حالات المادة وخصائص كل حالة والحالات الحديثة والممكنة وعند الطاقة العالية للمادة

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.