ماده چیست؟ توضیح دقیق مفهوم و هر 5 حالت اصلی ماده به زبان ساده

در این مقاله قصد داریم به زبان بسیار ساده، به توضیح دقیق مفهوم و هر 5 حالت اصلی ماده بپردازیم. 4 تا از این حالت‌ها، حالت های طبیعی ماده هستند و حالت پنجم را هم بشر ساخته است!

یکی از اولین چیزهایی که در مدارس تمام کشورها به کودکان آموزش داده می‌شود، ماده و حالت‌های آن است. پس می‌توان ادعا کرد که همه ما کم و بیش با ماده آشنایی داریم. اما این آشنایی لزوما به معنی درک نیست و عدم درک هم همیشه باعث فَرّار بودن آموخته‌ها می‌شود. احتمال دارد که شما هم بسیاری از نکاتی که در مدرسه راجع به ماده آموختید را فراموش کرده باشید. اما حتی اگر همه چیز در رابطه با مفهوم ماده را هم بخاطر دارید، باز هم ممکن است بخاطر پیشرفت سریع و دائمی دنیای علم، برخی آموخته‌های شما اکنون پس از گذشت زمان، بی‌اعتبار شده باشند! به عنوان مثال اکثر ما در مدرسه آموختیم که ماده تنها سه حالت اصلی جامد، مایع و گاز را دارد. اما در حال حاضر جامعه علمی معتقد است که ماده، دارای 5 حالت اصلی است! در این مقاله علاوه‌بر توضیح دوباره مفهوم ماده، هر 5 حالت اصلی ماده را نیز شرح خواهیم داد.

یادآوری مفهوم ماده

اگر بخواهیم مفهوم ماده را به ابتدایی‌ترین شکل ممکن توضیح دهیم، باید بگوییم هر آنچه که در سرتاسر کیهان وجود دارد و دارای حجم و جرم است، به طور کلی یک ماده محسوب می‌شود. خود ماده بلا استثناء از اتم ساخته شده و اتم هم به طور کلی دارای سه جزء سازنده، یعنی پروتون، نوترون و الکترون است. البته اگر بخواهیم بحث را به ابعاد میکرو و زیر اتمی برسانیم، باید بگوییم که خود اجزای سازنده اتم هم دارای اجزای سازنده مخصوص به خود هستند که البته ما در این مقاله، برای جلوگیری از پیچیده شدن بیش از اندازه مطلب، به آن‌ها نمی‌پردازیم.

هنگامی که چند اتم به یکدیگر متصل می‌شوند، یک مفهوم جدید بنام مولکول را بوجود می‌آورند. عاملی که اتم‌ها را به نحوی کنار هم قرار می‌دهد تا تبدیل به مولکول شوند و همچنین عاملی که مولکول‌های گوناگون را برای تشکیل ماده کنار هم نگه می‌دارد، انرژی است. این انرژی، یک گونه مخصوص از انرژی پتانسیل است که به آن انرژی شیمیایی گفته می‌شود. بطور کلی جسمی که در حالت سکون قرار دارد و بی‌حرکت است، دارای انرژی پتانسیل است. اما این انرژی، دائما توانایی تبدیل به انواع دیگر انرژی، مانند انرژی جنبشی را دارد. به عنوان مثال هنگامی که جسم ساکن شروع به حرکت می‌کند، انرژی پتانسیل آن تبدیل به انرژی جنبشی می‌شود.

بررسی 5 حالت اصلی ماده

به طور کلی 5 حالت اصلی برای مواد وجود دارد. این 5 حالت عبارتند از جامد، مایع، گاز، پلاسما و چگالش بوز-انیشتین (Bose-Einstein Condensates) که به BEC شناخته می‌شود. چهار حالت جامد، مایع، گاز و پلاسما حالت‌های طبیعی ماده هستند و حالت BEC توسط بشر و در محیط آزمایشگاهی خلق شده است.

