สถานะ (สสาร)

สถานะ (อังกฤษ: State of matter) เป็นกลุ่มของสภาพระบบทางกายภาพที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าซึ่งมีความสัมพันธ์กับโครงสร้างทางเคมีและคุณสมบัติทางฟิสิกส์ เช่น ความหนาแน่น, โครงสร้างผลึก (crystal structure) , ดรรชนีหักเหของแสง (refractive index) และอื่นๆ

สถานะที่คุ้นเคยกันมาก ได้แก่ ของแข็ง, ของเหลว, และแก๊ส

ส่วนสถานะที่ไม่เป็นที่รู้จักกันมากนัก ได้แก่ พลาสมา และ พลาสมาควาร์ก-กลูออน, โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต และ เฟอร์มิโอนิค คอนเดนเซต, วัตถุประหลาด, ผลึกเหลว, ซูเปอร์ฟลูอิด ซูเปอร์โซลิด พาราแมกเนติก, เฟอโรแมกเนติก, เฟสของ วัสดุ แม่เหล็ก

คำจำกัดความ

ถึงแม้ว่าสถานะเป็นที่ใช้กันอย่างกว้างขวางในวิทยาศาสตร์กายภาพ แต่มันก็ไม่ง่ายที่จะให้คำจำกัดความที่ถูกต้องเที่ยงตรง ก่อนที่เราจะให้คำจำกัดความโดยทั้วไป เราลองมาดูตัวอย่างเกี่ยวกับสถานะกันก่อนสักสองตัวอย่าง

ตัวอย่าง: สถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊ส

น้ำ (H₂O) ประกอบด้วยโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนสองอะตอมเกาะติดกับออกซิเจนตรงกลางหนึ่งอะตอม ที่อุณหภูมิห้อง โมเลกุลของน้ำจะอยู่ใกล้กันและมีแรงดึงดูดต่อกันอย่างอ่อนๆ โดยไม่เกาะติดกัน ทำให้แต่ละโมเลกุลเคลื่อนไหวสัมพัทธ์กันได้เหมือนเม็ดทรายในนาฬิกาทราย พฤติกรรมของโมเลกุลน้ำที่มองไม่เห็นนี้ปรากฏออกมาให้เราเห็นเป็นคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของน้ำในสถานะของเหลวซึ่งเราคุ้นเคยกันดี เนื่องจากโมเลกุลของน้ำไม่รวมกันอยู่เป็นโครงสร้างที่แข็งตึง รูปร่างของน้ำจึงไม่ตายตัว และปรับสภาพเลื่อนไหลไปตามภาชนะที่บรรจุ และเนื่องจากโมเลกุลของน้ำอยู่ใกล้กันมากอยู่แล้ว น้ำจึงมีความต้านทานต่อการบีบอัด สังเกตได้จากการบีบลูกโป่งที่บรรจุน้ำซึ่งทำไม่ได้ง่ายเหมือนกับการบีบลูกโป่งที่บรรจุอากาศ

รายชื่อและคุณสมบัติของสถานะของสสาร

สถานะของสสาร (อังกฤษ: phases of matter) มีความแตกต่างกันมากมาย โดยทั่วไปสถานะของสสารจะสังเกตความแตกต่างกันที่ ความดัน และ อุณหภูมิ การปรับเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะอื่นตามสภาวะที่เหมาะสมตัวอย่างเช่น การหลอมเหลว และ การเยือกแข็ง (freezing)

ของแข็ง (Solid)

สามารถคงรูปร่างของตัวเองได้โดยไม่ต้องมีภาชนะ

• อสัณฐานของแข็ง (Amorphous solid) : เป็นของแข็งที่ไม่มีการจัดระเบียบความยาวช่วง (long-range order) ตำแหน่งของอะตอม แบ่งเป็น 2 ชนิดคือ
  • อสัณฐานแก้วแข็ง (Amorphous glassy solid)
  • อสัณฐานยางแข็ง (Amorphous rubbery solid)
• ผลึก (Crystaline solid) : เป็นของแข็งที่ส่วนประกอบอะตอม โมเลกุล หรือไอออนถูกบรรจุและอัดตัวกันอย่างมีระเบียบและแบบแผนที่ซ้ำๆ กัน

