بحث کاربر:Reza karimzadeh
از ویکیپدیا، دانشنامهٔ آزاد.
نوشته : رضا کریم زاده
حالت های جديد ماده
خداوند را سپاس ميگوييم كه توفيق تلاش در راه علم و دانش را به ما عطا كرد.
امروز در قرن بيست و يكم ميلادي كه موسم به عصر علم و فناوري اطلاعات ميباشد آگاهي از محيط اطراف و جهان هستي براي هر انسان اهميت بسيار زيادي دارد از اين رو در اين تحقيق سعي شده پنجرهي تازهاي از حالتهاي جديد ماده به روي خوانندگان گشوده شود.
اين تحقيق به دليل تازگي منابع ميتواند تأثير به سزايي در ارتقاء سطح آگاهي خوانندگان داشته باشد.
هدف اصلي از نگاشتن اين تحقيق آشنايي با حالتهاي پنجم و ششم ماده موسوم به چگال بوزاينشتين و چگال فوميوني و كاربردهاي آن در صنعت است.
اين مواد به دليل خواص منحصر به فردي كه دارا هستند كاربردهاي فراواني در صنعت برق و فضا نوردي دارند و از آنجا كه كشور عزيزمان اولين فضا پيما خود را سال آينده به فضا ميفرستد آشنايي با اين مواد و كاربرد آنها در فضا پيماها ما را در اين راستا ياري خواهد كرد.
حالت هاي مختلف ماده
مردم طي مدت زمان طولاني تنها ماده را به سه حالت جامد، مايع و گاز ميشناختند اما امروز ميدانيم اين سه حالت تنها نيمي از حالتهاي شناخته شده هستند و حداقل شش حالت براي ماده وجود دارد. اين شش حالت عبارتند از: جامد، مايع، گاز، پلاسما، حالت چگاليده بوزاينشتين و حالت چگال فرميوني.پايد اگر از دانش آموزان دوره بيرستان خواص معمولي مواد را بپرسيد در پاسخ ميگويند، جامدات شكل ثابتي دارند و از نظر فيزيكي سخت هستند و قابليت خرد شدن را هم دارند. مايعات به آساني جريان مييابند اما متراكم كردن آنها بسيار سخت است و در هر ظرفي قرار بگيرند شكل طرف را به خود ميگيرندگازها كمترين چگالي را در مقايسه با ساير حالات دارند و به آساني متراكم ميشوند و در هر ظرفي قرار گيرند. علاوه بر اين كه شكل ظرف را به خود ميگيرند. تمام حجم ظرف را پر ميكنند. چهارمين شكل ماده پلاسما است. اين حالت تقريباً گاز مانند است اما اتمهاي سازنده پلاسما به الكترونها و يونها شكافته شدهاند. خورشيد نمونهاي از حالت پلاسما است و در واقع بيشتر ماده جهان پلاسما است. پلاسماها معمولاً بسيار داغ هستند از اين رو نميتوان آنها را توليد و در ظرف معمولي نگهداري كرد. پلاسما را با استفاده از ميدان مغناطيسي ميتوان در محدودهاي از فضا حبس كرد. پنجمين حالت ماده چگال بوزاينشتين نام دارد كه اخيراً كشف شده است و اين ماده زماني پديد ميايد كه بوزونها را تا دماي بسيار پايين سرد كنند اين حالت از ماده بسيار شكننده است. اينك چگال فوميوني به ديگر حالتهاي قبلي اضافه شده است. اين شكل از ماده چنان بديع است كه هنوز اغلب خواص آن ناشناخته است اما چيزي كه مسلم است اين حالت در دماي بسيار پايين قابل دسترسي است.
حالتهاي پنجم و ششم ماده تنها موادي هستند كه حركت مولكولهاي آن بسيار آهسته است و در شرايط خاص آزمايشگاهي قابل تهيه است.