جامد چیست؟

اگر تعداد زیادی اتم را در فضایی محدود قرار دهیم، این اتم‌ها انقدر به یکدیگر نزدیک و فشرده می‌شوند که دیگر عملا توانایی حرکت را از دست می‌دهند. هنگامی که اجزای سازنده یک جسم، توانایی حرکت به طور مستقل را نداشته باشند و طبق یک نظم خاص در کنار یکدیگر قرار بگیرند، آنگاه آن‌ها را به طور جداگانه نمی‌توان جابه جا کرد و تنها ماده‌ای که آن‌ها تشکیل داده‌اند را می‌توان حرکت داد. این ماده در دنیای علم به جامد (Solid) شناخته می‌شود. درواقع عامل سازنده یک ماده جامد، فشردگی و نظم فراوانی است که اتم‌های سازنده آن دارند.

از آنجایی که اجزای سازنده یک جسم جامد، عملا توانایی حرکت کردن را ندارند، در نتیجه انرژی جنبشی موجود در این جسم هم بسیار پایین است. اما صفر نیست! درواقع درست است که اتم‌های موجود در جسم جامد، توانایی حرکت را ندارند اما الکترون‌های موجود در آن‌ها، کماکان به حرکت خودشان ادامه می‌دهند. در نتیجه نکته جالبی که احتمالا در رابطه با جسم جامد نمی‌دانستید این است که جامدها، کاملا ثابت نیستند و در یک فرکانس بسیار پایین و نامحسوس، دائما درحال لرزش هستند!

مایع چیست؟

همانطور که گفت شد، در جسم جامد اتم‌های فراوانی در ناحیه‌ای محدود و کوچک قرار گرفته‌اند اما در مایعات، تعداد معدودی اتم در محدوده‌ای نسبتا بزرگ قرار گرفته‌اند! این محدوده با وجود اینکه توانایی حرکت آزادانه را برای اتم‌های موجود در خودش فراهم می‌آورد اما در هر صورت، هنوز هم “محدود” است. در نتیجه اتم‌های موجود در مایعات تنها به یک میزان معینی می‌توانند از یکدیگر فاصله بگیرند. به همین علت هم یک ماده مایع، دارای ظاهری ثابت نیست.

نکته‌ای که در رابطه با مایعات وجود دارد این است که آن‌ها نه به طور کامل از یکدیگر جدا هستند و نه به طور کامل به یکدیگر چسبیده‌اند. به همین علت، نه می‌توان اجزای سازنده مایعات را به سادگی از یکدیگر جدا کرد و نه می‌توان مانند جامدات، جسمی که آن‌ها تشکیل داده‌اند را به سادگی حرکت داد.

تصویری از فلز زیبا ولی خطرناک جیوه ؛ فلزی که در فشار عادی محیط، بجای حالت جامد، حالت مایع دارد!

گاز چیست؟

سومین حالت ماده که در زندگی روزمره خودمان هم دائما با آن سر و کار داریم، گاز است. اتم‌های موجود در حالت ماده گاز، انقدر از یکدیگر فاصله دارند که دیگر عملا هیچ ارتباط خاصی با یکدیگر برقرار نمی‌کنند و مانند کودکانی که در یک پارک هستند، اتم‌های گاز هم با بی‌نظمی فراوان، به هر جایی که دلشان بخواهد حرکت می‌کنند! اتم‌های گاز بخاطر آزادی عمل و جنب و جوش فراوانی که دارند، واضح است که سرشار از انرژی جنبشی هستند و تا زمانی که نایستند، عملا هیچ انرژی پتانسیل قابل توجهی نمی‌توان در آن‌ها پیدا کرد.

نکته مهم در رابطه با گازها این است که می‌توان آن‌ها را بسیار فشرده‌تر از حالت کنونی خودشان کرد. در دو حالت قبلی، یعنی حالت جامد و مایع، عملا فشرده‌سازی مفهوم چندان خاصی نداشت چرا که در جسم جامد، عملا فضایی برای فشرده‌سازی بیشتر اتم‌ها وجود ندارد و در مایعات هم علی رغم اینکه فضا برای فشرده‌سازی در دسترس است، اما این فضا به اندازه‌ای نیست که بتوان فشرده‌سازی محسوسی انجام داد. اما همانطور که اشاره شد، اتم‌های گازها، درست مانند کودکانی هستند که به یک پارک رفته‌اند. در حالت عادی، حتی اگر تعداد این بچه‌ها بسیار هم کم باشد، باز هم بخاطر عدم رعایت نظم، می‌توانند در سرتاسر پارک پخش شده باشند. اما اگر ما صرفا فضای پارک را کوچک‌تر کنیم، این بچه‌ها هم به یکدیگر نزدیک‌تر خواهند شد. در نتیجه هرچه محیطی که اتم‌های گاز در آن حضور دارند را کوچکتر کنیم، این اتم‌ها هم به هم نزدیک‌تر می‌شوند. پس می‌توان عنوان کرد که گازها را می‌توان بسیار ساده‌تر و البته محسوس‌تر از مایعات یا جامدات، فشرده کرد.