ของเหลว (Liquid)

เป็น ของไหล ที่ไม่มีการอัดตัวกัน สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปตามภาชนะได้ แต่ยังคงรักษาปริมาตรให้คงที่อยู่ไดโดยความดันต้องเป็นอิสระ

ก๊าซ (Gas)

เป็นของไหลที่สามารถบีบอัดได้ (compressible fluid) มันไม่เพียงแต่เปลี่ยนแปลงรูปร่างไปตามภาชนะได้เท่านั้น แต่ยังสามารถเพิ่มปริมาณการบรรจุเข้าไปในภาชนะได้อีก

เจล (Gel)

เป็นของแข็งเมื่อสังเกตด้วยสายตา แต่เมื่อสัมผัสจะรู้สึกว่าเป็นวัสดุคล้ายวุ้นเกิดจากสารละลายคอลลอยด์ (colloidal solution) โดยน้ำหนักแล้วเจลเกือบเป็นของเหลว แต่พฤติกรรมเหมือนของแข็ง (โดยไม่สามารถแยกสถานะอย่างเด็ดขาดได้)

พลาสมา (Plasma)

เป็นก๊าซที่ อิเล็กตรอน สามารถแยกตัวเป็นอิสระจากอะตอมของมันได้และแพร่กระจายประจุไฟฟ้าเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าได้

ของไหลยิ่งยวด (Superfluid)

เป็นสถานะที่เมื่อของเหลวอยู่ใน ภาวะเย็นยวดยิ่ง อุณหภูมิยิ่งยวดแล้วยังสามารถไหลได้โดยไม่มี แรงเสียดทาน ของไหลยิ่งยวดสามารถไหลออกจากภาชนะที่เปิดฝาและไหลลงพื้นข้างล่างได้

ของแข็งยิ่งยวด (Supersolid)

คล้ายกับของไหลยิ่งยวด ของแข็งยิ่งยวดสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไมมีแรงเสียดทานแต่ยังคงรักษารูปทรงเดิมของมันได้อยู่

สสารเสื่อม (Degenerate matter)

พบในเปลือกของดาวแคระขาว ซึ่งอิเล็กตรอนยังคงเกาะอยู่กับอะตอมแต่สามารถเคลื่อนย้ายไปยังอะตอมใกล้เคียงได้

นิวโตรเนียม (Neutronium)

พบใน ดาวนิวตรอน (neutron stars) ที่ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงและแรงกดดันจำนวนมหาศาลบีบอัดอะตอมให้แข็งจนอิเล็กตรอน ถูกอัดเป็นนิวเคลียส เป็นผลให้เกิดการรวมกลุ่มด้วยความหนาแน่นยิ่งยวดกลายเป็นนิวตรอน

สสารสมมาตรเข้ม (Strongly symmetric matter)

ประมาณว่า 10^-36 วินาที หลังจากปรากฏการณ์ บิกแบง พลังงานหนาแน่นสูงของจักรวาลซึ่งสูงจนกระทั่งว่า แรงธรรมชาติ 4 ชนิดคือ แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม, แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, และ แรงโน้มถ่วง, ถูกรวมกันเป็นแรงเดียวแล้วจักรวาลก็ขยายออก อุณหภูมิและความหนาแน่นลดต่ำลงและแรงอย่างแก่แยกสะลายออกซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่า การแตกสมมาตร(symmetry breaking)

สสารสมมาตรอ่อน (Weakly symmetric matter)

ประมาณว่า 10^-12 วินาที หลังจากปรากฏการณ์ บิกแบง แรงแก่ อ่อน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้ารวมตัวกัน

โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต (Bose-Einstein condensate)

เป็นสถานะที่ซึ่งจำนวนมหาศาลของ โบสัน(boson) ทั้งหมดอยู่ใน สถานะควอนตัม (quantum state) เดียวกันเป็นผลให้กลายเป็น คลื่นเดี่ยว/อนุภาค

เฟอร์มิโอนิค คอนเดนเซต (Fermionic condensate)

