สสารมีสถานะต่างกันอย่างไร

คนส่วนใหญ่รู้จักของแข็ง ของเหลว และก๊าซ – แล้วอีกสี่คนล่ะ?

น้ำแข็ง น้ำ และไอระเหยเป็นสามรูปแบบหรือสถานะของน้ำที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน เช่นเดียวกับสสารอื่นๆ น้ำสามารถมีรูปแบบต่างๆ กันเมื่อสภาพแวดล้อมรอบๆ เปลี่ยนไป ยกตัวอย่างเช่น ถาดทำน้ำแข็ง เทน้ำลงในถาด นำไปแช่ในช่องแช่แข็ง และอีกไม่กี่ชั่วโมงต่อมาน้ำที่เป็นของเหลวจะเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง สารในถาดยังคงเป็นสารเคมีตัวเดิม — H2O; มีเพียงสถานะเท่านั้นที่เปลี่ยนไป

ใส่น้ำแข็งลงในหม้อบนเปลวไฟบนเตาและจะละลายกลับเป็นของเหลว หากร้อนพอ คุณจะสังเกตเห็นไอน้ำลอยขึ้นจากของเหลว ไอระเหยนี้ยังคงเป็น H2O อยู่ในรูปแบบก๊าซเท่านั้น ของแข็ง (น้ำแข็ง) ของเหลว (น้ำ) และก๊าซ (ไอ) เป็นสามสถานะที่พบได้บ่อยที่สุดของสสาร อย่างน้อยก็บนโลก

ในสมัยกรีกโบราณ นักปรัชญาคนหนึ่งตระหนักว่าน้ำสามารถเปลี่ยนรูปแบบได้อย่างไร และให้เหตุผลว่าทุกสิ่งต้องทำจากน้ำ อย่างไรก็ตาม น้ำไม่ใช่สสารประเภทเดียวที่เปลี่ยนสถานะเมื่อถูกทำให้ร้อน เย็นลง หรือถูกบีบอัด สสารทั้งหมดประกอบด้วยอะตอมและ/หรือโมเลกุล เมื่อหน่วยการสร้างเล็กๆ ของสสารเปลี่ยนโครงสร้างของมัน สถานะหรือระยะของสสารก็เปลี่ยนไปเช่นกัน

ของแข็ง ของเหลว และก๊าซเป็นสถานะที่รู้จักกันดีที่สุดของสสาร แต่พวกเขาไม่ใช่คนเดียว รัฐที่รู้จักกันน้อยจะพัฒนาภายใต้สภาวะที่รุนแรงมากขึ้น ซึ่งบางรัฐไม่เคยมีอยู่ตามธรรมชาติบนโลก (นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างได้ในห้องทดลองเท่านั้น) แม้กระทั่งทุกวันนี้ นักวิจัยยังคงค้นพบสถานะใหม่ของสสาร

ในขณะที่มีแนวโน้มที่รอการค้นพบมากกว่านี้ ด้านล่างนี้คือสถานะที่ตกลงร่วมกันในปัจจุบัน 7 สถานะที่สามารถดำเนินการได้

ของแข็ง: วัสดุในสถานะนี้มีปริมาตรและรูปร่างที่แน่นอน นั่นคือพวกเขาใช้พื้นที่จำนวนหนึ่ง และพวกมันจะคงรูปร่างโดยไม่ต้องใช้ภาชนะช่วย โต๊ะ โทรศัพท์ และต้นไม้ล้วนเป็นตัวอย่างของสสารที่อยู่ในรูปของแข็ง

อะตอมและโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นของแข็งจะจับตัวกันแน่น พวกมันถูกมัดแน่นจนไม่สามารถเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระ ของแข็งอาจละลายเป็นของเหลวได้ หรืออาจระเหิดได้ — เปลี่ยนจากของแข็งเป็นก๊าซโดยตรงเมื่ออยู่ในอุณหภูมิหรือความดันระดับหนึ่ง

ของเหลว: วัสดุในสถานะนี้มีปริมาตรแน่นอน แต่ไม่มีรูปร่างแน่นอน การบีบของเหลวจะไม่บีบอัดให้มีปริมาตรน้อยลง ของเหลวจะมีรูปร่างเหมือนภาชนะที่เทลงไป แต่จะไม่ขยายตัวจนเต็มภาชนะที่ถือไว้ น้ำ แชมพู และนมเป็นตัวอย่างของของเหลวทั้งหมด

อะตอมและโมเลกุลของของเหลวอัดแน่นน้อยกว่าของแข็ง ของเหลวสามารถทำให้เย็นลงเป็นของแข็งได้ เมื่อได้รับความร้อนเพียงพอ มันมักจะกลายเป็นก๊าซ