پلاسما چیست؟

سالیان سال باور جامعه علمی بر این بود که در طبیعت، تنها 3 حالت اصلی برای مواد وجود دارد. اما پس از گمانه‌زنی‌هایی که در قرن 19 در رابطه با وجود حالت چهارم ماده زده شد، نهایتا در قرن بیستم و در دهه 1920 یک شیمیدان بنام اروینگ لَنگمویر (Irving Langmuir) پلاسما را به طور جدی بر سر زبان‌ها انداخت. اگر پیشتر هم نام پلاسما به گوشتان خورده و سعی کرده‌اید مفهوم واقعی آن را درک کنید، احتمالا تنها با این جمله مواجه شده‌اید که پلاسما، ترکیبی از گازهای یونیزه شده و الکترون‌های آزاد است. واقعیت هم این است که پلاسما دقیقا همینی است که گفته شد. اما اگر درک کردن این موضوع برایتان سخت است، می‌توانیم کمی مفهوم پلاسما را بازتر کنیم.

برای درک بهتر پلاسما، لازم است که حتما درک مناسبی از گازها داشته باشید. همانطور که پیشتر هم اشاره شد، به حالتی از ماده که در آن اتم‌ها توانایی حرکت آزادانه به هر نقطه‌ای که دلشان می‌خواهد را دارند، گاز گفته می‌شود. واضح است که چنین سامانه‌ای بخاطر حرکت و جنب و جوش دائمی ذرات سازنده‌اش، دارای انرژی جنبشی بسیار زیاد است. در بخش مربوط به توضیح گازها، ما از بی‌نظمی بسیار زیادی که در میان اتم‌های گاز وجود دارد، صحبت کردیم. اما با تمام شیطنتی که این اتم‌ها دارند، دیگر حداقل ساختار اتمی خودشان را حفظ می‌کنند!

اما در پلاسما، اوضاع فرق می‌کند. یک سامانه پلاسما انقدر بی‌نظم است که در آن نه تنها اتم‌ها کاملا آزادانه به هرجایی که می‌خواهند سرک می‌کشند، بلکه حتی الکترون‌های موجود در این اتم‌ها هم می‌توانند از اتم خارج شوند و ماجراجویی شخصی خودشان را آغاز کنند! قطعا می‌دانید که الکترون‌ها دارای بار منفی و پروتون‌های موجود در هسته اتم‌ها هم دارای بار مثبت هستند. پس واضح است که اگر الکترون‌های موجود در یک اتم کمتر بشوند، آنگاه توازن بین بار مثبت و منفی از بین می‌رود و اتم به اصطلاح یونیزه می‌شود. ضمن اینکه الکترون‌هایی که آزاد شده‌اند هم کماکان با همان بار منفی خودشان در سامانه باقی می‌مانند. پس اکنون یک بار دیگر به همان جمله‌ای که در پاراگراف اول این بخش در رابطه با پلاسما گفتیم، باز می‌گردیم: پلاسما ترکیبی از گازهای یونیزه شده و الکترون‌های آزاد است!

بسیاری افراد فکر می‌کنند که پلاسما یک حالت بسیار محدود و کمیاب از ماده است. اما جالب است بدانید که فراوانی پلاسما در کیهان، به مراتب بیشتر از دیگر حالت‌های ماده است. بسیاری از دانشمندان حتی معتقدند که 99 درصد از کیهان را پلاسما تشکیل داده است! درواقع تمام ستاره‌هایی که در آسمان مشاهده می‌کنید، از جمله خورشید خود ما، از جنس پلاسما هستند. اما با این حال در سیاره ما، پلاسما به مراتب کمتر از سه حالت طبیعی دیگر ماده، یعنی جامد، مایع و گاز وجود دارد. دلیل این موضوع به نحوه شکل‌گیری پلاسما برمی‌گردد که در انتهای مقاله به طور کامل به آن خواهیم پرداخت.

