تحقیق مقاله ویژگی های ماده

ویژگی های ماده

در مدرسه با سه شکل ماده آشنا میشویم: گاز، مایع و جامد. ولی این‌ها نیمی از حالات ماده اند. شش شکل ماده وجود دارد: جامد، مایع، گاز، پلاسما، ماده چگال باس-اینشتین و حالت تازه کشف‌شده: ماده چگال فرمیونی. تمام دانش‌آموزان راهنمایی خصوصیات حالات معمول ماده روی زمین را می‌شناسند. مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کنند، آنها سفت و گاهی شکننده اند. مایع‌ها جاری می‌شوند و به سختی متراکم می‌گردند و شکل ظرف خود را می‌گیرند.

گاز‌ها کم چگال‌تر اند و ساده‌تر متراکم می‌شوند و نه‌تنها شکل ظرف محتویشان را می‌گیرند، بلکه آن‌قدر منبسط می‌شوند تا کاملا آن را پر کنند.

حالت چهارم ماده، پلاسما، شبیه گاز است و از اتم‌هایی تشکیل شده‌است که تمام یا تعدادی از الکترون‌های خود را از دست داده‌اند (یونیده شده‌اند). بیشتر ماده جهان در حالت پلاسماست، مثل خورشید که از پلاسما تشکیل شده‌است. پلاسما اغلب بسیار گرم است و می‌توان آن را در میدان‌های مغناطیسی به دام انداخت.

حالت پنجم با نام ماده چگال بوز-اینشتین (Bose-Einstein condensate) که در سال ۱۹۹۵ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام بوزون‌ها (Bosons) تا دما‌هایی بسیار پایین پدید می‌آید. بوزون‌های سرد در هم فرومی‌روند و ابر ذره‌ای که رفتاری بیشتر شبیه یک موج دارد تا ذره‌ای معمولی شکل می‌گیرد. ماده چگال بوز-اینشتین شکننده‌است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.
حالت تازه هم ماده چگال فرمیونی (Fermionic condensate) است. دبورا جین (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز سال ۱۳۸۲ موفق به کشف این شکل تازه ماده شده‌است، می‌گوید: وقتی شکل جدیدی از ماده روبرو می‌شوید باید زمانی را صرف شناخت ویژگی‌هایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصدهزار اتم پتاسیم – ۴۰ تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتم‌ها در چنین دمایی بدون گران‌روی جریان می‌یابند و این نشانه ظهور ماده‌ای جدید بود. در دما‌های پایین‌تر چه اتفاقی می‌افتد؟ هنوز نمی‌دانیم.
ماده چگال فرمیونی بسیار شبیه ماده چگال بوز-اینشتین (BEC) است. ذرلت بنیادی و اتمها در طبیعت می نوانند به شکل بوزون یا فرمیون باشند. یکی از تفاوتهای اساسی میان آنها حالتهای کوانتومی مجلز برای ذرلت است. تعداد زیلدی بوزون می توانند در یک حالت کوانتومی باشند ، مثلا انرژی ، اسپین و ... آنها یکی باشد ، اما مطابق اصل طرد پائولی دو فرمیون نمی توانند همزمان حالتهای کوانتومی یکسان داشته باشند. برای همین مثلا در آرایش اتمی ، للکترونها که فرمیون هستند نمی توانند همگی در یک تراز انرژی قرار گیرند.در هر اربیتال تنها دو الکترون که اسپینهای متفاوت داشته باشند جا می گیرد و الکترونهای بعدی باید یه اربیتال دیگری با انرژی بالاتر بروند.
ینابراین اگر فرمیونها را سرد کنیم و انرژی آنها را بگیریم ، ابتدا پایینترین تراز انرژی پر می شود ، اما ذره بعدی باید به ترازی با انرژی بالاتر برود. وجود ماده چگال فرمیونی همانند ماده چگال یوز- اینشتین سالها قبل پیش بینی شده و خواص آن محاسبه شده بود ، اما رسیدن به دمای نزدیک به صفر مطلق که برای تشکیل این شکل ماده لازم است تا کنون ممکن نشده بود. هر دو از فرورفتن اتم‌ها در دماهایی بسیار پایین ساخته‌می‌شوند. اتم‌های BEC بوزون اند و اتم‌های ماده چگال فرمیونی، فرمیون. اما این‌ها به چه معنی اند؟
بوزون‌ها می توانند همگی در یک تراز انرژی قرارگیرند. به طور کلی اگر تعداد الکترون + پروتون + نوترون اتمی عددی زوج باشد، آن اتم یک بوزون است. مثلا اتم‌های سدیم معمولی بوزون ‌اند و می‌توانند به حالت فاز چگال بوز-اینشتین ادغام شوند.

