رساندن دمای مواد به بالاتر از 2000 درجه سانتی گراد موجب کشف حالت چهارم ماده به نام پلاسما گردید و از طرف دیگر، تقسیم بندی عناصر به دو گروه بوزونها و فرمیونها و رساندن دمان دو فلز سدیم(بوزن)و پتاسیم(فرمیون)به دمای نزدیک 273-درجه سانتی گراد(صفر کلوین)موجب کشف دو حالت دیگر برای مواد شد.که با کشف این دو حالت، تحول بسیار عظیمی در بعضی جهات علم بوجود آمد، در این مقاله سعی شده است، چگونگی کشف و تولید هر سه حالت جدید ماده مورد بحث و بررسی قرار گیرد.

مقدمه

اولین تقسیم بندی برای حالات ماده توسط ارسطو مطرح شد.او برای توصیف جهان به صورت سیستم منظم و قابل فهم، مواد موجود در طبیعت را به چهار عنصر اصلی که بر اساس حالت آنها پایه ریزی شده بود، تقسیم کرد.این چهار حالت به شرح زیر بودند:
1.آب
2.خاک
3.باد
4.آتش
این سیستم تقسیم بندی ارسطو اگر چه ممکن است ساده لوحانه به نظر برسد، ولی بشر را بیش از 100 سال راضی نگهداشت.با پیشرفت علوم پایه به خصوص شیمی و فیزیک و افزایش بینش انسان و درک او از طبیعت این نظریه منسوخ گشته و تقسیم بندی جدیدی برای حالات ماده مطرح شد که ماده را به سه حالت جامد، مایع و گاز تقسیم می کرد.
امروزه اگر از یک دانش آموز دبیرستانی(با توجه به مطالبی که در کتب خوانده است)در مورد حالات ماده سؤال کنیم، او به خوبی سه حالت ماده را برای ما تشریح خواهد کرد.این دانش آموز در پاسخ به ما می گوید:جامدها شکل ثابتی دارند و از نظر فیزیکی سخت و در برخی موارد مانند فلزات قابلیت چکش خواری دارند.مایع شکل خاصی ندارد و به آسانی جریان می یابد.شکل ظرف را به خود می گیرد، ولی تقریباً تراکم ناپذیر است.گازها دارای شکل خاصی نیستند، تراکم پذیرند، اگر در ظرفی وارد شوند، به طور کامل در ظرف پخش شده و تمام حجم ظرف را پر می کنند.
حال اگر از او بپرسیم در مورد سایر حالات ماده به ما توضیح دهد(در صورتی که مطالعه غیردرسی نداشته باشد)قریب به یقین به ما خواهد گفت که از حالات جدید بی اطلاع است، ولی باید به این نکته توجه داشت که تاکنون 6 حالت برای ماده کشف شده است که سه حالت جدید آن تا اواسط قرن 19ناشناخته بود.سه حالت جدید ماده به ترتیب عبارتند از:
1.پلاسما
2.چگال بوز اینشتین
3.چگال فرمیونی
در این مقاله با توجه به اهمیت حالت مواد و رفتار آنها سعی شده است که سه حالت جدید ماده معرفی شوند.در طی مقاله، در بعضی موارد به اجبار وارد مباحثی از فیزیک کوانتومی خواهیم شد که این امر غیرقابل اجتناب است.البته باید این نکته را متذکر شد که دو علم فیزیک و شیمی مکمل هم هستند و به صورت غیرقابل انکاری با یکدیگر پیوند خورده اند.این امر در مباحث ذرات اتمی و زیراتمی و بررسی مدلهای اتمی کاملاً مشهود است.

حالت چهارم ماده(پلاسما)