جالب است بدانيد كه اين مواد كاربرد فراواني در علم و صنعت و مخصوصاً فناوري فضايي دارند خواص اين مواد قبل از كشف توسط دانشمندان پيش بيني شده بود ولي روش تهيه آن براي دانشمندان مجهول بود. اما با بررسي خواص آنها مشخص شد كه براي تهيه اين مواد به يخچالهاي پيشرفته نياز است كه امكان ساخت آن تنها در دهه اخير مهيا شده است اين يخچالها ميتوانند دما را تا حد زيادي به صفر مطلق نزديك كنند.
مولكولهاي گاز در حالت ساده
از آنجا كه چگال بوزاينشتين و چگال فومپوني از سرد كردن بيش اندازه گازها به وجود ميآيند بنابراين آشنايي با خواص گازها و معرفي اين حالت ماده از ديدگاه ميكروسكوپيك مي تواند ما را در دركه بهتر از اين مواد ياري كند.
در حالت گاز مولكولها آزادانه به اطراف حركت ميكنند و با يكديگر و ديواره ظرف برخورد ميكنند فاصله مولكولها در حالت گاز در حدود چند ده برابر فاصله آنها در مايعات و جامدات است و به خاطر همين فاصله زياد كميتها ماكروسكوپيك چون حجم، فشار و دما و… به راحتي قابل تغيير هستند. اين كميتها به وضعيت ماده در مقياس بزرگ بستگي دارند اما نه به آن معنا كه حركت مولكولها در تغيير كميتها بيتأثير است. كميتهاي ماكروسكوپيك مستقيماً با كميتهاي ميكروسكوپيك تك تك مولكولها در ارتباط نيستند. اما ميتوان ثابت كرد كه به سرعت و انرژي جنشي متوسط مولكولها بستگي كامل دارد. به گونهاي كه دما هر جسم متناسب با انرژي جنبشي مولكولها سازنده آن است.
به هر حال حركت مولكولهاي گاز بر هيچ كس پوشيده نيست اما سؤالاتي كه اغلب در ذهن افراد پيش ميآيد اين است كه آيا ميتوان حركت مولكولها را متوقف ساخت و يا حداقل اين حركت را بسيار كم كرد؟ آيا با كم كردن حركت مولكولها تغييري در خواص مواد حاصل ميشود آيا حداقل دما براي يك گاز در حالت تئوري و عملي با هم تفاوت دارد؟كه با كشف حالات جديد ماده تا حدي به اين سؤالات پاسخ داده شد.
معمولاً در تحقيقات و آزمايشهاي عملي براي اينكه رفتار گازها به خوبي مشاهده شود و تأثير عوامل دروني گازها بر آزمايشها كاهش يابد سعي ميشود كه گازها را به گاز كامل بسيار نزديك كنند. همان طور كه مي دانيد گاز كامل به گازي گفته ميشود كه نيروي بر هم كنش بين مولكولهاي تشكيل دهندهي آن نزديك به صفر است و اين شرايط هنگامي به وجود ميآيد كه گاز بسيار رقيق شود و فاصله مولكولها بيش از پيش شود. از اين رو گاز كامل گازي با چگالي بسيار پايين است مولكولهاي گاز با سرعت وانرژي جنبش متفاوتي در حركتاند كه عموماً مي توان سرعت آنها را با سه عامل زير افزايش داد:
1-حرارت دادن :حرارت دادن سرعت و انرژي جنبشي مولكولها را به ميزان قابل توجهي افزايش ميدهد و در نتيجه باعث افزايش دماي گاز ميشود.
2-افزايش مولكولهاي گاز در حجم مشخص: بديهي است كه هر چه تعداد مولكول گاز در يك حجم مشخص افزايش يابد برخورد آنها با يكديگر بيشتر خواهد شد.
3-فشردگي يا تراكم گاز: چون گاز تراكم پذير است ميتوان حجم گاز را كاهش داد و در نتيجه افزايش فشار را خواهيم داشت. اين افزايش فشار انرژي جنبشي مولكوها را بيشتر خواهد كرد.
