تعداد حالات ماده

محققان ناسا حالت جديدي از ماده را کشف کردند که حالت چگاليده فرميوني نام دارد . ساليان سال ماده را به سه حالت مي شناختند که عبارت بودند از جامد ، مايع و گاز . اما امروزه مي دانيم که اين سه حالت تنها نيمي از از حالت هاي شناخته شده هستند و حداقل شش حالت براي ماده وجود دارد . اين شش حالت عبارتند از : جامد ، مايع ، گاز ، پلاسما ، حالت چگاليده بوزي - انيشتين و حالت چگاليده فرميوني .

جامدها شکل ثابتي دارند و از نظر فيزيکي سخت هستند اما قابليت خرد شدن را هم دارند . مايعات به آساني جريان مي يابند اما متراکم کردن آنها بسيار سخت است و در هر ظرفي قرار گيرند شکل ظرف را به خود مي گيرند . گازها کمترين چگالي را در مقايسه با ساير حالات دارند و به آساني متراکم مي شوند . گازها نه تنها در هر ظرفي شکل ظرف را به خود مي گيرند ، بلکه در تمام حجم ظرف پراکنده مي شوند و تمام فضاي ظرف را اشغال مي کنند . چهارمين شکل ماده پلاسما است . اين حالت تقريباً شبيه گاز است اما اتم هاي سازنده پلاسما به الکترون ها و يون ها شگافته شده اند . خورشيد نمونه اي از پلاسما است . در واقع بيشتر ماده جهان به صورت پلاسما است . پلاسماها معمولاً بسيار داغ اند از اين رو نمي توان پلاسما را توليد کرد و در ظرف هاي معمولي نگهداري کرد . پلاسما را با استفاده از ميدان مغناطيسي مي توان در يک محدوده از فضا حبس کرد .
پنجمين شکل ماده ، حالت چگاليده بوز – انيشتين است که در سال 1995 کشف شد . اين حالت از ماده زماني پديد آمد که دانشمندان موفق شدند بوزون ها را تا دمايي بسيار پايين سرد کنند . در دماهاي بسيار پايين ، بوزون ها به صورت سوپرذرات منفردي درمي آيند که بيشتر از آن که ذره مادي باشند موج مانند به نظر مي رسند . اين حالت از ماده بسيار شکننده است و نور به آهستگي از ميان آن عبور مي کند . پس از چند سال از کشف حالت چگاليده بوز – انيشتين ، حالت چگاليده فرميوني هم به حالت هاي قبل اضافه شد. اين شکل از ماده چنان بديع است که هنوز اغلب خواص آن ناشناخته است . اما آنچه که مسلم است ، اين حالت در دماي بسيار پايين هم قابل دسترسي است . دکتر جين و همکارانش براي دستيابي به اين ماده جديد ، تعداد 500 هزار اتم پتاسيم با عدد جرمي 40 را تا دماي کمتر از يک ميليونيم کلوين سرد کردند .اين دما بسيار نزديک به صفر مطلق است . در اين حالت اتم هاي پتاسيم بدون آن که چسبندگي ميان آنها وجود داشته باشد ، به صورت مايع جريان مي يابند.

پايين تر از اين دما چه اتفاقي مي افتد ؟ جواب اين سوال را کسي نمي داند . دانشمندان در حال حاضر براي يافتن پاسخ اين سوال به تحقيق مشغولند .

حالت چگاليده فرميوني تا حدي شبيه چگالش بوز – انيشتين است .هر دو حالت از اتم هايي تشکيل شده اند که اين اتم ها در دماي پايين به هم مي پيوندند و جسم واحدي را تشکيل مي دهند. در چگالش بوز - اينشتين اتم ها از نوع بوزون هستند در حالي که در چگالش فرميوني اتم ها فرميون هستند.

