Maddenin Kaç Hali Vardır ve Nelerdir?

Okulda, maddenin üç, hatta dört hali olduğunu öğrenmiş olabilirsiniz; maddenin klasik halleri. Ancak evren anlayışımız genişledikçe, maddenin kendisini hayal ettiğimizden çok daha fazla şekilde düzenleyebileceğini fark ettik. Gerçekte kaç halin var olduğu konusunda hala anlaşmazlık olsa da, şu ana kadar 15'ten fazla hal ya laboratuvarda gösterildi ya da bilimsel teorilerin var olmalarına bağlı olduğu yeterli ikinci dereceden kanıtlara sahip.

 

Maddenin hali nedir?

Maddenin hali, bir maddenin belirli bir miktarının aynı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip olmasıdır. Bu maddenin hal değişimi ile bir halden başka bir hale geçmesi mümkündür. Bir buz küpünün erimesini basit bir hal değişimi olarak düşünebiliriz.

 

Maddenin klasik halleri: katı, sıvı, gaz, plazma

Maddenin klasik hallerinde katı, sıvı, gaz ve plazma vardır. Bu haller günlük yaşamda normal koşullarda gözlenir ve bir maddenin hacmi, şekli ve genel özelliği ile tanımlanır. Bir katının bir şekli ve hacmi vardır ve onu oluşturan parçacıklar sıkı bir şekilde bir arada bulunur. Sıvılarda, parçacıkların aralarındaki kuvvetler daha zayıftır ve bu nedenle (çoğunlukla) sabit bir hacme sahiptirler ancak doldurdukları kabın şeklini alırlar.

Hem gazın hem de plazmanın ne sabit bir şekli ne de hacmi vardır. Aradaki fark, plazmaların elektriksel olarak iletken olmaları, elektrik akımları üretmeleri ve elektromanyetik kuvvetlere güçlü tepki vermeleridir. Ve hepimiz gazlara aşina olsak da, plazma da eşit derecede yaygındır ve şimşek, kıvılcım, floresan ışıklar, yıldızlar ve de bazı alevlerde görülür.

Son derece tuhaf fiziğe girmeden, bu dört halin var olan tüm kategorileri temsil etmeyebileceğini görebiliriz. Hem katıların hem de sıvıların alt kategorileri vardır ve bunlardan bazıları onlara verdiğimiz dar tanımları aşıyor gibi görünmektedir. Sıvı kristaller ve sıvı cam bu tuhaf haller arasındadır, ancak yalnız değiller.

Cambridge Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Metalurji Bölümü'nden Dr. Guillaume Nataf, IFLScience'a, "Günlük hayatta hepimiz maddenin en az üç halini gözlemleriz: katı, sıvı ve gaz. Ancak, maddenin iyi bilinen halleri olarak kabul edeceğimiz hallerde bile doğa bizi kandırıyor olabilir." dedi.

"Örneğin, Ig Nobel ödüllü John Mainstone ve Thomas Parnell, bir zift parçasının - bitüm - uzun yıllar boyunca akışını ölçen uzun vadeli bir deney gerçekleştirerek, bitümün oda sıcaklığında bile aktığını ve dolayısıyla maddenin sıvı haline ait olduğunu gösterdi. Diğer ilgi çekici örnekler çoktur.”

Geçen yüzyılda bilim insanları, (aşağı yukarı) aşina olduğumuz hallerin ötesinde daha fazla hal olduğunu fark ettiler. Ancak onları bulmak ve incelemek için aşırıya gitmemiz gerekiyor. Basınç, ısı ve soğuk, maddeleri tuhaf özelliklere sahip konfigürasyonlara itebilir.

 

Maddenin beşinci hali

Maddenin beşinci hali, yalnızca bozonlar olarak bilinen parçacıklardan oluşan çok seyreltik bir gazda ve sıcaklık mutlak sıfıra yakın olduğunda meydana gelen Bose-Einstein yoğunlaşmasıdır.

Bu koşullar altında, tüm gaz ayrı ayrı parçacıklardan yapılmış gibi davranmayı bırakır ve bunun yerine tek bir makroskopik kuantum sistemi gibi davranır. Yalnızca son derece düşük yoğunluklu senaryolarda (havanın yoğunluğunun yüzbinde biri) ve ultra düşük sıcaklıklarda (mutlak sıfırın çok az üzerinde) elde edilir. Bu sınırlayıcı durumda, kuantum mekaniği etkileri baskın hale gelir ve tuhaf haller görürüz.