اما حالا که با ماهیت پلاسما آشنا شدید، احتمالا این سوال برایتان بوجود آمده که پلاسما چه شکلی است؟ توصیف شکل و ظاهر پلاسما کار سختی است چرا که ما در سیاره خودمان به ندرت آن را دیده‌ایم اما در هر صورت بهترین نمونه طبیعی از پلاسما، رعد و برق است! از نمونه‌های مصنوعی پلاسما که توسط بشر ساخته شده‌اند هم می‌توان به مهتابی‌ها و لامپ‌های درخشان فلورسنت اشاره کرد که البته در آن‌ها توانایی مشاهده خود پلاسما به طور مستقیم را نداریم.

رعد و برق نمونه‌ای از پلاسما است که همه ما آن را بارها و بارها مشاهده کرده‌ایم!

چگالش بوز-انیشتین چیست؟

همانطور که پیشتر هم اشاره شد، از میان 5 حالت اصلی ماده ، تنها 4 حالت آن طبیعی هستند و حالت پنجم که چگالش بوز-انیشتین یا به اختصار BEC نام دارد را بشر خلق کرده است! پس واضح است که این نوع بخصوص از ماده تنها در محیط آزمایشگاهی و آن هم در ابعادی بسیار محدود و کوچک ساخته شده و بجز دانشمندانی که این ماده را خلق کرده یا می‌کنند، هیچ کس دیگری ظاهر و یا ویژگی‌های BEC را به چشم ندیده است.

اما در هر صورت اگر بخواهیم BEC را توصیف کنیم، باید بگوییم که این حالت ماده هم درست مانند حالت پلاسما، از تغییر شاخصه‌های گاز بدست می‌آید. در حالت عادی، اتم‌های گاز دائما در حال حرکت هستند و انرژی جنبشی بسیار بالایی دارند. این انرژی جنبشی باعث می‌شود تا اتم‌های گاز هرگز نتوانند در کنار یکدیگر قرار بگیرند. اما اگر انرژی جنبشی یک سامانه گازی را انقدر کاهش دهیم که به نزدیکی صفر برسد، آنگاه جنب و جوش اتم‌های این سامانه گازی هم به صفر میل می‌کند. هنگامی که اتم‌های موجود در یک سامانه، تقریبا هیچ انرژی جنبشی‌ای نداشته باشند، آنگاه شروع به چسبیدن به یکدیگر می‌کنند. در چگالش بوز-انیشتین، انقدر انرژی جنبشی سامانه گازی کاهش پیدا می‌کند و انقدر اتم‌های این سامانه به یکدیگر نزدیک می‌شوند که دیگر عملا اتم‌های مستقل و جداگانه نیستند! درواقع در چگالش بوز-انیشتین بجای هزاران، میلیون‌ها یا حتی میلیاردها اتم گوناگون، تنها یک اتم عظیم، ملقب به اَبَر اَتُم (Super Atom) خواهیم داشت!

نکته بسیار جالب در رابطه با BEC این است که دانشمندان متوجه شدند سرعت نور در صورت ورود به این حالت خاص از ماده، کاهش پیدا می‌کند! اگر با نظریه نسبیت انیشتین آشنایی داشته باشید، قطعا می‌دانید که حداقل از نظر تئوری و روی کاغذ، کنترل سرعت نور می‌تواند به انواع و اقسام اتفاقات باورنکردنی، مانند کنترل سرعت حرکت زمان، مشاهده گذشته یا آینده و بسیاری موارد این چنینی دیگر ختم شود. به همین دلیل هم هست که فیزیکدانان با ذوق و شوق فراوان درحال بررسی بیشتر چگالش بوز-انیشتین هستند.