تفاوت ميان بوزون ها و فرميون ها چيست؟

رفتار بوزون ها به گونه اي است که تمايل دارند با هم پيوند برقرار کنند و به هم متصل شوند. يک اتم در صورتي که حاصل جمع تعداد الکترون، پروتون و نوترون هايش زوج باشد. بوزون است به عنوان مثال اتم هاي سديم بوزون هستند زيرا اتم هاي سديم در حالت عادي يازده الکترون، يازده پروتون و دوازه نوترون دارند که حاصل جمع آنها عدد زوج ۳۴ مي شود. بنابراين اتم هاي سديم اين قابليت را دارند که در دماهاي پايين به هم متصل شوند و حالت چگاليده بوز - اينشتين را پديد آورند اما از طرف ديگر فرميون ها منزوي هستند. اين ذرات طبق اصل طرد پائولي هنگامي که در يک حالت کوانتومي قرار مي گيرند همديگر را دفع مي کنند و اگر ذره اي در يک حالت کوانتومي خاص قرار گيرد مانع از آن مي شود که ذره ديگري هم بتواند به آن حالت دسترسي يابد. هر اتم که حاصل جمع تعداد الکترون، پروتون و نوترون هايش فرد باشد، فرميون است. به عنوان مثال، اتم هاي پتاسيم با عدد جرمي ۴۰ فرميون هستند زيرا داراي ۱۹ الکترون، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع اين سه عدد برابر ۵۹ مي شود. دکتر جين و همکارانش بر پايه همين خاصيت انزوا طلبي فرميون ها روشي را پيش گرفتند و از ميدان هاي مغناطيسي کنترل شونده اي براي انجام آزمايش ها استفاده کردند. ميدان مغناطيسي باعث مي شود که اتم هاي منفرد با هم جفت شوند و ميزان جفت شدگي اتم ها در اين حالت با تغيير ميدان مغناطيسي قابل کنترل است. انتظار مي رفت که اتم هاي جفت شده پتاسيم خواص همانند بوزون ها داشته باشند اما آزمايش ها نشان دادند که در بعضي از اتم ها که ميزان جفت شدگي ضعيف بود هنوز بعضي از خواص فرميوني خود را از دست نداده بودند. در اين حالت يک جفت از اتم هاي جفت شده مي تواند به جفت ديگري متصل شود و اين جفت شدگي به همين ترتيب ادامه يابد تا اينکه سرانجام باعث تشکيل حالت چگاليده فرميوني شود. دکتر جين شک داشت که جفت شدگي اتم هاي مشاهده شده همانند جفت شدگي اتم هاي هليوم مايع باشد که به آن ابرشارگي مي گويند. ابر شاره ها نيز بدون آنکه خاصيت چسبندگي ميان آنها باشد به راحتي جريان مي يابند.

وضعيت مشابه ديگر، حالت ابررسانايي است. در يک ابر رسانا الکترون هاي جفت شده (الکترون ها فرميون هستند) بدون آ نکه با مقاومت الکتريکي مواجه شوند به راحتي جريان مي يابند. علاقه وافري به ابررسانا ها وجود دارد زيرا از آنها براي توليد الکتريسيته پاک و ارزان مي توان استفاده کرد. در صورتي که استفاده از ابر رساناها در تکنولوژي ميسر شود، قطار هاي برقي سريع السير و کامپيوتر هاي فوق سريع با قيمتي پايين روانه بازار خواهد شد. اما متاسفانه حتي تحقيق درباره استفاده از ابر رساناها دشوار است. بزرگ ترين مشکل اين است که حداقل دمايي که لازم است تا يک ابررسانا ايجاد شود. ۱۳۵ _ درجه سلسيوس است. بنابراين نيتروژن مايع يا دستگاه سرد کننده ديگري لازم است تا سيم هاي رابط و هر وسيله جانبي ديگري که الکترون هاي جفت شده در آن محيط قرار مي گيرند را سرد نگه دارد. اين فرآيند هزينه زيادي مي خواهد و به دستگاه هاي پرحجمي نياز دارد.

دکتر جين مي گويد، کنترل ميزان جفت شدگي اتم ها با استفاده از تغيير ميدان مغناطيسي، همانند تغيير دما براي يک ابررساناست. اين روند ما را اميدوار مي کند که بتوانيم آموخته هاي خود از چگالش فرميوني را به ديگر زمينه ها از جمله ابررسانايي در دماي اتاق تسري دهيم. ناسا کاربرد هاي زيادي را براي ابررسانه ها در نظر گرفته است. به عنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شد که مدار ماهواره هاي چرخنده به دور زمين با دقت بسيار بالايي کنترل شوند. خاصيت اصلي ابررسانا ها به دليل نداشتن مقاومت الکتريکي امکان انتقال جريان الکتريکي بزرگي در حجم کوچکي از ابررسانا است. به همين خاطر اگر به جاي سيم هاي مسي از ابررساناها استفاده شود، موتور هاي فضاپيما ها تا ۶ برابر نسبت به موتور هاي فعلي کوچک تر و سبک تر خواهند شد و باعث مي شود که وزن و هزينه ارسال فضاپيما بسيار کاهش يابد. از ديگر زمينه هايي که ابررساناها مي توانند نقشي اساسي در آنها بازي مي کنند مي توان کاوش هاي بعدي انسان از فضا را نام برد. ابررسانا ها بهترين گزينه براي توليد و انتقال بسيار کارآمد انرژي الکتريکي هستند و طي شب هاي طولاني ماه که دما تا C ۱۷۳ _ درجه سانتي گراد پايين مي آيد و طي ماه هاي ژانويه تا مارس دستگاه هاي MRI ساخته شده از سيم هاي ابررسانا، ابزار تشخيصي دقيق و توانمندي در خدمت سلامت خدمه فضاپيما ها خواهد بود. "

نظرات شما عزیزان:

نیکی