 

Süperakışkanlar, süperkatılar ve süperiletkenler

Ultra düşük sıcaklıklarda kalarak, süperakışkanları da deneyimleyebiliriz - maddenin sürtünme olmadan akabileceği ikinci bir sıvı hali. Bu halin en ilginç sonuçlarından biri de süperakışkanların konulduğu kaplardan dışarı çıkabilmeleridir.

Sürtünme olmadan hareket eden süperkatılara ve belirli bir sıcaklığın altında sıfır elektrik direncine sahip süperiletkenlere de sahip olabilirsiniz. Ayrıca atomların içinde başka atomlara sahip olmanın mümkün olduğu Rydberg polaronları da vardır.

 

Baskı altında

Terazinin diğer ucunda yüksek sıcaklıklarda, süperkritik akışkanlarla başlarız, o kadar sıcak ve basınç o kadar yüksektir ki bir akışkanın gaz mı yoksa sıvı mı olduğunu ayırt etmek imkansızdır. Basıncı önemli ölçüde artırarak, muhtemelen elektron-dejenere maddeden oluşan, beyaz cücelerin çekirdeğine ulaşırız. Bu yıldızlarda elektronlar, mükemmel bir ısı iletkeni olan ve katı gibi davranan dejenere gaz formundadır.

Madde üzerindeki baskıyı artırmaya devam ederek sadece nötron yıldızlarında görülen nötron-dejenere maddeye ulaşırız. Burada, protonlar ve elektronlar o kadar sıkı bir şekilde bir araya gelirler ki, beta bozunması nedeniyle nötronlara dönüşürler. Bu halin ötesinde, parçacıkların yapı taşları bile artık sıkı konfigürasyonlarla sınırlandırılmadığında, kuark-gluon plazması vardır.

 

Yoğun madde fiziği

Yeni hallerin keşfedilmesinde özellikle verimli olan bir alan, katı veya sıvı, yoğun madde fiziğidir. Bazıları süperiletkenlerde bulunabilir ve bir parçacık olmadan parçacık gibi davranan bir olgu olan kuasi parçacıklardan oluşur. Eksiton ve dropleton, elektronların olması gereken yerde pozitif yüklü bir "delik" ile bağlı hal oluşturmasıyla, benzer şekillerde oluşur. Eksiton biraz basit bir atom gibi davranırken, dropleton sıvı benzeri davranış gösteren ilk kuasi parçacıktır.

 

Kuantum sorusu: maddenin yeni halini ne oluşturur?

Kuantum özellikleri, maddenin hallerini ayırt etmek için de çok önemli olabilir. Parçacıkların spin etkileşimi gibi şeyler, kuantum spin sıvısı veya spin buzu gibi farklı hallere yol açabilir. Dolayısıyla, araştırmacıların diğer olguları araştırırken yeni konfigürasyonlar bulmaları şaşırtıcı değil.

Maddenin yeni bir halini neyin oluşturduğu ve örneğin sıradan bir katı içindeki tuhaf kuantum konfigürasyonlarının hal olarak kabul edilip edilmeyeceği hakkında da pek çok tartışma var. Bu ilgi çekici bir tartışma ve kaç halin var olduğuna dair doğrudan bir cevap vermeyi zorlaştırıyor.

Dr. Nataf, IFLScience'a, "Genellikle maddeyi anlamak için, onun farklı hallerinin kesin bir tanımına sahip olunması gerektiği söylenir. Bununla birlikte, bir şeyin maddenin yeni bir haline ait olup olmadığını bilmek, yeni temel kavramları anlamaya veya onun için uygulamalar bulmaya yardımcı olmaz. Bu nedenle sınıflandırma sistemlerinden bağımsız ilerlemeler kaydedilebileceğine inanıyorum." dedi.

Yakın gelecekte, maddenin daha fazla yeni hali kesinlikle keşfedilecek ve belki de zaten aşina olduğumuz bazı heyecan verici yeni uygulamaların kilidi açılacak.

Bu içerik IFLSCIENCE’da yayınlanmıştır.