คล้ายกับ โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเซต แต่ประกอบด้วย เฟอร์มิออน (fermion) กฎกันออกไปของพอลิ (Pauli exclusion principle) ป้องกันเฟอร์มิออน จากการเข้าไปในสถานะควอนตัมเดียวกัน แต่คู่ของ 2 เฟอร์มิออน สามารถแสดงพฤติกรรมเป็น โบสัน และคู่มันสามารถเข้าไปในสถานะควอนตัมเดียวกันโดยไม่มีข้อจำกัด

ควาร์ก-กลูออน พลาสม่า (Quark-gluon plasma)

สถานะที่ ควาร์ก (quarks) เป็นอิสระและสามารถเคลื่อนที่อย่างไร้ขีดจำกัด (มากกว่าที่จะเกาะกับอนุภาค) ในทะเลของ กลูออน (gluons) (อนุภาคย่อยของอะตอมที่เคลื่อนย้าย แรงเข้ม ที่ติดด้วยกันกับควาร์ก) อาจเป็นข้อสรุปได้ใน ตัวเร่งอนุภาค

สสารประหลาด (Strange matter)

(aka Quark matter) อาจมีในดาวนิวตรอน ขนาดใหญ่โดยเฉพาะ

การเปลี่ยนแปลงสถานะ

การเปลี่ยนแปลงสถานะ คือการที่สสารใดๆ เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ เช่นจากของแข็งเป็นของเหลว เป็นต้น การเปลี่ยนแปลงสถานะในแต่ละรูปแบบ มีชื่อเรียกต่างกันตามลักษณะการเปลี่ยนแปลง ดังนี้

การระเหย

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของเหลว กลายเป็นก๊าซ โดยมักเกิดเมื่อของเหลวนั้นๆได้รับพลังงานหรือความร้อน ได้แก่ น้ำ เปลี่ยนสถานะเป็น ไอน้ำ

การระเหิด

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของแข็ง กลายเป็นก๊าซ โดยไม่ผ่านสถานะการเป็นของเหลว ได้แก่ น้ำแข็งแห้ง เปลี่ยนสถานะเป็น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

การควบแน่น

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากก๊าซ กลายเป็นของเหลว โดยมักเกิดเมื่อก๊าซนั้นๆ สูญเสียความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ ไอน้ำ เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำ

การแข็งตัว

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของเหลว กลายเป็นของแข็ง โดยมักเกิดเมื่อของเหลวนั้นๆ สูญเสียความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ น้ำ เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำแข็ง โดยของแข็งนั้น สามารถเปลี่ยนสถานะกลับเป็นของเหลวได้ โดยการได้รับพลังงานหรือความร้อน

การตกผลึก

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของเหลว กลายเป็นของแข็ง โดยมักเกิดเมื่อของเหลวนั้นๆ สูญเสียความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ น้ำ เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำแข็ง แต่โดยทั่วไปแล้ว ตกผลึกนั้นนิยมใช้ กับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างทางทางเคมี เสียมากกว่า เพราะโดยทั่วไปใช้กับสารประกอบหรือวัตถุ ที่ไม่สามารถหลอมเหลว หรือ ละลาย กลับเป็นของเหลวได้อีก

การหลอมเหลว หรือการละลาย

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของแข็ง กลายเป็นของเหลว โดยมักเกิดเมื่อของแข็งนั้นๆ ได้รับความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ น้ำแข็ง เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำ

ดูเพิ่ม

• Gel

แหล่งข้อมูลอื่น

• 2005-06-22, MIT News: MIT physicists create new form of matter Citat: "... They have become the first to create a new type of matter, a gas of atoms that shows high-temperature superfluidity."
• 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
• 2004-01-15, ScienceDaily: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter Citat: "...We apparently have observed, for the first time, a solid material with the characteristics of a superfluid...but because all its particles are in the identical quantum state, it remains a solid even though its component particles are continually flowing..."
• 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/University Of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: A Fermionic Condensate
• French physicists find a solution that reversibly solidifies with a rise in temperature - α-cyclodextrine, water, and 4-methylpyridine