اما اگر خیلی کوتاه بخواهیم به دلیل نام‌گذاری حالت پنجم ماده هم بپردازیم، باید بگوییم که آلبرت انیشتین بزرگ همراه با فیزیکدان و ریاضیدان مشهور هندی، ساتیِندرا بوز (Satyendra Bose) احتمال وجود این ماده را حدودا یک قرن پیش پیش‌بینی کرده بود. باوجود اینکه پیش‌بینی وجود این ماده به طور مشترک توسط انیشتین و بوز انجام گرفت، اما با مطالعه تاریخچه شکل‌گیری BEC متوجه می‌شویم که دکتر ساتیندرا بوز نقش پررنگ‌تری در پیش‌بینی آن داشته است. خود این ماده هم در سال 1995، ابتدا توسط دو دانشمند به نام‌های اریک کورنل (Eric Cornell) و کارل وایمن (Carl Wieman) و اندکی بعد توسط ولفگنگ کترل (Wolfgang Ketterle) ساخته شد. درست است که در نام BEC هیچ اثری از این سه دانشمند مشاهده نمی‌شود اما در هر صورت آن‌ها مزد زحمات خودشان را با دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال 2001 دریافت کردند!

تصویری فرضی از حالت پنجم ماده؛ چگالش بوز-انیشتین

تغییر حالت ماده

همانطور که احتمالا تا همین حالا هم متوجه شده‌اید، اصلی‌ترین عاملی که ویژگی‌های یکی از 5 حالت اصلی ماده را به یک سامانه می‌دهد، میزان بی‌نظمی یا آنتروپی موجود در آن سامانه است. عوامل زیادی در تعیین میزان آنتروپی یک سامانه نقش دارند، به عنوان مثال با تغییر فشار و یا صرفا حرکت دادن یک سامانه هم می‌توان آنتروپی یا بی‌نظمی آن را کاهش یا افزایش داد. اما یکی از اصلی‌ترین عامل‌های تغییر آنتروپی سامانه که به سادگی هم می‌توان آن را درک کرد، نوع و میزان انرژی موجود در آن سامانه است. به طور کلی هرچه انرژی جنبشی یک سامانه بالاتر باشد، اتم‌های آن سامانه هم حرکت بیشتری دارند و در نتیجه آنتروپی یا بی‌نظمی آن سامانه هم بیشتر است. هرچه هم انرژی پتانسیل سامانه بیشتر باشد، اتم‌های موجود در آن هم با نظم و آرامش بیشتری کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و میزان بی‌نظمی سامانه را به حداقل می‌رسانند.

به عنوان مثال یک لیوان آب را در نظر بگیرید. با گرم کردن این لیوان آب، ما درواقع میزان حرکت اتم‌های موجود در آن را افزایش می‌دهیم. با این کار، انرژی جنبشی موجود در لیوان آب، بالاتر می‌رود و در نهایت انقدر بین اتم‌های موجود در آن بی‌نظمی بوجود می‌آید که اتم‌ها همدیگر را از سامانه به بیرون پرتاب می‌کنند! به این ترتیب پدیده تبخیر (Vaporization) رخ می‌دهد و به زبان ساده‌تر، مایع به گاز تبدیل می‌شود.

حال اگر سرعت حرکت اتم‌های همین لیوان آب را با سرد کردن آن کاهش دهیم، آنگاه انرژی جنبشی و بی‌نظمی موجود در میان اتم‌ها هم کاهش پیدا می‌کند. این موضوع در نهایت به یخ زدن آب یا رخ دادن پدیده انجماد (Freezing) منجر می‌شود.

این موضوع نه فقط در رابطه با آب یا مایعات، بلکه در رابطه با هر 5 حالت اصلی ماده رخ می‌دهد. به عنوان مثال یک جسم جامد را هم می‌توان با افزایش آنتروپی موجود در آن، به اصطلاح ذوب (Melting) و به مایع تبدیل کرد. اگر این افزایش بی‌نظمی به طور ناگهانی و به میزان بسیار زیادی صورت بگیرد، آنگاه پدیده تصعید (Sublimation) رخ می‌دهد و سامانه جامد، به طور مستقیم به یک سامانه گازی تبدیل می‌شود.

