم ، والموصلات الفائقة الثقيلة إلى حالة جديدة من المادة – مواد صلبة ذات أشكال وأحجام محددة بدون حاويات.
- الجزيئات قريبة جدًا من بعضها: المادة الصلبة لها شكل وحجم معينان ، ولا توجد حاوية والجسيمات قريبة جدًا من بعضها.
- سائل شبكي متوتر: تمتلك الذرات في هذه الحالة ترتيبًا غير مستقر ظاهريًا ، مثل السائل ، لكنها تظل متسقة في الحالة العامة ، مثل المادة الصلبة.
ناقشنا في مقال اليوم حالات المادة وخصائص كل دولة. نتحدث أيضًا عن حالات المادة التقليدية وحالات المادة الحديثة.