पदार्थ की अवस्था

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भौतिकी में, पदार्थ की अवस्था (state of matter) या पदार्थ की प्रावस्था (phase of matter) उन विशिष्ट रूपों में से एक है जिनमें पदार्थ अस्तित्व में रह सकता है। दैनिक जीवन में पदार्थ की चार अवस्थाएँ देखी जा सकती हैं: ठोस, द्रव, गैस, और प्लाज्मा।

विभिन्न अवस्थाओं को इस आधार पर पहचाना जाता है कि उनके घटक कण (परमाणु, अणु, आयन और इलेक्ट्रॉन) कैसे व्यवस्थित हैं, और वे सामूहिक रूप से कैसा व्यवहार करते हैं। एक ठोस में, कण कसकर पैक होते हैं और निश्चित स्थितियों में रहते हैं, जिससे सामग्री को एक निश्चित आकार और आयतन मिलता है। एक द्रव में, कण एक-दूसरे के करीब रहते हैं लेकिन एक-दूसरे के ऊपर से गुजर सकते हैं, जिससे पदार्थ एक निश्चित आयतन बनाए रखते हुए अपने पात्र के आकार के अनुसार ढल जाता है। एक गैस में, कण बहुत दूर होते हैं और स्वतंत्र रूप से घूमते हैं, जिससे पदार्थ फैलकर अपने पात्र के आकार और आयतन दोनों को भर लेता है। प्लाज्मा गैस के समान है, लेकिन इसमें आवेशित कण (आयन और मुक्त इलेक्ट्रॉन) भी होते हैं जो स्वतंत्र रूप से चलते हैं और विद्युत तथा चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं।

पदार्थ की शास्त्रीय अवस्थाओं से परे, कई अन्य अवस्थाओं का अस्तित्व ज्ञात है (देखें पदार्थ की अवस्थाओं की सूची)। इनमें से कुछ पारंपरिक श्रेणियों के बीच स्थित हैं; उदाहरण के लिए, तरल क्रिस्टल ठोस और द्रव दोनों के गुण प्रदर्शित करते हैं। अन्य पूरी तरह से अलग प्रकार के क्रम का प्रतिनिधित्व करते हैं। उदाहरण के लिए, चुंबकीय अवस्थाएँ, परमाणुओं की स्थानिक व्यवस्था पर निर्भर नहीं करती हैं, बल्कि उनके आंतरिक चुंबकीय आघूर्णों (स्पिन) के संरेखण पर निर्भर करती हैं। यहाँ तक कि एक ठोस में भी जहाँ परमाणु अपनी स्थिति में स्थिर होते हैं, स्पिन अलग-अलग तरीकों से व्यवस्थित हो सकते हैं, जिससे लौहचुंबकत्व (ferromagnetism) या प्रतिलौहचुंबकत्व (antiferromagnetism) जैसी चुंबकीय अवस्थाएँ उत्पन्न होती हैं।

कुछ अवस्थाएँ केवल चरम स्थितियों में होती हैं, जैसे बोस-आइंस्टीन संघनन और फर्मिऑनिक संघनन (दोनों अत्यधिक ठंड में), न्यूट्रॉन-अपभ्रष्ट पदार्थ (अत्यधिक घनत्व में), और क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (अत्यधिक उच्च ऊर्जा पर)।

प्रावस्था (phase) शब्द का उपयोग कभी-कभी पदार्थ की अवस्था के पर्यायवाची के रूप में किया जाता है, लेकिन एक ही यौगिक के लिए अलग-अलग प्रावस्थाएँ बनाना संभव है जो पदार्थ की एक ही अवस्था में हों। उदाहरण के लिए, बर्फ जल की ठोस अवस्था है, लेकिन बर्फ की प्रावस्थाओं के कई रूप हैं जिनकी क्रिस्टल संरचना अलग-अलग होती है, जो विभिन्न दबावों और तापमानों पर बनती हैं।

चार शास्त्रीय अवस्थाएँ

ठोस

मुख्य लेख: ठोस

एक ठोस में, घटक कण (आयन, परमाणु, या अणु) एक-दूसरे के बहुत करीब पैक होते हैं। कणों के बीच के बल इतने मजबूत होते हैं कि कण स्वतंत्र रूप से नहीं घूम सकते बल्कि केवल कंपन कर सकते हैं। परिणामस्वरूप, एक ठोस का आकार स्थिर और निश्चित होता है, और आयतन भी निश्चित होता है। ठोस केवल बाहरी बल द्वारा अपना आकार बदल सकते हैं, जैसे कि तोड़े या काटे जाने पर।

