المادة هي "الأشياء" التي يتكون منها الكون - كل شيء يشغل مساحة ولديه كتلة هو المادة.
تتكون كل المادة من ذرات ، والتي تتكون بدورها من بروتونات ونيوترونات وإلكترونات.
تتجمع الذرات معًا لتكوين جزيئات ، وهي لبنات البناء لجميع أنواع المواد ، وفقًا لجامعة ولاية واشنطن. يتم الاحتفاظ بكل من الذرات والجزيئات معًا من خلال شكل من الطاقة الكامنة يسمى الطاقة الكيميائية. على عكس الطاقة الحركية ، وهي طاقة جسم متحرك ، فإن الطاقة الكامنة هي الطاقة المخزنة في الجسم.
المراحل الخمس للمادة
هناك أربع حالات طبيعية للمادة: المواد الصلبة والسوائل والغازات والبلازما. الحالة الخامسة هي مكثفات Bose-Einstein من صنع الإنسان.
المواد الصلبة
في المادة الصلبة ، يتم تعبئة الجسيمات بإحكام معًا حتى لا تتحرك كثيرًا. تعمل إلكترونات كل ذرة باستمرار ، لذا فإن الذرات لها اهتزاز صغير ، لكنها ثابتة في موضعها. وبسبب هذا ، فإن الجسيمات في مادة صلبة لديها طاقة حركية منخفضة جدًا.
المواد الصلبة لها شكل محدد ، وكذلك الكتلة والحجم ، ولا تتوافق مع شكل الحاوية التي توضع فيها. تحتوي المواد الصلبة أيضًا على كثافة عالية ، مما يعني أن الجسيمات معبأة بإحكام معًا.
السوائل
في السائل ، تكون الجسيمات معبأة بشكل فضفاض أكثر منها في مادة صلبة وتكون قادرة على التدفق حول بعضها البعض ، مما يعطي السائل شكلًا غير محدود. لذلك ، سيتوافق السائل مع شكل الحاوية.
من الصعب جدًا ضغط السوائل (مثل المواد الصلبة التي تحتوي على كثافة أقل من المواد الصلبة).
غازات
في الغاز ، تحتوي الجسيمات على مساحة كبيرة بينها ولديها طاقة حركية عالية. ليس للغاز شكل أو حجم محدد. إذا لم يتم تقييدها ، فسوف تنتشر جزيئات الغاز إلى أجل غير مسمى ؛ إذا تم حصره ، سيتمدد الغاز لملء الحاوية. عندما يتم ضغط الغاز تحت الضغط عن طريق تقليل حجم الحاوية ، يتم تقليل المسافة بين الجسيمات وضغط الغاز.
بلازما
وفقًا لمختبر جيفرسون ، فإن البلازما ليست حالة شائعة للمادة على الأرض ، لكنها قد تكون الحالة الأكثر شيوعًا للمادة في الكون. النجوم هي في الأساس كرات من البلازما شديدة التسخين.
تتكون البلازما من جزيئات عالية الشحنة بطاقة حركية عالية للغاية. غالبًا ما تستخدم الغازات النبيلة (الهليوم ، النيون ، الأرجون ، الكريبتون ، الزينون والرادون) لصنع إشارات متوهجة باستخدام الكهرباء لتأينها إلى حالة البلازما.
مكثفات Bose-Einstein
تم إنشاء مكثف Bose-Einstein (BEC) من قبل العلماء في عام 1995. باستخدام مزيج من الليزر والمغناطيس ، قام Eric Cornell و Carl Weiman ، العلماء في المعهد المشترك للفيزياء الفلكية (JILA) في بولدر ، كولورادو ، بتبريد عينة من الروبيديوم إلى بضع درجات من الصفر المطلق. عند درجة الحرارة المنخفضة للغاية ، تقترب الحركة الجزيئية جدًا من التوقف. نظرًا لعدم وجود طاقة حركية تقريبًا يتم نقلها من ذرة إلى أخرى ، تبدأ الذرات في التكتل معًا. لم يعد هناك آلاف الذرات المنفصلة ، مجرد ذرة خارقة.
يستخدم BEC لدراسة ميكانيكا الكم على المستوى الماكروسكوبي. يبدو أن الضوء يتباطأ أثناء مروره عبر BEC ، مما يسمح للعلماء بدراسة مفارقة الجسيمات / الموجة. يحتوي BEC أيضًا على العديد من خصائص المائع الفائق ، أو السائل الذي يتدفق دون احتكاك. تستخدم BECs أيضًا لمحاكاة الظروف التي قد توجد في الثقوب السوداء.