بديهي است كه اگر عكس موارد فوق را انجام دهيم به طبع انرژي جنبشي و سرعت گازها كاهش مييابد. همان طور كه ميدانيد سرعت متوسط مولكولهاي گاز بنا به رابطه به دماي گاز بستگي دارد. بنابراين براي اينكه بتوانيم سرعت مولكولها را به حداقل برسانيم بايد دما را تا بيشترين مقدار پايين بياوريم.
دما بر حسب درجه بنديهاي مختلفي بيان ميشود كه معمولترين آنها درجه كلوين، سيلسيوس و فارنهايت كه در سيستم SI از درجه بندي كلوين استفاده مي شود. در اين درجه بندي به پايينترين دما صفر مطلق مي گويند كه برابر است با°c 15/273-، لرد كلوين دانشمند انگليسي نشان داد كه پايينتر رفتن از دماي صفر مطلق غير ممكن است و در اين دما مولكول ها تقريباً بيحركتند.
ما صفر مطلق را جايي تعريف مي كنيم كه هيچ گرمايي وجود ندارد. اما بايد تعريف جديدي از دما داشته باشيم پس براي مقياس دمايي يك مقياس لگاريتمي با مبناي 10 را در نظر ميگيريم به عنوان مثال براي سنجش دماي درجه10 كلوين با 100درجه كلوين از تفاضل آنها استفاده نميكنيم و نميگوييم كه اختلاف آنها 90 درجه كلوين است بلكه ميگوييم دماي 100درجه كلوين10 بار بيشتر از دماي 10 درجةكلوين است بنابراين تعريف جديد مقياس دما كه بر حسب لگاريتم بيان ميشود اجازه رسيدن به صفر مطلق را به ما نميدهد زيرا لگاريتم صفر تعريف نشده است. اما آيا در عمل هم دستيابي به صفر مطلق تعريف نشده و غير ممكن است؟
چگال بوزاينيشتن و فرميوني از ديدگاه اتمي
چگال فرميوني را اولين بار از سرد كردن ابري متشكل از پانصد هزار پتاسيم با عدد اتمي 40 تا دمايي كمتر درجه كلوين پديد آوردند البته چگال فرميوني و چگال بوزاينشتين بسيار شبيه به هم هستند و تقريباً شيوه فرآوري آنها مشابه است.
ذرات بنيادي و اتمها در طبيعت ميتوانند به شكل بوزون يا فوميون باشند اما يكي از تفاوتهاي عمده ميان آنها حالتهاي كوانتومي مجاز براي ذرات است. تعداد زيادي بوزون ميتوانند در يك حالت كوانتومي باشند. مثلاً انرژي، اسپين و… آنها يكي باشد اما مطابق اصل طرد پائولي دو فوميون نميتوانند هم زمان حالت كوانتومي يكسان داشته باشند. مثلاً در آرايش اتمي الكترونهايي كه فرميون هستند نميتوانند همگي در يك تراز انرژي با اسپين موافق قرار گيرند. در هر اوربيتال تنها دو الكترون كه اسپينهاي متفاوت داشته باشند جاي ميگيرند والكترونهاي بعدي بايد به اربيتال بالاتر بروند. بنابراين اگر فوميونها را سرد كنيم و انرژي آنها را بگيريم ابتدا پايينترين تراز انرژي پر ميشود؛ اما ذره بعدي بايد به تراز بالاتر برود.
بوزونها مي توانند همگي در يك تراز انرژي قرار گيرند. به طور كلي اگر مجموع تعداد پروتونها، الكترونها و نوترونهاي يك اتم عددي ذوج باشد آن اتم يك بوزون است.
مثلاً اتمهاي (Na23) سديم 23 معمولي بوزون است وميتواند به حالت فاز چگال بوزاينيشتن ادغام شود. اما فوميونها مطابق اصل طرد پائولي نميتوانند در يك تراز انرژي (حالت كوانتومي) ادغام شوند.بطور كلي هر اتم كه مجموع تعداد الكترونها، پروتون ها و نوترونهايش عدد فرد باشد مثل پتاسيم (k40) يك فرميون است.
