تتكون المادة من ذرات أو جزيئات ترتبط مع بعضها البعض بروابط تعتمد قوتها على نوع من الطاقة الكامنة الكيميائية، وذلك وفقًا لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية، وتختلف حالات المادة باختلاف قوة الروابط بين الجسيمات المكونة لها، وذلك وفقًا لكمية الحرارة، التي تمتصها المادة أو تفقدها، والضغط الذي تتعرض له.
يمكن أن توجد المادة بشكل أساس في واحدة من أربع حالات طبيعية، هي: الحالة الصلبة، السائلة، الغازية وحالة البلازما. ولكن يوجد أيضًا حالات أخرى للمادة تصنّع في المختبر تحت شروط حرارة وضغط خاصين، كما في مكثفات بوز- آينشتاين، مكثفات الفرميونات، وبلازما كوارك- غلوون. بالإضافة إلى حالة غريبة أخرى للمادة تُعرف بالكريستال السائل، والتي توجد فيها المادة كمادة صلبة وسائلة في آن واحد.
1 – الحالة الصلبة
وهي الحالة الأكثر شهرة من حالات المادة، تتميز المواد الصلبة بأن لها حجم وشكل محدد، كما أنها صلبة نسبيًا حيث ترتبط الذرات والجزيئات ببعضها البعض بروابط قوية، مما يجعل الجسم الصلب يهتز في مكانه لكنه لا يتحرك عند تعرضه لقوة ما.
يمكن أن تكون المواد الصلبة إما غير متبلورة، أي أنه ليس لها بنية معينة، حيث ترتبط الذرات والجزيئات مع بعضها البعض بطريقة عشوائية كما في السخام. أو قد تكون بلورية (متبلورة)، وتتميز المواد الصلبة البلورية باصطفاف الذرات والجزيئات فيها في نمط منتظم.
2 – الحالة السائلة
تتميز السوائل بأن لها حجم محدد، لكن ليس لها شكل محدد، حيث تأخذ شكل الوعاء الذي توضع فيه. تسهم الروابط الداخلية بين جزيئات المادة وكذلك القوى الخارجية المطبقة على هذه الجزيئات مثل الجاذبية، القصور الذاتي… في تحديد شكل المادة.
تتميز ذرات وجزيئات المواد عندما تكون في الحائلة السائلة بأنها تكون مرتبطة بروابط ضعيفة، وبالتالي فإن الجزيئات تكون حرة في الانزلاق عبر بعضها البعض، لكنها تبقى قريبة من بعضها البعض.
3 – الحالة الغازية
في الحالة الغازية، تتحرك الذرات والجزيئات بحرية وتنتشر مبتعدةً عن بعضها البعض، حيث تكون القوى بين الجزيئات في حدها الأدنى على عكس الجزيئات الصلبة.
الغازات ليس لها حجم أو شكل محدد، وتخضع بشكل عم للانصباب والانتشار. يحدث الانصباب عندما يتسرب الغاز عبر ثقب صغير، ويحدث الانتشار عندما ينتشر الغاز عبر الغرفة. مثال على ذلك عند ترك زجاجة من الأمونيا تحتوي على فتحة داخلها، فإن الغرفة بأكملها ستفوح منها رائحة غاز الأمونيا في النهاية.
4 – البلازما
وتعرف بأنها الحالة الرابعة للمادة، وهي حالة مشابهة للحالة الغازية، ليس لها شكل أو حجم محدد، باستثناء أن العديد من جسيماتها تحمل شحنة كهربائية تجعلها تتصرف بشكل غريب مقارنة بالغاز العادي، فالبلازما عالية الطاقة هي أساسًا نوى عارية تسبح في بحر من الإلكترونات.
تأخذ البلازما شكل محايد شبيه بالغيوم، أو قد تكون على شكل خيوط أو حزم، وتوصف بأنها غاز متأين حيث تكون الإلكترونات حرة الحركة في السحابة وغير مرتبطة بالذرات كما ذكرنا سابقًا، وذلك بسبب تعريض البلازما إلى درجة حرارة عالية جدًا أو إخضاعها لـمجال كهرو مغناطيسيي مما يجعل خصائصها مختلفة عن خصائص الغاز العادي.
تحدث البلازما بشكل طبيعي في اللهب والبرق والشفق القطبي والشرر الكهربائي، ومصابيح الفلورسنت وأضواء النيون وتلفزيونات البلازما وبعض أنواع اللهب والنجوم كلها أمثلة على مادة مضيئة في حالة البلازما.