چهارمین حالت ماده در سال 1987 توسط ویلیام کروکس کشف شد.کروکس اولین کسی بود که درباره اثرات الکتریسیته بر گازها تحقیق کرد.او در آزمایشات خود از ابزاری که لامپ تخلیه نامیده می شود، استفاده کرد.این لامپ بیشتر به لامپ های مهتابی امروزی شباهت داشت.او در آزمایشهای خود متوجه شد که گاز درون لامپ پس از گذشت مدتی، دیگر مثل قبل رفتار نمی کند و رفتار آن با استفاده از قوانین گازهای نجیب قابل توجیه نیست.پس از چندی متوجه شد که با حالت جدیدی از ماده سرو کار دارد.
واژه پلاسما از ریشه یونانی کلمه پلاسین مشتق شده که به معنی شکل گرفتن و قالب پذیرفتن است.پلاسما به زبان امروزی چیزی بی شکل است که می تواند توسط نیروهای خارجی شکل مشخصی پیدا کند و قالب بپذیرد.کروکس پس از کشف حالت جدید ماده نام خاصی برای آن تعیین نکرد تا در سال 1928 دانشمند آمریکایی-لانگ مویر(1957-1881)آزمایشاتی شبیه آزمایشات کروکس انجام داد و متوجه صحت نظریه کروکس شد.او از واژه قدیمی پلاسما مفهوم تازه ای آفرید و حالت چهارم ماده را پلاسما نامید.
طبق نظریه کوانتومی الکترونها در اطراف هسته اتم در سطح انرژی خاصی در حال حرکتند و هر الکترون با توجه به انرژی که دارد در یکی از سطوح انرژی قرار می گیرد.با افزایش میزان انرژی، الکترون از سطح انرژی پایین تر به سطوح بالاتر صعود می کند.طبق این نظریه این سطوح انرژی تا بینهایت ادامه دارند.پس می توان به یک الکترون تا حدی انرژی داد که سطح انرژی آن بینهایت گردد یا به عبارت دیگر میزان انرژی آن به حدی برسد که از هسته اتم کنده شود.در این حالت اصطلاحاً گویند اتم یونیزه شده و دارای بار مثبت است.مهمترین راه، دادن انرژی به اتم یا مولکول از طریق حرارت است.(حدود 2000 درجه سانتی گراد)
حال اگر ما به حالت گازی یک عنصر آنقدر انرژی بدهیم تا الکترونهای آن از هسته کنده شده و اتم به صورت یون +Xn درآید، در این صورت ماده از حالت سوم خود(گاز)وارد حالت چهارم(پلاسما)می شود.البته باید به این نکته توجه داشت که در حالت پلاسما انرژی زیادی به ملکولهای گاز داده شده است و تمام پیوندهای موجود در بین اتم های آن شکسته شده است.پلاسما بسیاری از خواص گاز را دارا می باشد.می توان گفت پلاسما دو ویژگی عمده دارد که آن را از گاز متمایز می سازد،این دو ویژگی به شرح زیر است:
1-در پلاسما الکترونها از هسته جدا بوده و به صورت مستقل عمل می کنند، پس هسته اتم در دریایی از الکترونها شناور شده و به دلیل وجود الکترونهای غیر مستقر، پلاسما رسانای جریان الکتریسیته می شود در صورتی که گازها عایق برای جریان الکتریسیته اند.
2-در پلاسما الکترونها و هسته اتم مستقل از هم هستند و به طور کلی می توان آنها را جدا از هم در نظر گرفت.این یونها و الکترونها میتوانند با نیروهای الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی هماهنگ شده و به حرکت درآیند و بر هم نیرو وارد کنند، ولی طبق نظریه جنبشی گازها ،مولکولهای گازها بر هم نیرو وارد نمی کنند.این خاصیت پلاسما باعث می شود که بتوان با استفاده از پلاسما جریان الکتریکی تولید کرد(مولد MHD)البته باید این نکته را در نظر داشت که به دلیل برابری تعداد الکترونها و پروتنها در پلاسما در اتم پلاسما در حالت کلی از نظر الکتریکی خنثی است.باید به این نکته توجه داشت که تمام لامپهای کاتدی، نئونی، مهتابی و ...که در آنهاهیچ ارتباطی بین کاتد و آند وجود ندارد، از این خاصیت پلاسما استفاده می کنند، البته در این لامپها گاز به صورت کامل به پلاسما تبدیل نمی شود بلکه یک تعادل بین گاز و پلاسما برقرار است که بر اثر کنده شدن برخی الکترونها و برگشت مجدد آنها به سطوح انرژی کوانتیده نور تولید شده و انرژی اضافه به صورت فوتون نشر می کند که ما آن را به صورت نور و روشنایی می بینیم.