به همين منظور براي مقابله با خواص ادغام ناپذيري فرميون ميتوان از تأثير ميدان مغناطيسي بر آن استفاده كرد. ميدان مغناطيسي سبب ميشود فرميونهاي تنها جفت شوند قدرت اين پيوند را ميدان مغناطيسي تعيين ميكند.جفت اتمهاي پتاسيم برخي خواص فرميون را حفظ ميكنند ولي شبيه بوزونها عمل مي كنند.
يك جفت الكترون ميتواند در جفت ديگري ادغام شود و جفت تازه در جفتي ديگر ادغام شود و اين كار ادامه يابد تا سر انجام ماده چگال فرميوني شكل گيرد.
چگونگي ايجاد شرايط فرآوري
همانطور كه در بخشهاي قبل اشاره شد براي تهيه چگال بوزاينيشتين و چگال فرميوني نياز است كه دما را تا حد امكان پايين بياوريم و به صفر مطلق نزديك كنيم به اين منظور ابري از پانصد هزار اتم (k 40) پتاسيم 40 انتخاب ميكنيم اين ابر اتمي گازي بسيار رقيق شده و به گاز كامل بسيار نزديك است به وسيله سرد كن دما را تا حد امكان پايين ميآورند تا جنبش اتمها به حداقل و سرعت آنها به كمترين مقدار ممكن برسد.
سرد كنهاي مدرن: اين دستگاهها قادرند دما را تا 3 درجه كلوين كاهش دهند از اين پس سرد كردن گاز به روشهاي معمولي امكان پذير نيست وميبايست به روشهاي گوناگوني انرژي جنبشي متوسط گاز را پايين بياورند و اتم آنها را به پايدارترين حالت ممكن برسانند از اين رو از روشهايي چون سرد كن ليزري، سرد كن تبخيري و ميدان مغناطيسي كنترل شده استفاده ميكنند.
سرد كن ليزري: ميدانيم اگر كه جسمي در معرض تابش نور قرار گيرد نور را جذب ميكندكه در نتيجه انرژي دروني آن افزايش يافته و در جسم تبديل به انرژي گرمايي ميشود. اين دريافت انرژي گرمايي سبب افزايش دما و نهايتاً افزايش انرژي جنبشي متوسط مولكولها ميشود بنابراين گازها را در محلي تاريك كه پرتوهاي نور به آن نرسد محبوس ميكنند. اين ايجاد فضاي تاريك به ما كمك ميكند تا بتوانيم شرايط حاصل (دماي پايين) را حفظ كنيم. اما براي اين كه بتوانيم دماي گاز را به مقدار قابل ملاحظهاي دهيم بايد اتمها را تا حد ممكن به حالت پايدار نزديك كنيم. همانطور كه ميدانيد: در مدل اتمي بوز الكترونها فقط در مدارهاي مشخصي به نام مداهاي مانا (ترازهاي انرژي) به دور هسته اتم حركت مي كنندو انرژي الكترون در اين مدار مشخص و گسسته، به شعاع مدار بستگي دارد بنابراين براي گرفتن انرژي الكترونها و پايدارتر ساختن آنها ميبايست الكترونها را از تراز انرژي بالاتر به تراز انرژي پايين منتقل كنيم.
الكترونها به طور طبيعي در مدار مانا تابش نميكنند و فقط الكترونها از مداري با انرژي بيشتر به مداري با انرژي كمتر انتقال مييابند و مازاد انرژي را به صورت فوتون تابش مينمايند اين از دست دادن انرژي به صورت گسيل (تابش) طيف فوتون موجب ميشود كه انرژي جنبشي متوسط اتمها كاهش يافته و در نتيجه تغيير قابل ملاحظهاي در دما به وجود آيد تا حدي كه دما به درجه كلوين ميرسد. در اين دما نيروي چسبندگي بين اتمهاي پتاسيم بسيار كم است و به صورت مايع جريان مييابند. ايجاد و حفظ چنين شرايطي كار نسبتاً مشكلي است و انسانها به تنهايي نميتوانند چنين شرايطي را به وجود آورند از اين رو در تمام طول فرآوري ماده از يك سري ابر رايانه ولوازم الكترونيكي مدرن براي كنترل شرايط و اندازهگيري لحظه به لحظه دما استفاده ميشود آيا به نظر شما سرد كن ليزري به تنهايي ميتواند شرايط BEC را مهيا سازد؟
· سرد كن تبخيري: دمايي كه سرد كن ليزري فراهم ميآورد براي فرآوري BEC كافي نميباشد. از اين رو چون سرد كن ليزري توانايي سرد كردن بيش درجه كلوين را ندارد از روشي به نام سرد كن تبخيري استفاده ميكنند در اين روش ماده شبيه به جسم داغي است كه در هواي آزاد قرار ميگيرد و جسم لحظه به لحظه گرما از دست ميدهد.