اما فرمیون‌ها مطابق اصل طرد پائولی نمی‌توانند در یک حالت کوآنتومی هم ادغام شوند. هر اتمی که تعداد الکترون‌ها + پروتون‌ها + نوترون‌هایش عددی فرد باشد، مثل پتاسیم – ۴۰ یک فرمیون است.
گروه جین برای مقابله با خواص ادغام‌ناپذیری فرمیون‌ها از تأثیر میدان مغناطیسی بر آنها استفاده‌کردند. میدان مغناطیسی سبب می‌شود ) فرمیونهای تنها جفت شوند. قدرت این پیوند را میدان مغناطیسی تعیین می‌کند.

جفت‌های اتم‌های پتاسیم برخی از خواص فرمیونیشان را حفظ می‌کنند، ولی کمی شبیه بوزون‌ها عمل خواهند‌کرد.

یک جفت فرمیون می‌تواند در جفت دیگری ادغام شود - و جفت تازه در جفتی دیگر ...- تا سرانجام ماده چگال فرمیونی شکل‌گیرد.
در اثر این پدیده، گران‌روی (Viscosity) ماده به وجود آمده باید بسیار کم باشد.

مشابه این پدیده را در ابررسانایی می‌بینیم. در یک ابررسانا، جفت‌های الکترون (الکترون‌ها فرمیون اند) می‌توانند بدون هیچ مقاومتی جریان یابند. متأسفانه مطالعه و دسترسی به ابررسانا‌ها بسیار مشکل است. گرم‌ترین ابررسانای امروزی باید در دمای ۱۳۵- درجه سانتیگیراد عمل می‌کند و این بزرگ‌ترین مشکل برای مطالعه و استفاده از آنهاست. قدرت جفت‌شدن شگفت‌انگیز در حالت جدید، دانشمندان را امیدوار کرده‌است که بتوانند از یافته‌های خود درباره حالت تازه ماده، برای تولید ابررساناها در دمای اتاق استفاده‌کنند.

ابررساناها کاربردهای فراوانی در علوم و فن‌آوری فضایی دارند. برای مثال ژیروسکوپ‌هایی که برای هدایت فضاپیما‌ها در مدار استفاده می‌شوند، با آهن‌ربا‌های ابررسانا بسیار دقیق‌تر کارمی‌کنند. همچنین چون ابررسانا‌ها می‌توانند حامل جریان‌های بیشتر در اندازه‌های کوچکتری نسبت به یک سیم مسی باشند، حجم موتورهایی که از آنها ساخته‌می‌شود ۴ تا ۶ برابر کوچک‌تر از موتورهای امروزی فضاپیماها خواهدبود.

ویژگی های ماده:

هر ماده از ذره های بسیار کوچکی بنام مولکول تشکیل شده است این مولکولها به هم چسبیده نیستند و فاصله نسبتاً بزرگی بین آنها وجود دارد. مولکولها همیشه در حال حرکتند بر هم نیرو وارد می کنند.

اندیشه اولیه تئوری مولکول مربوط به هر نوعی است رابرت براوان نیز و پایه عقاید بر نوعی آزمایشاتی را انجام داد از جمله در یک لیوان شیشه ای پر از آب یک قطره جوهر ریخته و حرکت جوهر را بررسی کرد. این حرکت نامنظم و زیگ زاک و در هم و برهم مولکولی را حرکت براونی گویند.

اندازه هر مولکول بسیار کوچک است بطوریکه هر مولکول گرم از یک ماده  شامل  6.02*10 23عدد مولکول است.

نکته1: قطر یک مولکول در حدود 10-9  متر یعنی متر 0.000000001 می باشد.

نیروی بین مولکولی:

نیروی بین مولکولی به فاصله بین مولکولها بستگی دارد ممکن است این نیرو دافعه و یا جاذبه باشد.

مثال:

 اگر دو طرف یک قطعه لاستیک را بفشاریم نیروی دافعه ای ظاهر می شود که می خواهد لاستیک را به وضع اولیه خود برگرداند.