بوزونها و فرمیونها

عناصر موجود در طبیعت همواره از جهات مختلف مورد مطالعه دانشمندان در رشته های مختلف بوده است این مطالعات تاکنون ادامه داشته و تا نهایت ادامه خواهد داشت.به طور مثال، عناصری که در لایه ظرفیت خود کمتر از 4 الکترون داشته باشند فلزاند و عناصری که بیش از 4 الکترون در این لایه داشته باشند نافلز خواهند بود.یا عناصری که در لایه ظرفیت خود 8 الکترون دارند، گاز نجیب نامیده می شود و ... .
تقسیم بندی دیگری، عناصر را به بوزونها و فرمیونها تقسیم می کند که بر اساس تعداد الکترونها، پروتونها و نوترونهای اتم عناصر استوار است.به این ترتیب اگر مجموع الکترونها، پروتونها و نوترونهای اتمی زوج باشد، اتم فوق یک بوزن است.
به طور مثال فلز سدیم یک بوزن می باشد، زیرا در حالت عادی دارای 11 الکترون، 11 پروتون و 12 نوترون است که در مجموع برابر 34 می باشد.البته بوزون با فرمیون بودن یک عنصر به ایزوتوپهای آن نیز بستگی دارد که در این موارد ایزوتوپ غالب در نظر گرفته می شود.از بوزونها اصطلاحاً به اتمهای اجتماعی یاد می شود، زیرا این ذرات همواره تمایل دارند حرکت خود را با ذرات مجاور خود هماهنگ کنند.بوزونها همگی در یک تراز انرژی قرار می گیرند.آنها همواره می توانند دارای مشخصات کوانتومی یکسانی باشند، مانند اعداد کوانتومی، اسپین و ...مهمترین ویژگی آنها این است که اسپین آنها صحیح است و اسپین های صحیح این امکان را دارند تا با همدیگر جمع شوند،در حالی که اسپین های غیرصحیح فاقد این ویژگی اند.از این رو بوزنها برای ادغام شدن، در هم و جفت شدن با هم هیچ مشکلی ندارند.به طور کلی بوزونها دارای حالت کوانتومی واحد هستند.آنها می توانند یک ابر اتمی بسیار بزرگ بسازند.این ویژگی بوزونها باعث می شود که بتوان نحوه به وجود آمدن حالت پنجم ماده را توضیح داد.
فرمیونها بر عکس بوزونها دارای تعداد فردی از ذرات زیراتمی هستند، یعنی مجموع تعداد الکترونها، پروتونها و نوترونهای فرمیونها عددی فرد است به طور مثال اتم پتاسیم یک فرمیون است، زیرا دارای 19 الکترون، 19 پروتون و 21 نوترون است که مجموع آنها برابر 59 است که عددی فرد می باشد.
فرمیونها بر خلاف بوزونها ذراتی ذاتاً منفرد و انزواطلب هستند.تفاوت اساسی فرمیونها و بوزونها در حالت کوانتومی مجاز آنهاست.بوزونها می توانند در یک حالت کوانتومی قرار گیرند ولی فرمیونها فاقد این توانایی هستند.فرمیونها بر خلاف بوزونها دارای اسپین غیرصحیح هستند.طبق مدل کوانتومی ساختار درونی اتم، الکترونهای منفرد که در اوربیتالهای خالی قرار می گیرند، دارای اسپین برابر هستند که 1/2+ فرض می شود.این اسپین های غیرصحیح غیرقابل جمع شدن هستند در حالی که اسپین های صحیح جمع پذیر می باشند و این مساله موجب بروز تفاوت در رفتار بوزونها و فرمیونها می شود.
فرمیونها ذرات منزوی هستند.این ذرات هنگامی که در یک حالت کوانتومی یکسان قرار می گیرند، بر اساس اصل طرد پائولی یکدیگر را دفع می کنند و اگر ذره ای در این حالت کوانتومی خاص قرار گیرد به هیچ ذره ای در مجاورت خود اجازه نمی دهد که به آن حالت دست یابد و آن را به شدت می راند.این رفتار فرمیونها موجب شده است که گروهی آنها را ذرات انزواطلب بنامند.