مايع بسيار سرد را با فشار از محفظه به يك فلاسك خلا منتقل ميكنند. در اين انتقال عمليات سرد كن تبخيري انجام ميشود و هنگامي كه ماده به فلاسك خلاء وارد ميشود دمايي نزديك به درجه كلوين دارد.
فلاسك خلاء به گونهاي طراحي شده كه تبادل گرمايي آن با ماده نزديك به صفر است.
اما مشكل اصلي كه در اين مرحله وجود دارد برخورد اتمهاي نزديك به هم به ديواره محفظه است.
· اعمال ميدان مغناطيسي: همانطور كه ذكر شد در مرحله اول اتمها به وسيله ليزر پايداري ويژهاي رسيدند كه اين حالتي غير طبيعي براي اتم است. همچنين لرزش اتمها و برخورد محدود آنها با ديواره محفظه غير قابل اجتناب است. بنابراين براي كنترل فشار ليزر و نگه داشتن اتمها در حالت بسيار پايدار از يك ميدان مغناطيسي قوي استفاده ميشود.
ميدان مغناطيسي قوي همچنين موجب ميشود كه اتمها در يك مركز مشترك درون محفظه قرار گيرند و جنبش و برخورد آنها با ديواره محفظه به كمترين حد ممكن برسد. براي درك مكانيزم سرمايش مغناطيسي ابتدا ضروري است چند كلمهاي درباب آثار مغناطيسي ماده گفته شود.
طبق قوانين ماكسول درباب الكترو مغناطيسي ميدان مغناطيسي همواره به حركت و به ويژه گردش بار الكتريكي وابسته است. الكترونها كه بخشي از ساختار اتم را تشكيل ميدهند، چنين بارهاي متحركي هستند و به دو صورت با ميدان مغناطيسي مرتبطند. يكي با گردش در اطراف هست و ديگري از طريق چرخش حول خودشان، يعني اپسين. در قلمرو پديدههاي دماي كم، اپسينها اهميت ويژه دارند. در دماهايي كه اسپينها هنوز نظمي به خود نگرفتهاند، سويشان به طور كاتورهاي متوجه همه جهات است.
حال چنانچه ماده را در يك ميدان مغناطيسي، مثلاً بين قطب هاي يك آهنرباي قوي قرار دهيم خطوط ميدان ميخواهند اسپينها را در راستاي ميدان هم خط كنند. هم خط شدن اپسينها در دماي بالا به علت ارتعاش اتمها بسيار مشكل است. در نتيجه هر چه دما را كم كنيم اين هم خطي را حتتر و بيشتر ميشود. يعني آنترو پي يا بينظمي كاهش مييابد. هم خط شدن اپسينها در مجاورت ميدان مغناطيسي با دماي مطلق نسبت عكس دارد. سرد شدن در اين مرحله به قدرت ميدان مغناطيسي و نوع گاز بستگي دارد. يعني هر چه ميدان قويتر باشد به نقطهي سردتري دست مييابيم. در اين مرحله دما تا كاهش مي يابد. يكي از مشكلات مهم روش سرمايش مغناطيسي اين است كه ماده مورد نظر كه به اين طريق سرد ميشود تنها مدت كوتاهي سرد باقي ميماند و دوباره به دماي اوليه بر ميگردد. از اين رو براي رفع اين مشكل از روش ديگري استفاده ميشود به نام سرمايش هستهاي استفاده ميكنند.
