حالتهای ماده

محققان ناسا حالت جدیدی از ماده را كشف كردند كه حالت چگالیده فرمیونی نام دارد طی مدت زمان طولانی ماده را به سه حالت می شناختند كه عبارت بودند از جامد, مایع و گاز

محققان ناسا حالت جدیدی از ماده را كشف كردند كه حالت چگالیده فرمیونی نام دارد. طی مدت زمان طولانی ماده را به سه حالت می شناختند كه عبارت بودند از جامد، مایع و گاز. اما امروز می دانیم كه این سه حالت تنها نیمی از حالت های شناخته شده هستند و حداقل شش حالت برای ماده وجود دارد. این شش حالت عبارتند از جامد، مایع، گاز، پلاسما، حالت چگالیده، بوز _ اینشتین و حالت چگالیده فرمیونی. دكتر جین دبورا (Jin Deborah) سرپرست گروه دانشمندانی كه چگالش فرمیونی را كشف كردند، درباره یافته های جدید می گوید: دسامبر سال گذشته، زمانی كه حالت جدید را كشف كردیم برای ما اوقات هیجان انگیزی بود گروه ما هم به خاطر هیجان ناشی از پیشرفت های چشمگیر و هم به خاطر رقابت فشرده برای كشف حالت جدید، بسیار سخت كار می كرد تا اینكه نتیجه دلخواه به دست آمد.اگر از دانش آموزان دوره دبیرستان خواص معمولی مواد را بپرسید، در پاسخ می گویند جامد ها شكل ثابتی دارند و از نظر فیزیكی سخت هستند اما قابلیت خرد شدن را هم دارند. مایعات به آسانی جریان می یابند اما متراكم كردن آنها بسیار سخت است ودر هر ظرفی قرار بگیرند شكل آن ظرف را به خود می گیرند. گاز ها كمترین چگالی را در مقایسه با سایر حالات دارند و به آسانی متراكم می شوند. گاز ها نه تنها در هر ظرفی قرار بگیرند شكل ظرفی را به خود می گیرند، بلكه در تمام حجم ظرف پراكنده می شوند و تمام فضای ظرف را اشغال می كنند. چهارمین شكل ماده پلاسماست. این حالت تقریباً گاز مانند است اما اتم های سازنده پلاسما به الكترون ها و یون ها شكافته شده اند. خورشید نمونه ای از حالت پلاسما است. در واقع بیشتر ماده جهان به شكل پلاسما است. پلاسما ها معمولاً بسیار داغ هستند از این رو نمی توان پلاسما را تولید و در ظرف های معمولی نگهداری كرد. پلاسما را با استفاده از میدان مغناطیسی می توان در یك محدوده از فضا حبس كرد.پنجمین شكل ماده، حالت چگالیده بوز _ اینشتین است كه در سال ۱۹۹۵ كشف شد. این حالت از ماده زمانی پدید آمد كه دانشمندان موفق شدند بوز ون ها را تا دمایی بسیار پایین سرد كنند. در دماهای بسیار پایین، بوزون ها به صورت سوپر ذرات منفردی درمی آیند كه بیشتر از آنكه ذره مادی باشند موج مانند به نظر می رسند. این حالت از ماده بسیار شكننده است و نور به آهستگی از میان آن عبور می كند. پس از چند سال از كشف حالت چگالیده بوز _ اینشتین، اینك حالت چگالیده فرمیونی هم به حالت های قبلی اضافه شده است. این شكل از ماده چنان بدیع است كه هنوز اغلب خواص آن ناشناخته است. اما آنچه كه مسلم است این حالت هم در دمای بسیار پایین قابل دسترسی است. دكتر جین و همكارانش برای دستیابی به این حالت جدید، تعداد ۵۰۰ هزار اتم پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ را تا دمایی كمتر از یك میلیونیوم كلوین سرد كردند. این دما بسیار نزدیك به صفر مطلق است. در این حالت اتم های پتاسیم بدون آنكه چسبندگی میان آنها وجود داشته باشد، به صورت مایع جریان یافتند. پایین تر ازاین دما چه اتفاقی می افتد؟ جواب این سئوال را كسی نمی داند. دانشمندان در حال حاضر برای یافتن پاسخ این سئوال به تحقیق مشغول هستند. حالت چگالیده فرمیونی تا حدی شبیه چگالش بوز - اینشتین است.هر دو حالت از اتم هایی تشكیل شده اند كه این اتم ها در دمای پایین به هم می پیوندند و جسم واحدی را تشكیل می دهند. در چگالش بوز - اینشتین اتم ها از نوع بوزون هستند در حالی كه در چگالش فرمیونی اتم ها فرمیون هستند. تفاوت میان بوزون ها و فرمیون ها چیست؟رفتار بوزون ها به گونه ای است كه تمایل دارند با هم پیوند برقرار كنند و به هم متصل شوند. یك اتم در صورتی كه حاصل جمع تعداد الكترون، پروتون و نوترون هایش زوج باشد. بوزون است به عنوان مثال اتم های سدیم بوزون هستند زیرا اتم های سدیم در حالت عادی یازده الكترون، یازده پروتون و دوازه نوترون دارند كه حاصل جمع آنها عدد زوج ۳۴ می شود. بنابراین اتم های سدیم این قابلیت را دارند كه در دماهای پایین به هم متصل شوند و حالت چگالیده بوز - اینشتین را پدید آورند اما از طرف دیگر فرمیون ها منزوی هستند. این ذرات طبق اصل طرد پائولی هنگامی كه در یك حالت كوانتومی قرار می گیرند همدیگر را دفع می كنند و اگر ذره ای در یك حالت كوانتومی خاص قرار گیرد مانع از آن می شود كه ذره دیگری هم بتواند به آن حالت دسترسی یابد.هر اتم كه حاصل جمع تعداد الكترون، پروتون و نوترون هایش فرد باشد، فرمیون است. به عنوان مثال، اتم های پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ فرمیون هستند زیرا دارای ۱۹ الكترون، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع این سه عدد برابر ۵۹ می شود. دكتر جین و همكارانش بر پایه همین خاصیت انزوا طلبی فرمیون ها روشی را پیش گرفتند و از میدان های مغناطیسی كنترل شونده ای برای انجام آزمایش ها استفاده كردند.

---