حالت پنجم ماده

در سال 1995 اخباری مبنی بر کشف حالت پنجم ماده توجه تمامی اذهان علمی را به خود جلب کرد.این حالت ماده مانند چهار حالت قبلی به سادگی در دسترس نبود و خواص عجیب و منحصر به فردی داشت.این کشف مهم توسط اریک کورنل و کارل ویمن انجام شد.این دو دانشمند شش سال بعد، یعنی در سال 2001 به خاطر این کشف مهم جایزه نوبل را از آن خود کردند.حالت پنجم ماده چگالیده بوز-اینشتین نام دارد که مجموعه ای است از هزاران ذره فراسرد که در یک حالت کوانتومی واحد قرار دارند، یعنی تمام اتمها در این حالت یکسان عمل کرده و مثل هم هستند، به عبارت دیگر این ذرات یک ابر اتمی بسیار بزرگ می سازند.چگالیده بوز-اینشتین از بوزونها تشکیل شده است.همانطور که گفته شد بوزونها ذرات اجتماعی هستند که در حالت کوانتومی واحد به سر می برند و برای جفت شدن با یکدیگر هیچ مشکلی ندارند.بلکه با توجه به خصوصیات منحصربفردشان تمایل زیادی به این عمل دارند.اریک کورنل و کارل ویمن طی یکسری تحقیقات پس از سردکردن اتمهای سدیم که بوزون هستند، متوجه شدند که این اتمها در یکدیگر فرو رفته و ابر ذره ای را به وجود می آورند که رفتاری شبیه موج دارند تا ذره ای.
طبق نظریه های موجود در صفر مطلق(273 درجه سانتی گراد)انرژی درونی تمام ذرات برابر صفر است و آنها هیچ حرکت نوسانی از خود نشان نمی دهند.کشف چگالیده بوز-اینشتین (BEC)تا حدودی به این نظریه عینیت بخشید.در این حالت نوسان اتمها بسیار کم و فضای میان آنها در حد صفر است و این امر موجب می شود که نور به سختی و با سرعت کم نسبت به سرعت اصلی خود حرکت کند.علاوه بر آن، این درهم فرورفتگی موجب سختی شدید و در عین حال شکنندگی ماده می شود.
اتمهای بوزون نیز بسیار شکننده بوده و سرعت حرکت نور در آن بسیار کم است.تنها بوزونها هستند که می توانند در حالت چگالیده بوز-اینشتین، باشند و این به آن دلیل است ک تنها بوزونها هستند که تمایل به جفت شدن و رفتار اجتماعی دارند.فرمیون ها که در مقابل بوزون ها قرار دارند اتم هایی انزواطلب می باشند.مهمترین نتیجه ای که کشف BEC در بر داشت هموار کردن راه برای کشف حالت ششم ماده بود.دانشمندان در طی آزمایش هایی در مورد BEC سعی کردند تا سایر اتمها را نیز به فاز پنجم ببرند و رفتار آنها را در این فاز مورد بررسی قرار دهند.این تلاشها سرانجام به کشف حالت ششم ماده انجامید.
البته باید به این نکته اشاره کرد که به علت شرایط بوجود آمده حالت پنجم ماده که نیاز به فناوری پیشرفته دارد، تحقیق و آزمایش در مورد آن تنها برای کشورهایی امکان پذیر است که به تکنولوژی روز دسترس دارند.این امر موجب شده است که اطلاعات زیادی در مورد حالت پنجم ماده در دسترس نباشد.همچنین اخبار منتشر شده در رسانه ها نیز در این مورد کاملاً به طور خلاصه بوده و منابع اطلاعاتی فارسی نیز در این زمینه بسیار کم است و این در حالی است که منابع اینترنتی لاتین از ارائه مقالات علمی جامع خودداری می کنند و تنها چگیده مقالات را ارائه می دهند.به همین دلیل، امکان جمع آوری اطلاعات بیشتر در این زمینه میسر نبود لذا در این مقاله تنها به توضیح چگونگی به وجود آمدن آن اکتفا کردیم.