क्रिस्टलीय ठोसों में, कण (परमाणु, अणु, या आयन) एक नियमित रूप से व्यवस्थित, दोहराव वाले पैटर्न में पैक होते हैं। विभिन्न क्रिस्टल संरचनाएँ होती हैं, और एक ही पदार्थ की एक से अधिक संरचना (या ठोस प्रावस्था) हो सकती है। उदाहरण के लिए, लोहा 912 C से नीचे के तापमान पर काय-केंद्रित घनीय (body-centred cubic) संरचना में होता है, और 912 से 1394 C के बीच फलक-केंद्रित घनीय (face-centred cubic) संरचना में होता है। बर्फ की पंद्रह ज्ञात क्रिस्टल संरचनाएँ, या पंद्रह ठोस प्रावस्थाएँ हैं, जो विभिन्न तापमानों और दबावों पर मौजूद होती हैं।[1]

कांच और अन्य गैर-क्रिस्टलीय, अक्रिस्टलीय ठोस जिनमें दीर्घ-परास क्रम (long-range order) नहीं होता, वे तापीय साम्यावस्था की मूल अवस्थाएँ नहीं हैं; इसलिए उन्हें नीचे गैर-शास्त्रीय पदार्थ अवस्थाओं के रूप में वर्णित किया गया है।

ठोसों को पिघलाकर द्रवों में बदला जा सकता है, और द्रवों को जमाकर ठोसों में बदला जा सकता है। ठोस ऊर्ध्वपातन की प्रक्रिया के माध्यम से सीधे गैसों में भी बदल सकते हैं, और गैसें इसी तरह निक्षेपण के माध्यम से सीधे ठोसों में बदल सकती हैं।

द्रव

मुख्य लेख: द्रव

एक द्रव लगभग असंपीड्य तरल (fluid) है जो अपने पात्र के आकार के अनुरूप ढल जाता है लेकिन दबाव से स्वतंत्र एक (लगभग) स्थिर आयतन बनाए रखता है। यदि तापमान और दबाव स्थिर हैं तो आयतन निश्चित होता है। जब किसी ठोस को उसके गलनांक से ऊपर गर्म किया जाता है, तो वह द्रव बन जाता है, बशर्ते दबाव पदार्थ के त्रिक बिंदु (triple point) से अधिक हो। अंतर-आणविक (या अंतर-परमाणु या अंतर-आयनिक) बल अभी भी महत्वपूर्ण होते हैं, लेकिन अणुओं के पास एक-दूसरे के सापेक्ष घूमने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है और संरचना गतिशील होती है। इसका मतलब है कि द्रव का आकार निश्चित नहीं होता बल्कि उसके पात्र द्वारा निर्धारित होता है। आयतन आमतौर पर संबंधित ठोस की तुलना में अधिक होता है, जिसका सबसे प्रसिद्ध अपवाद जल, H2O है। वह उच्चतम तापमान जिस पर कोई दिया गया द्रव मौजूद रह सकता है, उसका क्रांतिक तापमान कहलाता है।[2]

गैस

मुख्य लेख: गैस

एक गैस एक संपीड्य तरल है। गैस न केवल अपने पात्र के आकार के अनुरूप ढलती है, बल्कि यह पात्र को भरने के लिए फैलती भी है।

एक गैस में, अणुओं के पास पर्याप्त गतिज ऊर्जा होती है ताकि अंतर-आणविक बलों का प्रभाव कम हो (या आदर्श गैस के लिए शून्य हो), और पड़ोसी अणुओं के बीच की औसत दूरी आणविक आकार से बहुत अधिक होती है। गैस का कोई निश्चित आकार या आयतन नहीं होता, बल्कि यह उस पूरे पात्र को घेर लेती है जिसमें वह सीमित होती है। एक द्रव को स्थिर दबाव पर क्वथनांक तक गर्म करके, या स्थिर तापमान पर दबाव कम करके गैस में परिवर्तित किया जा सकता है।

अपने क्रांतिक तापमान से नीचे के तापमान पर, गैस को वाष्प भी कहा जाता है, और इसे बिना ठंडा किए केवल संपीड़न द्वारा द्रवीकृत किया जा सकता है। एक वाष्प एक द्रव (या ठोस) के साथ साम्यावस्था में मौजूद हो सकती है, जिस स्थिति में गैस का दबाव द्रव (या ठोस) के वाष्प दबाव के बराबर होता है।