يمر بمرحلة
تؤدي إضافة الطاقة أو إزالتها من المادة إلى حدوث تغير مادي حيث تنتقل المادة من حالة إلى أخرى. على سبيل المثال ، تؤدي إضافة الطاقة الحرارية (الحرارة) إلى الماء السائل إلى تحولها إلى بخار أو بخار (غاز). وإزالة الطاقة من الماء السائل تجعلها جليدية (صلبة). يمكن أن تحدث التغييرات الجسدية أيضًا بسبب الحركة والضغط.
ذوبان وتجميد
عندما يتم تطبيق الحرارة على مادة صلبة ، تبدأ جزيئاتها في الاهتزاز بشكل أسرع وتتحرك أبعد. عندما تصل المادة إلى مزيج معين من درجة الحرارة والضغط ، عند نقطة انصهارها ، تبدأ المادة الصلبة في الذوبان وتتحول إلى سائل.
عندما تكون حالتان من المادة ، مثل المواد الصلبة والسائلة ، في درجة حرارة وضغط التوازن ، لن تؤدي الحرارة الإضافية المضافة إلى النظام إلى زيادة درجة الحرارة الإجمالية للمادة حتى تصل العينة بأكملها إلى نفس الحالة الفيزيائية. على سبيل المثال ، عندما تضع الثلج في كوب من الماء وتتركه في درجة حرارة الغرفة ، فإن الثلج والماء سيصلان في النهاية إلى نفس درجة الحرارة. عندما يذوب الجليد من الحرارة القادمة من الماء ، سيبقى عند درجة صفر مئوية حتى يذوب مكعب الثلج بالكامل قبل الاستمرار في التسخين.
عندما تتم إزالة الحرارة من السائل ، تتباطأ جزيئاته وتبدأ في الاستقرار في مكان واحد داخل المادة. عندما تصل المادة إلى درجة حرارة باردة بما فيه الكفاية عند ضغط معين ، فإن نقطة التجمد ، يصبح السائل صلبًا.
تتقلص معظم السوائل أثناء تجمدها. ومع ذلك ، يتمدد الماء عندما يتجمد إلى جليد ، مما يتسبب في انقسام الجزيئات إلى أبعد وتقليل الكثافة ، وهذا هو السبب في أن الجليد يطفو فوق الماء.
يمكن أن تؤدي إضافة مواد إضافية ، مثل الملح في الماء ، إلى تغيير كل من نقطتي الذوبان والتجميد. على سبيل المثال ، ستؤدي إضافة الملح إلى الثلج إلى تقليل درجة حرارة الماء المتجمد على الطرق ، مما يجعله أكثر أمانًا للسائقين.
هناك أيضًا نقطة تعرف بالنقطة الثلاثية ، حيث توجد المواد الصلبة والسوائل والغازات في وقت واحد. الماء ، على سبيل المثال ، موجود في جميع الولايات الثلاث عند درجة حرارة 273.16 كلفن وضغط من 611.2 بسكال.
تسامي
عندما يتم تحويل مادة صلبة مباشرة إلى غاز دون المرور بطور سائل ، تُعرف العملية باسم التسامي. قد يحدث هذا إما عندما تزداد درجة حرارة العينة بسرعة خارج نقطة الغليان (التبخير الومضي) أو عندما يتم تجفيف المادة بالتجميد عن طريق تبريدها في ظروف التفريغ بحيث تخضع المياه في المادة للتسامي ويتم إزالتها من العينة. سوف تخضع بعض المواد المتطايرة للتسامي في درجة حرارة الغرفة والضغط ، مثل ثاني أكسيد الكربون المجمد ، أو الثلج الجاف.
تبخير
التبخر هو تحويل سائل إلى غاز ويمكن أن يحدث إما عن طريق التبخر أو الغليان.
لأن جزيئات السائل في حركة مستمرة ، فإنها تصطدم في كثير من الأحيان مع بعضها البعض. يؤدي كل تصادم أيضًا إلى نقل الطاقة ، وعندما يتم نقل طاقة كافية إلى جسيمات بالقرب من السطح ، قد يتم إبعادها تمامًا عن العينة كجزيئات غاز حرة. تبرد السوائل أثناء تبخرها لأن الطاقة المنقولة إلى جزيئات السطح ، التي تسبب هروبها ، تنتقل معها.
يغلي السائل عند إضافة حرارة كافية إلى السائل لتتسبب في تكوين فقاعات بخار تحت السطح. نقطة الغليان هذه هي درجة الحرارة والضغط الذي يصبح فيه السائل غازًا.
التكثيف والترسيب
يحدث التكثف عندما يفقد الغاز الطاقة ويتحد معًا لتكوين سائل. على سبيل المثال ، يتكثف بخار الماء في ماء سائل.
يحدث الترسب عندما يتحول الغاز مباشرة إلى مادة صلبة ، دون المرور عبر الطور السائل. يصبح بخار الماء جليديًا أو صقيعًا عندما يكون الهواء ملامسًا مادة صلبة ، مثل شفرة العشب ، أكثر برودة من بقية الهواء.