در رابطه با گازها هم دقیقا اوضاع به همین منوال است. عاملی که باعث میعان (Condensation) یا تبدیل گاز به مایع می‌شود، صرفا کاهش انرژی جنبشی و سرعت حرکت اتم‌ها و در نتیجه افزایش نظم سامانه است. درست برعکس اتفاقی که برای یک سامانه جامد رخ می‌داد هم می‌تواند برای یک سامانه گازی رخ دهد. یعنی اگر یک سامانه گازی به طور ناگهانی، بخش بسیار زیادی از انرژی جنبشی خودش را از دست بدهد، آنگاه ممکن است به طور مستقیم به حالت جامد، به اصطلاح تغییر فاز دهد. به تغییر فاز مستقیم حالت گاز به حالت جامد، چگالش (Deposition) گفته می‌شود.

اصول کار در رابطه با دو حالت کمتر شناخته شده از 5 حالت اصلی ماده یعنی پلاسما و چگالش بوز-انیشتین هم تا حد بسیار زیادی، مشابه همین موضوع است.

اگر میزان انرژی جنبشی و بی‌نظمی موجود در یک سامانه گازی انقدر افزایش پیدا کند که الکترون‌ها هم از داخل اتم‌ها خارج شوند، آنگاه آن سامانه گازی به یک سامانه پلاسمایی تبدیل می‌شود. در پدیده‌های طبیعی، معمولا گرمای بیش از حد باعث ایجاد چنین حجم غیرقابل تصوری از آنتروپی می‌شود. درواقع دلیل اینکه ما در سیاره خودمان به ندرت آثاری از پلاسمای طبیعی مشاهده می‌کنیم هم همین موضوع است. اگر قرار بود شرایط جوی کره زمین به نحوی باشد که پلاسما در آن به طور طبیعی و در ابعاد گسترده شکل بگیرد، آنگاه سیاره ما عملا مانند خورشید و دیگر ستاره‌های سوزان می‌شد. احتمالا در آن شرایط، ما انسان‌ها یک مقدار سخت‌تر می‌توانستیم در کره زمین زندگی کنیم!

اما در پلاسماهای مصنوعی که توسط بشر ساخته می‌شوند، معمولا از الکتریسیته برای دستکاری بار موجود در اتم‌ها استفاده می‌شود. به عنوان مثال برای ساخت لامپ‌های کم مصرف فلورسنت یا تابلوهای تبلیغاتی نئونی، شرکت‌های سازنده با استفاده از الکتریسیته، گازهای نجیب که شامل هلیوم، نئون، آرگون، کریپتون، زنون و رادون می‌شوند را به حالت پلاسما تغییر می‌دهند. نکته جالب این است که هرکدام از این گازهای نجیب، با تغییر فاز به حالت پلاسما، یک رنگ و نور خاص و منحصر به فردی را از خودشان نمایان می‌کنند.

نمایی از یک لامپ کم‌مصرف فلورسنت!

همانطور که در بخش مربوط به چگالش بوز-انیشتین هم توضیح داده شد، برای تغییر فاز گاز به BEC کافی است با کاهش اغراق‌آمیز انرژی جنبشی موجود در سامانه، آنتروپی و بی‌نظمی موجود در آن را به عددی نزدیک به صفر برسانیم. دانشمندان اینکار را با سرد کردن سامانه گازی انجام می‌دهند. جالب است بدانید که برای تبدیل گاز به BEC، گاها لازم است که دمای گاز به صفر مطلق، یا همان صفر کِلوین، یعنی منفی 273.15 درجه سانتی‌گراد برسد!

پس به طور کلی اگر بخواهیم تمام مواردی که در این مقاله گفته شد را جمع‌بندی کنیم، می‌توانیم بگوییم که مفهوم ماده، به هیچ عنوان چیز پیچیده‌ای نیست و به سادگی می‌توان آن را درک کرد. نه فقط مفهوم، بلکه درک ماهیت هر 5 حالت اصلی ماده هم به سادگی قابل انجام است و حتی نحوه و دلیل تغییر این حالت‌ها به یکدیگر هم کاملا با اصول منطق جور در می‌آیند. درواقع همه کاری که ما باید بکنیم این است که مفهوم انرژی جنبشی را درک کنیم و پس از آن دیگر عملا هیچ موضوعی در دنیای ماده غیرقابل درک نخواهد بود!