एक अति-क्रांतिक तरल (SCF) वह गैस है जिसका तापमान और दबाव क्रमशः क्रांतिक तापमान और क्रांतिक दबाव से अधिक होता है। इस अवस्था में, द्रव और गैस के बीच का अंतर समाप्त हो जाता है। एक अति-क्रांतिक तरल में गैस के भौतिक गुण होते हैं, लेकिन इसका उच्च घनत्व कुछ मामलों में विलायक गुण प्रदान करता है, जिससे उपयोगी अनुप्रयोग प्राप्त होते हैं। उदाहरण के लिए, अति-क्रांतिक कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग कैफीन-रहित कॉफी के निर्माण में कैफीन को निकालने के लिए किया जाता है।[3]

प्लाज्मा

एक गैस आमतौर पर दो तरीकों में से एक से प्लाज्मा में परिवर्तित होती है, या तो दो बिंदुओं के बीच विशाल वोल्टेज अंतर से, या इसे अत्यधिक उच्च तापमान के संपर्क में लाकर। पदार्थ को उच्च तापमान पर गर्म करने से इलेक्ट्रॉन परमाणुओं को छोड़ देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप मुक्त इलेक्ट्रॉन मौजूद होते हैं। यह तथाकथित आंशिक रूप से आयनित प्लाज्मा बनाता है। बहुत उच्च तापमान पर, जैसे कि तारों में मौजूद होते हैं, यह माना जाता है कि अनिवार्य रूप से सभी इलेक्ट्रॉन "मुक्त" होते हैं, और यह कि एक बहुत ही उच्च-ऊर्जा प्लाज्मा अनिवार्य रूप से इलेक्ट्रॉनों के समुद्र में तैरते हुए नग्न नाभिक हैं। यह तथाकथित पूर्णतः आयनित प्लाज्मा बनाता है।

प्लाज्मा अवस्था को अक्सर गलत समझा जाता है, और हालांकि पृथ्वी पर सामान्य परिस्थितियों में यह स्वतंत्र रूप से मौजूद नहीं होती है, लेकिन यह बिजली, विद्युत चिंगारी, फ्लोरोसेंट लैंप, नियॉन साइन या प्लाज्मा टेलीविजन द्वारा काफी सामान्य रूप से उत्पन्न होती है। सौर कोरोना, कुछ प्रकार की लपटें, और तारे प्लाज्मा अवस्था में प्रकाशित पदार्थ के उदाहरण हैं। प्लाज्मा चार मूलभूत अवस्थाओं में सबसे प्रचुर मात्रा में है; ब्रह्मांड में सभी साधारण पदार्थ का 99% प्लाज्मा है, क्योंकि यह सभी तारों का निर्माण करता है।[4][5][6]

प्रावस्था संक्रमण

पदार्थ की एक अवस्था को प्रावस्था संक्रमण द्वारा भी पहचाना जाता है। एक प्रावस्था संक्रमण संरचना में परिवर्तन का संकेत देता है और इसे गुणों में अचानक परिवर्तन द्वारा पहचाना जा सकता है। पदार्थ की एक विशिष्ट अवस्था को प्रावस्था संक्रमण द्वारा किसी अन्य अवस्थाओं के समूह से अलग किए गए अवस्थाओं के किसी भी समूह के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। कहा जा सकता है कि जल की कई विशिष्ट ठोस अवस्थाएँ हैं।[7] अतिचालकता (superconductivity) का प्रकट होना एक प्रावस्था संक्रमण से जुड़ा है, इसलिए अतिचालक अवस्थाएँ होती हैं। इसी तरह, लौहचुंबकीय अवस्थाएँ प्रावस्था संक्रमणों द्वारा सीमांकित होती हैं और उनके विशिष्ट गुण होते हैं। जब अवस्था का परिवर्तन चरणों में होता है तो मध्यवर्ती चरणों को मेसोफेज कहा जाता है। ऐसी प्रावस्थाओं का उपयोग तरल क्रिस्टल तकनीक के परिचय द्वारा किया गया है।[8][9]

पदार्थ के किसी दिए गए समूह की अवस्था या प्रावस्था दबाव और तापमान की स्थितियों के आधार पर बदल सकती है, और इन स्थितियों के बदलने पर अन्य प्रावस्थाओं में परिवर्तित हो सकती है; उदाहरण के लिए, तापमान बढ़ने पर ठोस द्रव में परिवर्तित हो जाता है। परम शून्य के निकट, एक पदार्थ ठोस के रूप में मौजूद होता है। जैसे-जैसे इस पदार्थ में ऊष्मा जोड़ी जाती है, यह अपने गलनांक पर पिघलकर द्रव बन जाता है, अपने क्वथनांक पर उबलकर गैस बन जाता है, और यदि पर्याप्त गर्म किया जाए तो यह प्लाज्मा अवस्था में प्रवेश कर जाएगा जिसमें इलेक्ट्रॉन इतने ऊर्जावान हो जाते हैं कि वे अपने मूल परमाणुओं को छोड़ देते हैं।