حالت ششم ماده

یکی از مهم ترین اخباری که در اواخر سال 2004 منتشر شد، خبر دستیابی دانشمندان به حالت ششم ماده بود.گروهی از محققان ناسا به سرپرستی دکتر دبوراجین در دانشگاه کلورادو موفق به مشاهده این حالت ماده شدند که به آن چگالیده فرمیونی (FC)گفته می شود.
این گروه با سرد کردن ابری در حدود پانصد هزار اتم پتاسیم تا دمای 50 میلیونم بیشتراز صفر کلوین چگالیده فرمیونی را برای اولین بار مشاهده کردند.همانطور که گفته شد، اتمهای پتاسیم فرمیون می باشد.فرمیونها بر اساس اصل طرد پائولی نمی توانند در یک حالت کوانتومی قرار گیرند و در کنار هم باشند ولی در این دما با اعمال میدان مغناطیسی خاصی، این اصل نقص شده و فرمیونها با یکدیگر جفت می شوند.این اتم ها در این دما به شکل مایع درآمده و بدون هیچ گرانروی به حرکت در می آیند و این نشان از ظهور حالت جدیدی از ماده است که به اختصار FC می نامند.
پس از کشف BEC دانشمندان وجود FC و ویژگیهای آن را پیش بینی کرده بودند.در سال 2001 گروهی به سرپرستی مورای هولند وجود و چگونگی تولید آن را پیش بینی کردند.این گروه گفتند که اتمهای چگالیده فرمیونی باید پلی بین ابر رسانایی و BEC باشند.گروه هولند حدس زد که با استفاده از میدان مغناطیسی می توان اتمهای گازی فرمیون را طوری تنظیم کرد که رفتاری بین اَبَر رسانایی و BEC از خود نشان دهند.گروه دکتر جین در آزمایشات خود یک ابر گازی متشکل از 500 هزار اتم پتاسیم را تا دمای 50 میلیونم بیشتر از صفر کلوین سرد کردند و سپس با بکار بردن میدان مغناطیسی با قدرت تشدید ویژه موفق شدند که اتمهای فرمونی را هم محور کنند که پس از این عمل، جفت شدن فرمیونها امکان پذیر می شود و در این هنگام فرمیونها جفت می شوند که شبیه جفت شدن الکترونهاست که باعث به وجود آمدن اَبَررسانایی می شود.
برخی رفتارهای FC شبیه BEC است زیرا هر دو از اتمهایی تشکیل شده اند که در دماهای پایین به هم می پیوندند و جسم واحدی را تشکیل می دهند.ابتدا پیش بینی می شد که فرمیونها پس از چگالش به BEC تبدیل شوند ولی مشاهدات تجربی غیر از این بود. برخی از رفتار FC تفاوت زیادی با BEC داشت از جمله جریان یافتن آن بدون گرانروی بود.اینکه رفتار FC تا چه حدود به BEC شباهت داشته باشد، به میزان جفت شدن فرمیونها بستگی دارد.در تحقیقات اخیر که در دانشگاه کلورادو انجام گرفته است، از میدان مغناطیسی ویژه ای استفاده شد که شدت این میدان میزان جفت شدگی فرمیونها را تعیین می کرد.تحت تاثیر این میدان فرمیونها نمی توانند به یکدیگر متصل شوند و بوزون به وجود آورند در عوض جفت شدن فرمیونها به وسیله رفتار جمعی اتمها صورت گرفته است.از طرف دیگر، برای اینکه مطمئن شوند فرمیونهای زوج به وجود آمده اند یعنی بوزون تشکیل نشده است، محققان مجبور بودند که این اتم ها را به مولکول تبدیل کنند.در این حالت به سرعت یک میدان مغناطیسی با شدت خاصی که می توانست چگالیده فرمیونی را به مولکولها پیوندی تبدیل کند، روی نمونه اعمال می کردند در همین لحظه یک تله توری که گاز را در خود نگه می داشت آغاز به کار می کرد.این تغییرات میدان مغناطیسی می توانست موجب تشکیل مولکول شود ولی به علت سرعت زیاد نمی تواند BEC مولکولی را به وجود آورد.
همانطور که گفته شد انتظار می رفت تا فرمیونهای جفت شده خواصی همانند BEC داشته باشند اما آزمایشات مختلف نشان داد که اتمهایی که میزان جفت شدگی آنان به حدی بود که نمی توانستند پیوند به وجود آورند، هنوز برخی از خواص فرمیونی خود را از دست نداده بودند.در این حالت یک جفت از فرمیونهای جفت شده می تواند به جفت دیگر متصل شود و این جفت شدگی به همین ترتیب ادامه یابد تا باعث تشکیل چگالیده فرمیونی شود.
منابع و مآخذ:
1- آقایی، حسین (1376)، مهران آقایی حالتهای ماده، انتشارات فاطمی، تهران
2- استیفن گازیرویچ (1371)، فیزیک اتمی، ناصر شاه تهماسبی، 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: نشریه اطلاعات علمی -شماره 359