ภายในขั้นตอนทั่วไปของสสาร สถานะอื่นอาจปรากฏขึ้น ตัวอย่างเช่นมีผลึกเหลว พวกมันดูเหมือนจะเป็นของเหลวและไหลเหมือนของเหลว โครงสร้างโมเลกุลของพวกมันคล้ายกับผลึกแข็งมากกว่า น้ำสบู่เป็นตัวอย่างของผลึกเหลวทั่วไป อุปกรณ์จำนวนมากใช้คริสตัลเหลว เช่น โทรศัพท์มือถือ ทีวี และนาฬิกาดิจิทัล

แก๊ส: วัสดุในขั้นตอนนี้ไม่มีปริมาตรหรือรูปร่างที่แน่นอน ก๊าซจะมีรูปร่างเหมือนภาชนะบรรจุและขยายตัวเพื่อเติมภาชนะนั้น ตัวอย่างของก๊าซทั่วไป ได้แก่ ฮีเลียม (ใช้เพื่อทำให้ลูกโป่งลอยได้) อากาศที่เราหายใจ และก๊าซธรรมชาติที่ใช้เป็นพลังงานในครัวหลายประเภท

อะตอมและโมเลกุลของก๊าซยังเคลื่อนที่ได้รวดเร็วและอิสระมากกว่าของแข็งหรือของเหลว พันธะเคมีระหว่างโมเลกุลในแก๊สนั้นอ่อนแอมาก อะตอมและโมเลกุลเหล่านี้อยู่ห่างกันกว่าอะตอมและโมเลกุลของวัสดุชนิดเดียวกันทั้งในรูปของเหลวหรือของแข็ง เมื่อเย็นลง แก๊สอาจควบแน่นเป็นของเหลว ตัวอย่างเช่น ไอน้ำในอากาศสามารถควบแน่นภายนอกแก้วที่บรรจุน้ำเย็นจัด สิ่งนี้สามารถสร้างหยดน้ำเล็กๆ พวกมันสามารถไหลลงด้านข้างของกระจก ก่อตัวเป็นหยดน้ำเล็กๆ บนโต๊ะ (นั่นเป็นเหตุผลหนึ่งที่ผู้คนใช้ที่รองแก้วสำหรับเครื่องดื่ม)

คำว่า “ของเหลว” อาจหมายถึงของเหลวหรือก๊าซ ของเหลวบางชนิดมีความสำคัญยิ่งยวด นี่คือสถานะของสสารที่เกิดขึ้น ณ จุดวิกฤตของอุณหภูมิและความดัน ณ จุดนี้ ของเหลวและก๊าซไม่สามารถแยกออกจากกันได้ ของเหลวเหนือวิกฤตดังกล่าวเกิดขึ้นตามธรรมชาติในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์

พลาสมา: เช่นเดียวกับก๊าซ สถานะของสสารนี้ไม่มีรูปร่างหรือปริมาตรที่แน่นอน พลาสมาสามารถนำกระแสไฟฟ้าและสร้างสนามแม่เหล็กได้ สิ่งที่ทำให้พลาสมาพิเศษคือมีไอออน นี่คืออะตอมที่มีประจุไฟฟ้า สัญญาณฟ้าผ่าและไฟนีออนเป็นสองตัวอย่างของพลาสมาที่มีไอออนบางส่วน มักพบพลาสมาในดาวฤกษ์ต่างๆ รวมทั้งดวงอาทิตย์ของเราด้วย

พลาสมาสามารถสร้างขึ้นได้โดยการให้ความร้อนแก่ก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงมาก พลาสมาอาจก่อตัวขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าแรงสูงเคลื่อนผ่านช่องว่างของอากาศระหว่างจุดสองจุด แม้ว่าจะหายากบนโลก แต่พลาสมาก็เป็นสสารที่พบได้บ่อยที่สุดในเอกภพ

Bose-Einstein condensate: ก๊าซที่มีความหนาแน่นต่ำมากซึ่งถูกทำให้เย็นลงจนเกือบเป็นศูนย์สัมบูรณ์จะเปลี่ยนเป็นสถานะใหม่ของสสาร: Bose-Einstein condensate ศูนย์สัมบูรณ์ถือเป็นอุณหภูมิต่ำสุดที่เป็นไปได้: 0 เคลวิน, –273 องศาเซลเซียส หรือประมาณ –459.67 องศาฟาเรนไฮต์ เมื่อก๊าซที่มีความหนาแน่นต่ำเข้าสู่สภาวะเย็นจัด ในที่สุด อะตอมทั้งหมดจะเริ่ม “ควบแน่น” เข้าสู่สถานะพลังงานเดียวกัน เมื่อไปถึงแล้ว พวกมันก็จะทำหน้าที่เป็น “ซุปเปอร์อะตอม” superatom คือกลุ่มของอะตอมที่ทำหน้าที่ราวกับว่าพวกมันเป็นอนุภาคเดี่ยว

