تويت
ما هو تعريف الماده
عند تبسيط الأمور إلى أبعد حدٍّ ممكنٍ، يمكنك القول أن أغلب ما يُحيط بك من الأجسام والكيانات التي يُمكنك قياسها بشكلٍ أو بآخر، تُعتبر مادةً، فمثلًا، إن أي جسمٍ مصنوع من الخشب أو المعدن هو مادةٌ لها أبعادٌ ووزنٌ، ومع ذلك، يمكنك أن تُلاحظ وجود أشياءَ يمكن قياسها ولكن لا تُعتبر مادةً مثل الضوء الذي يمكن قياس شدّته ولا يُعتبر مادةً بحدّ ذاته، كذلك الأمر مع بعض الأشياء التي لا يمكنك قياسها مثل المشاعر والأحاسيس الإنسانية، فما هو تعريف الماده ؟ وما هو المقياس الذي تُصنّف الأشياء وفقه لتفريق الماده عن اللامادة؟ وما هي أنواع المواد؟. سأحاول أن أشبع فضولك بعض الشيء عن هذه التساؤلات وغيرها في المقال التالي.
تعريف الماده
الماده هي أيّ شيءٍ له كتلةٌ ويحتلُّ حيّزًا من الفراغ يُدعى الحجم، وفي هذا السياق، يجب أن تعرف بأنه من الناحية الفيزيائية، يُعبر عن الماده من خلال عدة مفاهيمَ هي الكتلة والحجم والكثافة، فالكتلة فهي كمية الماده التي يحتوي عليها الجسم وتُقاس بالغرام أو الكيلوغرام أو الطن أو غيرها، وأما الحجم فهو مقدار الحيّز من الفراغ الذي تشغله الماده ويُقاس بالليتر أو المتر المكعب، في حين أن الكثافة هي مقدار الماده التي يمتلكها الجسم في حجمٍ معينٍ، ولإيجاد الكثافة قسّم كتلة الجسم على حجمه وفق العلاقة: الكثافة = الكتلة / الحجم.
تتكون كل المواد من الذرات، والتي تتكون بدورها من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، تتجمع الذرات معًا لتشكل جزيئاتٍ، وهي اللّبنات الأساسية لجميع أنواع الماده. تُجمع كل من الذرات والجزيئات معًا بواسطة شكلٍ من أشكال الطاقة يسمى الطاقة الكامنة.
إن ترتيب جزيئات الماده يمثل درجة قوة الروابط فيما بينها، وكذلك الحيز أو المسافة بين الجزيئات هي العوامل الأساسية التي تُعطي الماده خصائصها وصفاتها، وبناءً عليه تُقسّم الماده بشكلٍ عام إلى عدة أنواعٍ أو أشكالٍ.
أشكال الماده
هناك أربع حالاتٍ طبيعية للمادة هي: المواد الصلبة، والسوائل، والغازات، والبلازما، بالإضافة إلى نوعٍ صناعيٍّ من صُنع البشر يُسمى بمكثفات بوز – أينشتاين، سأناقش كلًا منها ببعض التفصيل.
الماده الصلبة
تمتاز الماده الصلبة بالتجاذب الكبير بين جُزيئاتها، إذ ترتصّ جُزيئاتها على مسافاتٍ ثابتةٍ من بعضها البعض ولا تتحرك، ما يُعطيها شكلًا وحجمًا ثابتين. تنقسم المواد الصلبة بشكلٍ عامٍ إلى ثلاث فئاتٍ عريضة تبعًا لطريقة اصطفاف جزيئات الماده تجاه بعضها البعض وهي:
الماده السائلة
الحالة السائلة للمادة هي مرحلةٌ وسطيةٌ بين المواد الصلبة والغازية من حيث الترابط والمسافات بين الجُزيئات، تخضع جُزيئات السوائل للتجاذب فيما بينها مثل جسيمات الماده الصلبة، لذلك حجمها يبقى ثابتًا تقريبًا، ولكن المسافة بين جُزيئات السوائل أكبر منها في الماده الصلبة لذا فهي غير ثابتةٍ في موضعها.