पदार्थ के वे रूप जो अणुओं से नहीं बने होते और विभिन्न बलों द्वारा व्यवस्थित होते हैं, उन्हें भी पदार्थ की अलग-अलग अवस्थाएँ माना जा सकता है। अति-तरल (जैसे फर्मिऑनिक संघनन) और क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा इसके उदाहरण हैं।

गैर-शास्त्रीय अवस्थाएँ

कांच

मुख्य लेख: कांच

कांच एक गैर-क्रिस्टलीय या अक्रिस्टलीय ठोस सामग्री है जो द्रव अवस्था की ओर गर्म होने पर कांच संक्रमण प्रदर्शित करती है। कांच विभिन्न प्रकार की सामग्रियों से बनाया जा सकता है: अकार्बनिक नेटवर्क (जैसे खिड़की का कांच, जो सिलिकेट और एडिटिव्स से बना होता है), धात्विक मिश्र धातु, आयनिक तरल, जलीय घोल, आणविक तरल पदार्थ, और पॉलिमर। ऊष्मप्रवैगिकी रूप से, कांच अपने क्रिस्टलीय समकक्ष के संबंध में एक मेटास्टेबल अवस्था में होता है। हालाँकि, रूपांतरण दर व्यावहारिक रूप से शून्य है।

कुछ हद तक अव्यवस्था वाले क्रिस्टल

एक प्लास्टिक क्रिस्टल एक आणविक ठोस है जिसमें दीर्घ-परास स्थितिजन्य क्रम होता है लेकिन घटक अणु घूर्णी स्वतंत्रता बनाए रखते हैं; एक अभिविन्यास कांच में यह स्वतंत्रता की डिग्री एक शमित अव्यवस्थित (quenched disordered) अवस्था में जम जाती है।

इसी तरह, एक स्पिन ग्लास में चुंबकीय अव्यवस्था जम जाती है।

तरल क्रिस्टल अवस्थाएँ

मुख्य लेख: तरल क्रिस्टल

तरल क्रिस्टल अवस्थाओं में गतिशील द्रवों और व्यवस्थित ठोसों के बीच के गुण होते हैं। सामान्य तौर पर, वे द्रव की तरह प्रवाहित होने में सक्षम होते हैं लेकिन दीर्घ-परास क्रम प्रदर्शित करते हैं। उदाहरण के लिए, नेमेटिक प्रावस्था में पैरा-एज़ोक्सीएनिसोल जैसे लंबे छड़ के आकार के अणु होते हैं, जो 118–136 के तापमान सीमा में नेमेटिक होते हैं।[10] इस अवस्था में अणु द्रव की तरह प्रवाहित होते हैं, लेकिन वे सभी एक ही दिशा में (प्रत्येक डोमेन के भीतर) इंगित करते हैं और स्वतंत्र रूप से घूम नहीं सकते। एक क्रिस्टलीय ठोस की तरह, लेकिन द्रव के विपरीत, तरल क्रिस्टल ध्रुवीकृत प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं।

अन्य प्रकार के तरल क्रिस्टलों का वर्णन इन अवस्थाओं पर मुख्य लेख में किया गया है। कई प्रकारों का तकनीकी महत्व है, उदाहरण के लिए, तरल क्रिस्टल डिस्प्ले में।

सूक्ष्म-प्रावस्था पृथक्करण

मुख्य लेख: को-पॉलिमर
को-पॉलिमर आवधिक नैनो-संरचनाओं की एक विविध सरणी बनाने के लिए सूक्ष्म-प्रावस्था पृथक्करण से गुजर सकते हैं, जैसा कि दाईं ओर दिखाए गए स्टाइरीन-ब्यूटाडीन-स्टाइरीन ब्लॉक को-पॉलिमर के उदाहरण में दिखाया गया है। सूक्ष्म-प्रावस्था पृथक्करण को तेल और जल के बीच प्रावस्था पृथक्करण के सादृश्य द्वारा समझा जा सकता है। ब्लॉकों के बीच रासायनिक असंगति के कारण, ब्लॉक को-पॉलिमर एक समान प्रावस्था पृथक्करण से गुजरते हैं। हालाँकि, क्योंकि ब्लