مقدمه

اولين تقسيم بندي براي حالات ماده توسط ارسطو مطرح شد.او براي توصيف جهان به صورت سيستم منظم و قابل فهم، مواد موجود در طبيعت را به چهار عنصر اصلي که بر اساس حالت آنها پايه ريزي شده بود، تقسيم کرد.اين چهار حالت به شرح زير بودند:
1.آب
2.خاک
3.باد
4.آتش
اين سيستم تقسيم بندي ارسطو اگر چه ممکن است ساده لوحانه به نظر برسد، ولي بشر را بيش از 100 سال راضي نگهداشت.با پيشرفت علوم پايه به خصوص شيمي و فيزيک و افزايش بينش انسان و درک او از طبيعت اين نظريه منسوخ گشته و تقسيم بندي جديدي براي حالات ماده مطرح شد که ماده را به سه حالت جامد، مايع و گاز تقسيم مي کرد.
امروزه اگر از يک دانش آموز دبيرستاني(با توجه به مطالبي که در کتب خوانده است)در مورد حالات ماده سؤال کنيم، او به خوبي سه حالت ماده را براي ما تشريح خواهد کرد.اين دانش آموز در پاسخ به ما مي گويد:جامدها شکل ثابتي دارند و از نظر فيزيکي سخت و در برخي موارد مانند فلزات قابليت چکش خواري دارند.مايع شکل خاصي ندارد و به آساني جريان مي يابد.شکل ظرف را به خود مي گيرد، ولي تقريباً تراکم ناپذير است.گازها داراي شکل خاصي نيستند، تراکم پذيرند، اگر در ظرفي وارد شوند، به طور کامل در ظرف پخش شده و تمام حجم ظرف را پر مي کنند.
حال اگر از او بپرسيم در مورد ساير حالات ماده به ما توضيح دهد(در صورتي که مطالعه غيردرسي نداشته باشد)قريب به يقين به ما خواهد گفت که از حالات جديد بي اطلاع است، ولي بايد به اين نکته توجه داشت که تاکنون 6 حالت براي ماده کشف شده است که سه حالت جديد آن تا اواسط قرن 19ناشناخته بود.سه حالت جديد ماده به ترتيب عبارتند از:
1.پلاسما
2.چگال بوز اينشتين
3.چگال فرميوني
در اين مقاله با توجه به اهميت حالت مواد و رفتار آنها سعي شده است که سه حالت جديد ماده معرفي شوند.در طي مقاله، در بعضي موارد به اجبار وارد مباحثي از فيزيک کوانتومي خواهيم شد که اين امر غيرقابل اجتناب است.البته بايد اين نکته را متذکر شد که دو علم فيزيک و شيمي مکمل هم هستند و به صورت غيرقابل انکاري با يکديگر پيوند خورده اند.اين امر در مباحث ذرات اتمي و زيراتمي و بررسي مدلهاي اتمي کاملاً مشهود است.

حالت چهارم ماده(پلاسما)

چهارمين حالت ماده در سال 1987(؟!!)  توسط ويليام کروکس کشف شد.کروکس اولين کسي بود که درباره اثرات الکتريسيته بر گازها تحقيق کرد.او در آزمايشات خود از ابزاري که لامپ تخليه ناميده مي شود، استفاده کرد.اين لامپ بيشتر به لامپ هاي مهتابي امروزي شباهت داشت.او در آزمايشهاي خود متوجه شد که گاز درون لامپ پس از گذشت مدتي، ديگر مثل قبل رفتار نمي کند و رفتار آن با استفاده از قوانين گازهاي نجيب قابل توجيه نيست.پس از چندي متوجه شد که با حالت جديدي از ماده سرو کار دارد.
واژه پلاسما از ريشه يوناني کلمه پلاسين مشتق شده که به معني شکل گرفتن و قالب پذيرفتن است.پلاسما به زبان امروزي چيزي بي شکل است که مي تواند توسط نيروهاي خارجي شکل مشخصي پيدا کند و قالب بپذيرد.کروکس پس از کشف حالت جديد ماده نام خاصي براي آن تعيين نکرد تا در سال 1928 دانشمند آمريکايي-لانگ موير(1957-1881)آزمايشاتي شبيه آزمايشات کروکس انجام داد و متوجه صحت نظريه کروکس شد.او از واژه قديمي پلاسما مفهوم تازه اي آفريد و حالت چهارم ماده را پلاسما ناميد.
طبق نظريه کوانتومي الکترونها در اطراف هسته اتم در سطح انرژي خاصي در حال حرکتند و هر الکترون با توجه به انرژي که دارد در يکي از سطوح انرژي قرار مي گيرد.با افزايش ميزان انرژي، الکترون از سطح انرژي پايين تر به سطوح بالاتر صعود مي کند.طبق اين نظريه اين سطوح انرژي تا بينهايت ادامه دارند.پس مي توان به يک الکترون تا حدي انرژي داد که سطح انرژي آن بينهايت گردد يا به عبارت ديگر ميزان انرژي آن به حدي برسد که از هسته اتم کنده شود.در اين حالت اصطلاحاً گويند اتم يونيزه شده و داراي بار مثبت است.مهمترين راه، دادن انرژي به اتم يا مولکول از طريق حرارت است.(حدود 2000 درجه سانتي گراد)
حال اگر ما به حالت گازي يک عنصر آنقدر انرژي بدهيم تا الکترونهاي آن از هسته کنده شده و اتم به صورت يون +Xn درآيد، در اين صورت ماده از حالت سوم خود(گاز)وارد حالت چهارم(پلاسما)مي شود.البته بايد به اين نکته توجه داشت که در حالت پلاسما انرژي زيادي به ملکولهاي گاز داده شده است و تمام پيوندهاي موجود در بين اتم هاي آن شکسته شده است.پلاسما بسياري از خواص گاز را دارا مي باشد.مي توان گفت پلاسما دو ويژگي عمده دارد که آن را از گاز متمايز مي سازد،اين دو ويژگي به شرح زير است:
1-در پلاسما الکترونها از هسته جدا بوده و به صورت مستقل عمل مي کنند، پس هسته اتم در دريايي از الکترونها شناور شده و به دليل وجود الکترونهاي غير مستقر، پلاسما رساناي جريان الکتريسيته مي شود در صورتي که گازها عايق براي جريان الکتريسيته اند.
2-در پلاسما الکترونها و هسته اتم مستقل از هم هستند و به طور کلي مي توان آنها را جدا از هم در نظر گرفت.اين يونها و الکترونها ميتوانند با نيروهاي الکتريکي، مغناطيسي و الکترومغناطيسي هماهنگ شده و به حرکت درآيند و بر هم نيرو وارد کنند، ولي طبق نظريه جنبشي گازها ،مولکولهاي گازها بر هم نيرو وارد نمي کنند.اين خاصيت پلاسما باعث مي شود که بتوان با استفاده از پلاسما جريان الکتريکي توليد کرد(مولد MHD)البته بايد اين نکته را در نظر داشت که به دليل برابري تعداد الکترونها و پروتنها در پلاسما در اتم پلاسما در حالت کلي از نظر الکتريکي خنثي است.بايد به اين نکته توجه داشت که تمام لامپهاي کاتدي، نئوني، مهتابي و …که در آنهاهيچ ارتباطي بين کاتد و آند وجود ندارد، از اين خاصيت پلاسما استفاده مي کنند، البته در اين لامپها گاز به صورت کامل به پلاسما تبديل نمي شود بلکه يک تعادل بين گاز و پلاسما برقرار است که بر اثر کنده شدن برخي الکترونها و برگشت مجدد آنها به سطوح انرژي کوانتيده نور توليد شده و انرژي اضافه به صورت فوتون نشر مي کند که ما آن را به صورت نور و روشنايي مي بينيم.

بوزونها و فرميونها

عناصر موجود در طبيعت همواره از جهات مختلف مورد مطالعه دانشمندان در رشته هاي مختلف بوده است اين مطالعات تاکنون ادامه داشته و تا نهايت ادامه خواهد داشت.به طور مثال، عناصري که در لايه ظرفيت خود کمتر از 4 الکترون داشته باشند فلزاند و عناصري که بيش از 4 الکترون در اين لايه داشته باشند نافلز خواهند بود.يا عناصري که در لايه ظرفيت خود 8 الکترون دارند، گاز نجيب ناميده مي شود و … .
تقسيم بندي ديگري، عناصر را به بوزونها و فرميونها تقسيم مي کند که بر اساس تعداد الکترونها، پروتونها و نوترونهاي اتم عناصر استوار است.به اين ترتيب اگر مجموع الکترونها، پروتونها و نوترونهاي اتمي زوج باشد، اتم فوق يک بوزن است.
به طور مثال فلز سديم يک بوزن مي باشد، زيرا در حالت عادي داراي 11 الکترون، 11 پروتون و 12 نوترون است که در مجموع برابر 34 مي باشد.البته بوزون با فرميون بودن يک عنصر به ايزوتوپهاي آن نيز بستگي دارد که در اين موارد ايزوتوپ غالب در نظر گرفته مي شود.از بوزونها اصطلاحاً به اتمهاي اجتماعي ياد مي شود، زيرا اين ذرات همواره تمايل دارند حرکت خود را با ذرات مجاور خود هماهنگ کنند.بوزونها همگي در يک تراز انرژي قرار مي گيرند.آنها همواره مي توانند داراي مشخصات کوانتومي يکساني باشند، مانند اعداد کوانتومي، اسپين و …مهمترين ويژگي آنها اين است که اسپين آنها صحيح است و اسپين هاي صحيح اين امکان را دارند تا با همديگر جمع شوند،در حالي که اسپين هاي غيرصحيح فاقد اين ويژگي اند.از اين رو بوزنها براي ادغام شدن، در هم و جفت شدن با هم هيچ مشکلي ندارند.به طور کلي بوزونها داراي حالت کوانتومي واحد هستند.آنها مي توانند يک ابر اتمي بسيار بزرگ بسازند.اين ويژگي بوزونها باعث مي شود که بتوان نحوه به وجود آمدن حالت پنجم ماده را توضيح داد.
فرميونها بر عکس بوزونها داراي تعداد فردي از ذرات زيراتمي هستند، يعني مجموع تعداد الکترونها، پروتونها و نوترونهاي فرميونها عددي فرد است به طور مثال اتم پتاسيم يک فرميون است، زيرا داراي 19 الکترون، 19 پروتون و 21 نوترون است که مجموع آنها برابر 59 است که عددي فرد مي باشد.
فرميونها بر خلاف بوزونها ذراتي ذاتاً منفرد و انزواطلب هستند.تفاوت اساسي فرميونها و بوزونها در حالت کوانتومي مجاز آنهاست.بوزونها مي توانند در يک حالت کوانتومي قرار گيرند ولي فرميونها فاقد اين توانايي هستند.فرميونها بر خلاف بوزونها داراي اسپين غيرصحيح هستند.طبق مدل کوانتومي ساختار دروني اتم، الکترونهاي منفرد که در اوربيتالهاي خالي قرار مي گيرند، داراي اسپين برابر هستند که 1/2+ فرض مي شود.اين اسپين هاي غيرصحيح غيرقابل جمع شدن هستند در حالي که اسپين هاي صحيح جمع پذير مي باشند و اين مساله موجب بروز تفاوت در رفتار بوزونها و فرميونها مي شود.
فرميونها ذرات منزوي هستند.اين ذرات هنگامي که در يک حالت کوانتومي يکسان قرار مي گيرند، بر اساس اصل طرد پائولي يکديگر را دفع مي کنند و اگر ذره اي در اين حالت کوانتومي خاص قرار گيرد به هيچ ذره اي در مجاورت خود اجازه نمي دهد که به آن حالت دست يابد و آن را به شدت مي راند.اين رفتار فرميونها موجب شده است که گروهي آنها را ذرات انزواطلب بنامند.

حالت پنجم ماده

در سال 1995 اخباري مبني بر کشف حالت پنجم ماده توجه تمامي اذهان علمي را به خود جلب کرد.اين حالت ماده مانند چهار حالت قبلي به سادگي در دسترس نبود و خواص عجيب و منحصر به فردي داشت.اين کشف مهم توسط اريک کورنل و کارل ويمن انجام شد.اين دو دانشمند شش سال بعد، يعني در سال 2001 به خاطر اين کشف مهم جايزه نوبل را از آن خود کردند.حالت پنجم ماده چگاليده بوز-اينشتين نام دارد که مجموعه اي است از هزاران ذره فراسرد که در يک حالت کوانتومي واحد قرار دارند، يعني تمام اتمها در اين حالت يکسان عمل کرده و مثل هم هستند، به عبارت ديگر اين ذرات يک ابر اتمي بسيار بزرگ مي سازند.چگاليده بوز-اينشتين از بوزونها تشکيل شده است.همانطور که گفته شد بوزونها ذرات اجتماعي هستند که در حالت کوانتومي واحد به سر مي برند و براي جفت شدن با يکديگر هيچ مشکلي ندارند.بلکه با توجه به خصوصيات منحصربفردشان تمايل زيادي به اين عمل دارند.اريک کورنل و کارل ويمن طي يکسري تحقيقات پس از سردکردن اتمهاي سديم که بوزون هستند، متوجه شدند که اين اتمها در يکديگر فرو رفته و ابر ذره اي را به وجود مي آورند که رفتاري شبيه موج دارند تا ذره اي.
طبق نظريه هاي موجود در صفر مطلق(منهای 273 درجه سانتي گراد)انرژي دروني تمام ذرات برابر صفر است و آنها هيچ حرکت نوساني از خود نشان نمي دهند.کشف چگاليده بوز-اينشتين (BEC)تا حدودي به اين نظريه عينيت بخشيد.در اين حالت نوسان اتمها بسيار کم و فضاي ميان آنها در حد صفر است و اين امر موجب مي شود که نور به سختي و با سرعت کم نسبت به سرعت اصلي خود حرکت کند.علاوه بر آن، اين درهم فرورفتگي موجب سختي شديد و در عين حال شکنندگي ماده مي شود.
اتمهاي بوزون نيز بسيار شکننده بوده و سرعت حرکت نور در آن بسيار کم است.تنها بوزونها هستند که مي توانند در حالت چگاليده بوز-اينشتين، باشند و اين به آن دليل است ک تنها بوزونها هستند که تمايل به جفت شدن و رفتار اجتماعي دارند.فرميون ها که در مقابل بوزون ها قرار دارند اتم هايي انزواطلب مي باشند.مهمترين نتيجه اي که کشف BEC در بر داشت هموار کردن راه براي کشف حالت ششم ماده بود.دانشمندان در طي آزمايش هايي در مورد BEC سعي کردند تا ساير اتمها را نيز به فاز پنجم ببرند و رفتار آنها را در اين فاز مورد بررسي قرار دهند.اين تلاشها سرانجام به کشف حالت ششم ماده انجاميد.
البته بايد به اين نکته اشاره کرد که به علت شرايط بوجود آمده حالت پنجم ماده که نياز به فناوري پيشرفته دارد، تحقيق و آزمايش در مورد آن تنها براي کشورهايي امکان پذير است که به تکنولوژي روز دسترس دارند.اين امر موجب شده است که اطلاعات زيادي در مورد حالت پنجم ماده در دسترس نباشد.همچنين اخبار منتشر شده در رسانه ها نيز در اين مورد کاملاً به طور خلاصه بوده و منابع اطلاعاتي فارسي نيز در اين زمينه بسيار کم است و اين در حالي است که منابع اينترنتي لاتين از ارائه مقالات علمي جامع خودداري مي کنند و تنها چگيده مقالات را ارائه مي دهند.به همين دليل، امکان جمع آوري اطلاعات بيشتر در اين زمينه ميسر نبود لذا در اين مقاله تنها به توضيح چگونگي به وجود آمدن آن اکتفا کرديم.

حالت ششم ماده

يکي از مهم ترين اخباري که در اواخر سال 2004 منتشر شد، خبر دستيابي دانشمندان به حالت ششم ماده بود.گروهي از محققان ناسا به سرپرستي دکتر دبوراجين در دانشگاه کلورادو موفق به مشاهده اين حالت ماده شدند که به آن چگاليده فرميوني (FC)گفته مي شود.
اين گروه با سرد کردن ابري در حدود پانصد هزار اتم پتاسيم تا دماي 50 ميليونم بيشتراز صفر کلوين چگاليده فرميوني را براي اولين بار مشاهده کردند.همانطور که گفته شد، اتمهاي پتاسيم فرميون مي باشد.فرميونها بر اساس اصل طرد پائولي نمي توانند در يک حالت کوانتومي قرار گيرند و در کنار هم باشند ولي در اين دما با اعمال ميدان مغناطيسي خاصي، اين اصل نقص شده و فرميونها با يکديگر جفت مي شوند.اين اتم ها در اين دما به شکل مايع درآمده و بدون هيچ گرانروي به حرکت در مي آيند و اين نشان از ظهور حالت جديدي از ماده است که به اختصار FC مي نامند.
پس از کشف BEC دانشمندان وجود FC و ويژگيهاي آن را پيش بيني کرده بودند.در سال 2001 گروهي به سرپرستي موراي هولند وجود و چگونگي توليد آن را پيش بيني کردند.اين گروه گفتند که اتمهاي چگاليده فرميوني بايد پلي بين ابر رسانايي و BEC باشند.گروه هولند حدس زد که با استفاده از ميدان مغناطيسي مي توان اتمهاي گازي فرميون را طوري تنظيم کرد که رفتاري بين اَبَر رسانايي و BEC از خود نشان دهند.گروه دکتر جين در آزمايشات خود يک ابر گازي متشکل از 500 هزار اتم پتاسيم را تا دماي 50 ميليونم بيشتر از صفر کلوين سرد کردند و سپس با بکار بردن ميدان مغناطيسي با قدرت تشديد ويژه موفق شدند که اتمهاي فرموني را هم محور کنند که پس از اين عمل، جفت شدن فرميونها امکان پذير مي شود و در اين هنگام فرميونها جفت مي شوند که شبيه جفت شدن الکترونهاست که باعث به وجود آمدن اَبَررسانايي مي شود.
برخي رفتارهاي FC شبيه BEC است زيرا هر دو از اتمهايي تشکيل شده اند که در دماهاي پايين به هم مي پيوندند و جسم واحدي را تشکيل مي دهند.ابتدا پيش بيني مي شد که فرميونها پس از چگالش به BEC تبديل شوند ولي مشاهدات تجربي غير از اين بود. برخي از رفتار FC تفاوت زيادي با BEC داشت از جمله جريان يافتن آن بدون گرانروي بود.اينکه رفتار FC تا چه حدود به BEC شباهت داشته باشد، به ميزان جفت شدن فرميونها بستگي دارد.در تحقيقات اخير که در دانشگاه کلورادو انجام گرفته است، از ميدان مغناطيسي ويژه اي استفاده شد که شدت اين ميدان ميزان جفت شدگي فرميونها را تعيين مي کرد.تحت تاثير اين ميدان فرميونها نمي توانند به يکديگر متصل شوند و بوزون به وجود آورند در عوض جفت شدن فرميونها به وسيله رفتار جمعي اتمها صورت گرفته است.از طرف ديگر، براي اينکه مطمئن شوند فرميونهاي زوج به وجود آمده اند يعني بوزون تشکيل نشده است، محققان مجبور بودند که اين اتم ها را به مولکول تبديل کنند.در اين حالت به سرعت يک ميدان مغناطيسي با شدت خاصي که مي توانست چگاليده فرميوني را به مولکولها پيوندي تبديل کند، روي نمونه اعمال مي کردند در همين لحظه يک تله توري که گاز را در خود نگه مي داشت آغاز به کار مي کرد.اين تغييرات ميدان مغناطيسي مي توانست موجب تشکيل مولکول شود ولي به علت سرعت زياد نمي تواند BEC مولکولي را به وجود آورد.
همانطور که گفته شد انتظار مي رفت تا فرميونهاي جفت شده خواصي همانند BEC داشته باشند اما آزمايشات مختلف نشان داد که اتمهايي که ميزان جفت شدگي آنان به حدي بود که نمي توانستند پيوند به وجود آورند، هنوز برخي از خواص فرميوني خود را از دست نداده بودند.در اين حالت يک جفت از فرميونهاي جفت شده مي تواند به جفت ديگر متصل شود و اين جفت شدگي به همين ترتيب ادامه يابد تا باعث تشکيل چگاليده فرميوني شود.
منابع و مآخذ:
1- آقايي، حسين (1376)، مهران آقايي حالتهاي ماده، انتشارات فاطمي، تهران
2- استيفن گازيرويچ (1371)، فيزيک اتمي، ناصر شاه تهماسبي، انتشارات کتابستان، مشهد
3- بن نوا پلاسما (1374)، حالت چهار ماده؛ ماندانا دانش، انتشارات لادن، تهران
4-http://www.sharghnewspaper,com
5-http://www.shrghian.com
6-http://ornl.gov
7-http://www.Mollasadra.persianblog.com
8-http://www.seience.NASA.gov
9-http://www.JAMEJAM.blogfa.com
10-http://www.parssky.com
منبع: نشريه اطلاعات علمي -شماره 359