· سرمايش هستهاي: اين امكان را به ما ميدهد تا به دماهايي بسيار پايينتر از روشها مغناطيسي دست يابيم. با استفاده از اين روش كه مستقيماً به سرد كردن هسته اتمها مي پردازد، دما را تا 280 پيكوكلوين پايين ميآورند. اين دما پايينترين دمايي است كه تاكنون در آزمايشگاهها ايجاد شده متأسفانه ما قادر به رسيدن به صفر مطلق نيستيم و بر طبق قانون سوم ترموديناميك، رسيدن به اين دما غير ممكن است زيرا ما قادر به جلوگيري از نفوذ گرما به داخل نمونه آزمايشي نيستيم چون حتي جذب اشعههاي كيهاني توسط نمونه مي تواند باعث افزايش دماي آن شود.
كاربرد ابر رساناها در صنعت
بوزاينيشتين (BEC) بوزونهايي سرد و در هم فرورفته هستند اين ابر ذرهها كه بيشتر رفتاري شبيه به موج دارند تا ذرهاي معمولي، خواص منحصر به فردي دارند؛ كه از آن جمله مي توان به شكنندگي آنها اشاره كرد كه موجب استفاده وسيع آن در صنعت امروز دنيا شده است. از ديگر ويژگيهاي BEC سرعت عبور كم نور در آن را ميتوان نام برد.
چگال فرميوني ويژگيها و كاربردهاي وسيع تري نسبت به BEC دارد از جمله خصوصيات منحصر به فرد چگال فرميوني ميتوان به گران روي (غلظت) بسيار زياد آن اشاره كرد. كه مشابه اين پديده را در ابر رساناها ميبينيم. در يك ابر رسانا جفت الكترونها ميتوانند بدون هيچ مقاومتي جريان يابند. اين ويژگي دانشمندان را اميدوار به ساختن ابر رساناهايي كرده كه در دماي اتاق قابل استفاده باشند.
امروزه در صنعت و تكنولوژي از ابر رساناهايي استفاده ميشود كه گرمترين آنها بايد در دماي 135 درجه سانتيگراد عمل كند و اين بزرگترين مشكل براي مطالعه و استفاده از آنهاست.
الكترون هاي فرميون به دليل اين كه خاصيت چسبندگي ميان آن نيست و به راحتي ميتوانند جريان يابند و مانند يك ابر رساناي بسيار مدرن عمل كنند، ميتوانند بدون آن كه با مقاومت الكتريكي مواجه شوند به راحتي جريان يابند.
از ابر رساناها مي توان در توليد الكتريسيته پاك و ارزان استفاده گسترده به عمل آورد. همچنين اگر استفاده از ابر رساناها در تكنولوژي ميسر شود ميتوان قطارهاي سريع السير وكامپيوترهاي فوق سريع با قيمتي پايين روانه بازار كرد. اما هم اكنون استفاده از ابر رساناها و حتي تحقيق دربارة آنها دشوار است.
اما ابر رساناها هم اكنون در علوم وفن آوري فضايي كاربرد وسيع دارند. براي مثال ژيروسكوپهايي كه براي هدايت فضاپيماها در مدارها استفاده ميشوند با آهن رباي ابر رسانا بسيار دقيقتر كار ميكنند، همچنين چون ابر رساناها ميتوانند حامل جريانهاي بيشتر در حجم كوچكتري نسبت به يك سيم مسي باشند حجم موتورهايي كه از آنها ساخته ميشود 4 تا 6 برابر كوچكتر از موتورهاي امروزي فضاپيما خواهد بود كه باعث كاهش وزن وهزينه در ساخت فضاپيما ميشود.
از ديگر كاربردهاي ابر رساناها ميتوان به كارايي آنها در علم پزشكي ياد كرد از سيستمهايي كه از ابر رساناها ساخته ميشود ميتوان ابزار تشخيصي دقيق و توانمندي در خدمت MRI استفاده كرد.