คอนเดนเสทของ Bose-Einstein ไม่พัฒนาตามธรรมชาติ พวกมันก่อตัวขึ้นภายใต้สภาวะในห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุมอย่างระมัดระวังและรุนแรงเท่านั้น

สสารเสื่อม: สถานะของสสารนี้พัฒนาขึ้นเมื่อก๊าซถูกบีบอัดมาก ตอนนี้มันเริ่มทำตัวเหมือนของแข็งแม้ว่าจะยังคงเป็นก๊าซก็ตาม

โดยปกติแล้วอะตอมในแก๊สจะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วและอิสระ ไม่ใช่เรื่องเสื่อมทราม ที่นี่อยู่ภายใต้ความกดดันสูงจนอะตอมเบียดชิดกันเป็นช่องว่างเล็กๆ เช่นเดียวกับของแข็ง พวกมันไม่สามารถเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระอีกต่อไป

ดาวฤกษ์ที่สิ้นอายุขัย เช่น ดาวแคระขาวและดาวนิวตรอน มีสสารที่เสื่อมสภาพ สิ่งนี้ทำให้ดาวดังกล่าวมีขนาดเล็กและหนาแน่นมาก

สสารที่เสื่อมสภาพมีหลายประเภท รวมถึงสสารที่เสื่อมสภาพด้วยอิเล็กตรอน สสารรูปแบบนี้ประกอบด้วยอิเล็กตรอนเป็นส่วนใหญ่ อีกตัวอย่างหนึ่งคือสสารที่สลายนิวตรอน รูปแบบของสสารนั้นประกอบด้วยนิวตรอนเป็นส่วนใหญ่

ควาร์ก-กลูออนพลาสมา: ตามชื่อของมัน พลาสมาควาร์ก-กลูออนประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานที่เรียกว่าควาร์กและกลูออน ควาร์กรวมตัวกันเพื่อสร้างอนุภาคเช่นโปรตอนและนิวตรอน กลูออนทำหน้าที่เป็น “กาว” ที่ยึดควาร์กเหล่านั้นไว้ด้วยกัน พลาสมาควาร์ก-กลูออนเป็นสสารรูปแบบแรกที่เติมเต็มจักรวาลหลังบิกแบง

นักวิทยาศาสตร์จาก European Organization for Nuclear Research หรือ CERN ตรวจพบพลาสมาของควาร์ก-กลูออนเป็นครั้งแรกในปี 2000 จากนั้นในปี 2005 นักวิจัยจาก Brookhaven National Laboratory ในเมืองอัพตัน นิวยอร์ก ได้สร้างพลาสมาของควาร์ก-กลูออนโดยการทุบอะตอมของทองคำเข้าด้วยกันในระยะใกล้ สู่ความเร็วแสง การชนกันที่มีพลังเช่นนี้สามารถทำให้เกิดอุณหภูมิที่รุนแรง — ร้อนกว่าภายในดวงอาทิตย์ถึง 250,000 เท่า การแตกตัวของอะตอมนั้นร้อนพอที่จะสลายโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอมออกเป็นควาร์กและกลูออน

เป็นที่คาดหมายกันว่าพลาสมาของควาร์ก-กลูออนนี้จะเป็นก๊าซ แต่การทดลองที่ Brookhaven แสดงให้เห็นว่าจริงๆแล้วมันเป็นของเหลวชนิดหนึ่ง ตั้งแต่นั้นมา การทดลองหลายชุดได้แสดงให้เห็นว่าพลาสมาทำหน้าที่เป็นของเหลวยิ่งยวด แสดงความต้านทานต่อการไหลของสารน้อยกว่าสารอื่นๆ

ครั้งหนึ่งพลาสมาควาร์ก-กลูออนได้เติมเต็มจักรวาลทั้งหมด — เหมือนกับซุปชนิดหนึ่ง — ซึ่งสสารดังกล่าวถือกำเนิดขึ้นอย่างที่เราทราบกันดี

และอื่น ๆ? เช่นเดียวกับผลึกเหลวและของไหลวิกฤตยิ่งยวด มีสถานะของสสารมากกว่าที่อธิบายไว้ข้างต้น ในขณะที่นักวิจัยยังคงทำงานต่อไปเพื่อทำความเข้าใจโลกรอบตัวเรา พวกเขามักจะค้นหาวิธีการที่แปลกใหม่และแปลกใหม่อยู่เสมอเพื่อให้อะตอมซึ่งเป็นส่วนประกอบของทุกสิ่งในโลกรอบตัวเราประพฤติตนภายใต้สภาวะที่รุนแรง

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ harigamiya.com