تتسبب حركة الجسيمات في تغير شكل السائل حيث تنساب الجزيئات فوق بعضها معطيةً انسيابية للسوائل بحيث تملأ الجزء السفلي من أي وعاءٍ توضع فيه دون تغيرٍ في الحجم.
.
الماده الغازية
الغاز هو حالة مادة ليس لها شكلٌ ولا حجمٌ ثابتان، تتميز الغازات بكثافةٍ أقلّ من حالات الماده الأخرى (المواد الصلبة والسوائل)، إذ تتوضع جزيئات الغازات على مسافةٍ كبيرةٍ من بعضها البعض، وتكون الروابط فيما بينها ضعيفةً نسبيًّا ما يسمح لها بالتحرك والانتشار بحريةٍ.
تتحرك الجُزيئات المكونة للغازات بسرعةٍ كبيرةٍ وتتصادم مع بعضها البعض، مما يؤدي إلى انتشارها حتى يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء الحاوية التي توجد فيها. عندما يدخل المزيد من جزيئات الغاز إلى الحاوية، تقلّ مساحة انتشار الجزيئات وتصبح مضغوطةً على بعضها وتمارس الجسيمات قوّةً أكبر على الجدار الداخلي للحاوية، تُسمى هذه القوة بالضغط.
.
البلازما (نواتج الاندماج في النجوم)
البلازما مادةٌ شديدة الحرارة بحيث تنفصل الإلكترونات عن الذرات مكونةً غازًا مؤينًا، فهي شكلٌ من أشكال الغازات، غالبًا ما يُطلق على البلازما (الحالة الرابعة للمادة) جنبًا إلى جنبٍ مع المواد الصلبة والسائلة والغازية.
تُشكل البلازما أكثر من 99% من الكون المرئي، تتوهج على شكل نجومٍ في السماء، وحتى الشفق القطبي الذي يتموج أحيانًا فوق القطبين الشمالي والجنوبي هو نوعٌ من البلازما، كذلك البرق الذي يشق السماء هو بلازما، هي الحالة الأكثر شيوعًا للمادة في الكون ككلٍ، حيث تشكل البلازما النواتج الأساسية لتفاعلات الاندماج النووي في النجوم والشمس.
.
تلك الأنواع الأربعة السابقة هي الأنواع الموجودة بشكلٍ طبيعيٍّ في الكون كأشكالٍ للمادة، ولكن تمكن العلماء من استنباط نوعٍ صناعيٍّ أطلقوا عليه مكثف بوز-آينشتاين.
مكثف بوز-آينشتاين
هي حالةٌ من حالات الماده تحدث عندما تُبرّد مجموعة من الذرات تقريبًا إلى الصفر المطلق، بحيث أنها تتداخل فيزيائيًّا مع بعضها البعض وتشكل في الواقع ذرةً واحدةً. بحسب مبدأ عدم اليقين في الفيزياء، إذا كانت سرعة الذرة طبيعيةً في حركتها، فإن موقعها يصبح غير محددٍ بمرور الوقت، لكن عن طريق تبريد مجموعةٍ من الذرات إلى درجةٍ أعلى بقليلٍ من الصفر المطلق، يمكن تحديد سرعتها بدقةٍ إلى حدٍّ ما، إلى درجةٍ تتداخل مواقعها النظرية مع بعضها البعض، وفي هذه المرحلة، يمكن التعامل مع جميع الذرات كما لو كانت موجودةً في نفس الحالة الكمية، وتشكل جزءًا من ذرةٍ واحدةٍ كبيرةٍ.