5 – حالات المادة عند تعرضها لدرجات الحرارة العالية جدًا
اكتشف العلماء حالات أخرى للمادة عندما تتعرض إلى مستويات طاقة وضغط عاليين للغاية، حيث يتم ترتيب ذراتها وجزيئاتها بطرق غير مألوفة، من أشهر هذه الحالات:
المادة المُتحللة
تتواجد هذه المادة في النجوم تحت تأثير ضغط عال جدًا، وتتميز بأنها تمتلك كثافة عالية جدًا أيضًا، تمنح المادة المتحللة الأجرام صفاتها الكمومية. وتوصف بأنها ليست غاز بروتونات أو إلكترونات.
مادة الكوارك
تتكون هذه المادة عندما تتعرض الكواركات الموجودة في نواة الذرة والتي تعد المكون الرئيس لبنية البروتونات والنيترونات داخلها، إلى درجات حرارة مرتفعة جدًا عند كثافة محددة حيث تتحرر هذه الكواركات وتمرّ بأطوارٍ مختلفة مكونة مادة يُطلق عليها اسم مادة الكوارك.
6 – حالات المادة عند تعرضها لدرجات الحرارة المنخفضة جدًا
اكتشف العلماء أيضًا حالات أخرى للمادة عندما تتعرض إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، قريبة من الصفر المطلق، وذلك بشكل مخبري حيث يتم ترتيب ذراتها وجزيئاتها بطرق غير مألوفة أيضًا كما يحدث في:
الميوعة الفائقة
وهي حالة تم اكتشافها لأوّل مرة في الحالة السائلة لـغاز الهيليوم وذلك عام 1937م، حيث تبين أنه عند اقتراب السوائل من درجة حرارة الصفر المُطلق تفقد لزوجتها ومقاومتها للإنسياب تمامًا. وتتميّز هذه الحالة بتوصيلها الفائق الّلانهائيّ للحرارة دون أدنى مقاومة تُذكَر.
تكاثف بوز- آينشتاين
اكتشف آينشتاين وعالم الفيزياء الهندي ساتيندرا ناث بوز، إحدى حالات المادة مخبريًا، حيث تبيّن أنه عند اقتراب بعض ذرات الغازات (البوزونات) من درجة الصفر المُطلق، يتغير سلوكها حيث تتوقف عن التصرّف بمثابة ذرات مُستقلة وتنهار كموميًا.
بحسب العالمان بوز وأينشتاين تمتلك الذرات في الحالة الطبيعية طاقة محددة لا يمكن أن تكون عشوائية، ولكن عند تبريد بعض الذرات إلى درجة الصفر المطلق تنخفض طاقتها إلى نفس المستوى ويصبح تمييزها عن بعضها البعض صعبًا، لذا تبدو هذه الذرات ككرة ضبابية.
تكاثف الفرميونات
وهي حالة شبيهة بمكثفات بوز- أنشتاين يتم الحصول عليها مخبريًا، ولكن عند درجات حرارة أقل من تكاثف بوز-آينشتاين، وتشمل جسيمات الفيرميونات فقط.
تعرف مكثفات الفرميونات بأنها نوع من السوائل الفائقة تمتلك خصائص الموائع بحيث لا يتوقف السائل الفائق عن التدفق أبدًا بمجرد تحريكه. حيث تم استخدامها لاختبار نظريات الثقوب السوداء.
جُزيئات ريدبيرج
هي إحدى الحالات المُستقرة من البلازما، يتم الحصول عليها عند تكثيف الذرات المُثارة عند درجة حرارة منخفضة جدًا، إلا أنها لا تعد بلازما أو غاز ولا مادة صلبة أو سائلة.
صنفها العلماء كفئة جديدة من المادة الكمومية بمقياس صغير جدًا، حيث اكتشف الباحثون في معهد الفيزياء الجزيئية الذرية النظرية والفيزياء البصرية (ITAMP) في مركز هارفارد- سميثسونيان للفيزياء الفلكية (CfA) و فيزياء هارفارد، بعد فحص سلوك هذه المادة، على المقياسين الذري ودون الذري أن جُزيئات ريدبيرج هي عبارة عن جسيم عملاق نسبيًا يحتوي ذرات تسلك سلوك جسيم واحد ضخم. وتتميز ذرة ريدبيرج بأنها أكبر بحوالي عشرة آلاف مرة من الذرة النموذجية.
المواد الضوئيّة
حالة من حالات المادة تحدث نتيجة تفاعل فوتونات الضوء مع غازاتٍ ذات كُتلٍ كبيرة، ما يُنتج جُزيئاتٍ فوتونيّةً أو ضوئيّة.
المصادر