اگر دو طرف یک قطعه لاستیک را به طرف بکشیم نیروی جاذبه ای ظاهر می شود که می خواهد لاستیک را به وضع اولیه خود برگرداند.

ماده، بسته به مقدار نیرویی که مولکولها بر هم وارد می کنند و انرژی جنبشی و پتانسیل ذره های مختلف آن ممکن است به صورت جامد یا مایع یا گاز ظاهر شود.

  تبدیل حالات ماده :

 چگالی:

 جرم واحد حجم هر جسم را چگالی گویند.

r=چگالی

 m = جرم

 v= حجم

جامدها

چگالی

جامدها

چگالی

پلاتین

21400

چوب

1000-250

طلا

19300

آلومینیوم

2700

سرب

11300

یخ

920

نقره

10500

مس

8930

آهن (فولاد)

7800

روی

6900

مایعات

چگالی

جیوه

13500

آب

1000

نفت

950-800

هوای مایع (-194oC)

920

ازت مایع (196oC-)

810

الکل (تانون)

790

هلیون مایع (-269)

125

گازها

چگالی

دی اکسید کربن

2

اکسیژن

43/1

هوا

29/1

هلیوم

18/0

هیدروژن

09/0

 چگالی مولکولهای هوا در حالت مایع حدوداً 900 برابر بیشتر است یعنی حجم مولکولهای در حالت مایع کمتر و فاصله بین مولکولها در این حالت کمتر بوده بنابراین چگالی بیشتری دارند.

در سیستم Si  عبارتست از :

واحد چگالی

در سیستم C.G.S  عبارتست از:

*1000=         تبدیل واحد

r=1=1000   <==  برای آب داریم

1 نکته3 :       lit=10-3 m3 

  معرفی شش حالت ماده

 ممکن است برخی از شما تا به حال نام حالت چهارم ماده یعنی پلاسما را نیز شنیده باشید و یا اطلاعاتی راجع به آن داشته باشید اما مطمئنا بسیاری از شما از حالت پنجم و ششم ماده یعنی چگال بوز – انیشتن و چگال فرمیونی، و همچنین خواص آنها بی اطلاعید. در این مقاله قصد داریم شما را با هر 3 حالت دیگر ماده و ویژگی های آنها آشنا کنیم. 14- پلاسما
حالت چهارم ماده پلاسما ,شبیه گاز است و از اتمهایی تشکیل شده است که تمام یا تعدادی از الکترون های خود را از دست داده اند (یونیده شده اند )
بیشتر مواد جهان در حالت پلاسما هستند مانند خورشید که از پلاسما تشکیل شده است. پلاسما اغلب بسیار گرم است و می توان آن را در میدان مغناطیسی به دام انداخت.
اما در تعریفی کلی از پلاسما باید گفت که ؛ پلاسما حالت چهارمی از ماده است که دانش امروزی نتوانسته آنها را جزو سه حالت دیگر پندارد و مجبور شده آنرا حالت مستقلی به حساب آورد. این ماده با ماهیت محیط یونیزه ، ترکیبی از یونهای مثبت و الکترون با غلظت معین میباشد که مقدار الکترونها و یونهای مثبت در یک محیط پلاسما تقریبا برابر است و حالت پلاسمای مواد ، تقریبا حالت شبه خنثایی دارد. پدیدههای طبیعی زیادی از جمله آتش ، خورشید ، ستارگان و غیره در رده حالت پلاسمایی ماده قرار میگیرند.
پلاسما شبیه به گاز است، ولی مرکب از ذرات باردار متحرکی به نام یون است. یونها بشدت تحت تاثیر نیروهای الکتریکی و مغناطیسی قرار میگیرند. مواد طبیعی در حالت پلاسما عبارتند از انواع شعله ، بخش خارجی جو زمین ، اتمسفر ستارگان ، بسیاری از مواد موجود در فضای سحابی و بخشی از دم ستاره دنباله دار و شفقهای قطبی شمالی که نمایش خیره کننده ای از حالت پلاسمایی ماده است که در میدان مغناطیسی جریان مییابد
بد نیست بدانید که دانش امروزی حالات دیگری از جمله برهمکنش ضعیف و قوی هسته ای را نیز در دسته بندیها بعنوان حالات پنجم و ششم ماده بحساب میآورد که از این حالات در توجیه خواص نوکلئونهای هسته ، نیروهای هسته ای ، واکنش های هسته ای و در کل ((فیزیک ذرات بنیادی)) استفاده میشود.