عند تبسيط الأمور إلى أبعد حدٍّ ممكنٍ، يمكنك القول أن أغلب ما يُحيط بك من الأجسام والكيانات التي يُمكنك قياسها بشكلٍ أو بآخر، تُعتبر مادةً، فمثلًا، إن أي جسمٍ مصنوع من الخشب أو المعدن هو مادةٌ لها أبعادٌ ووزنٌ، ومع ذلك، يمكنك أن تُلاحظ وجود أشياءَ يمكن قياسها ولكن لا تُعتبر مادةً مثل الضوء الذي يمكن قياس شدّته ولا يُعتبر مادةً بحدّ ذاته، كذلك الأمر مع بعض الأشياء التي لا يمكنك قياسها مثل المشاعر والأحاسيس الإنسانية، فما هو تعريف الماده ؟ وما هو المقياس الذي تُصنّف الأشياء وفقه لتفريق الماده عن اللامادة؟ وما هي أنواع المواد؟. سأحاول أن أشبع فضولك بعض الشيء عن هذه التساؤلات وغيرها في المقال التالي.
تعريف الماده
الماده هي أيّ شيءٍ له كتلةٌ ويحتلُّ حيّزًا من الفراغ يُدعى الحجم، وفي هذا السياق، يجب أن تعرف بأنه من الناحية الفيزيائية، يُعبر عن الماده من خلال عدة مفاهيمَ هي الكتلة والحجم والكثافة، فالكتلة فهي كمية الماده التي يحتوي عليها الجسم وتُقاس بالغرام أو الكيلوغرام أو الطن أو غيرها، وأما الحجم فهو مقدار الحيّز من الفراغ الذي تشغله الماده ويُقاس بالليتر أو المتر المكعب، في حين أن الكثافة هي مقدار الماده التي يمتلكها الجسم في حجمٍ معينٍ، ولإيجاد الكثافة قسّم كتلة الجسم على حجمه وفق العلاقة: الكثافة = الكتلة / الحجم.
تتكون كل المواد من الذرات، والتي تتكون بدورها من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، تتجمع الذرات معًا لتشكل جزيئاتٍ، وهي اللّبنات الأساسية لجميع أنواع الماده. تُجمع كل من الذرات والجزيئات معًا بواسطة شكلٍ من أشكال الطاقة يسمى الطاقة الكامنة.
إن ترتيب جزيئات الماده يمثل درجة قوة الروابط فيما بينها، وكذلك الحيز أو المسافة بين الجزيئات هي العوامل الأساسية التي تُعطي الماده خصائصها وصفاتها، وبناءً عليه تُقسّم الماده بشكلٍ عام إلى عدة أنواعٍ أو أشكالٍ.
أشكال الماده
هناك أربع حالاتٍ طبيعية للمادة هي: المواد الصلبة، والسوائل، والغازات، والبلازما، بالإضافة إلى نوعٍ صناعيٍّ من صُنع البشر يُسمى بمكثفات بوز – أينشتاين، سأناقش كلًا منها ببعض التفصيل.
الماده الصلبة
تمتاز الماده الصلبة بالتجاذب الكبير بين جُزيئاتها، إذ ترتصّ جُزيئاتها على مسافاتٍ ثابتةٍ من بعضها البعض ولا تتحرك، ما يُعطيها شكلًا وحجمًا ثابتين. تنقسم المواد الصلبة بشكلٍ عامٍ إلى ثلاث فئاتٍ عريضة تبعًا لطريقة اصطفاف جزيئات الماده تجاه بعضها البعض وهي:
- المواد الصلبة البلورية: تترتب جزيئاتها بشكلٍ دوريٍّ بانتظامٍ كما الشبكة الواحدة، ومن أهم الأمثلة عليها جميع المعادن والعديد من الأملاح المعدنية مثل ملح الطعام الشائع (كلوريد الصوديوم).
- المواد الصلبة غير البلورية: لا يتم فيها تنظيم الذرات والجزيئات في نمطٍ شبكيٍّ محددٍ، وهي تشمل الزجاج والبلاستيك.
- المواد الصلبة شبه البلورية: تُرتب الذرات فيها بطريقةٍ شبه دوريةٍ؛ أي في أنماطٍ لا تتكرر على فتراتٍ منتظمةٍ، إنما وفق تناظراتٍ مثل التناظر الخماسي المحظور في البلورات العادية. تُعتبر الهياكل شبه البلورية شائعةً في السبائك التي يُدمج فيها الألومنيوم مع معدنٍ آخر كالحديد أو الكوبالت أو النيكل.
الماده السائلة
الحالة السائلة للمادة هي مرحلةٌ وسطيةٌ بين المواد الصلبة والغازية من حيث الترابط والمسافات بين الجُزيئات، تخضع جُزيئات السوائل للتجاذب فيما بينها مثل جسيمات الماده الصلبة، لذلك حجمها يبقى ثابتًا تقريبًا، ولكن المسافة بين جُزيئات السوائل أكبر منها في الماده الصلبة لذا فهي غير ثابتةٍ في موضعها.
تتسبب حركة الجسيمات في تغير شكل السائل حيث تنساب الجزيئات فوق بعضها معطيةً انسيابية للسوائل بحيث تملأ الجزء السفلي من أي وعاءٍ توضع فيه دون تغيرٍ في الحجم.
.
الماده الغازية
الغاز هو حالة مادة ليس لها شكلٌ ولا حجمٌ ثابتان، تتميز الغازات بكثافةٍ أقلّ من حالات الماده الأخرى (المواد الصلبة والسوائل)، إذ تتوضع جزيئات الغازات على مسافةٍ كبيرةٍ من بعضها البعض، وتكون الروابط فيما بينها ضعيفةً نسبيًّا ما يسمح لها بالتحرك والانتشار بحريةٍ.
تتحرك الجُزيئات المكونة للغازات بسرعةٍ كبيرةٍ وتتصادم مع بعضها البعض، مما يؤدي إلى انتشارها حتى يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء الحاوية التي توجد فيها. عندما يدخل المزيد من جزيئات الغاز إلى الحاوية، تقلّ مساحة انتشار الجزيئات وتصبح مضغوطةً على بعضها وتمارس الجسيمات قوّةً أكبر على الجدار الداخلي للحاوية، تُسمى هذه القوة بالضغط.
.
البلازما (نواتج الاندماج في النجوم)
البلازما مادةٌ شديدة الحرارة بحيث تنفصل الإلكترونات عن الذرات مكونةً غازًا مؤينًا، فهي شكلٌ من أشكال الغازات، غالبًا ما يُطلق على البلازما (الحالة الرابعة للمادة) جنبًا إلى جنبٍ مع المواد الصلبة والسائلة والغازية.
تُشكل البلازما أكثر من 99% من الكون المرئي، تتوهج على شكل نجومٍ في السماء، وحتى الشفق القطبي الذي يتموج أحيانًا فوق القطبين الشمالي والجنوبي هو نوعٌ من البلازما، كذلك البرق الذي يشق السماء هو بلازما، هي الحالة الأكثر شيوعًا للمادة في الكون ككلٍ، حيث تشكل البلازما النواتج الأساسية لتفاعلات الاندماج النووي في النجوم والشمس.
.
تلك الأنواع الأربعة السابقة هي الأنواع الموجودة بشكلٍ طبيعيٍّ في الكون كأشكالٍ للمادة، ولكن تمكن العلماء من استنباط نوعٍ صناعيٍّ أطلقوا عليه مكثف بوز-آينشتاين.
مكثف بوز-آينشتاين
هي حالةٌ من حالات الماده تحدث عندما تُبرّد مجموعة من الذرات تقريبًا إلى الصفر المطلق، بحيث أنها تتداخل فيزيائيًّا مع بعضها البعض وتشكل في الواقع ذرةً واحدةً. بحسب مبدأ عدم اليقين في الفيزياء، إذا كانت سرعة الذرة طبيعيةً في حركتها، فإن موقعها يصبح غير محددٍ بمرور الوقت، لكن عن طريق تبريد مجموعةٍ من الذرات إلى درجةٍ أعلى بقليلٍ من الصفر المطلق، يمكن تحديد سرعتها بدقةٍ إلى حدٍّ ما، إلى درجةٍ تتداخل مواقعها النظرية مع بعضها البعض، وفي هذه المرحلة، يمكن التعامل مع جميع الذرات كما لو كانت موجودةً في نفس الحالة الكمية، وتشكل جزءًا من ذرةٍ واحدةٍ كبيرةٍ.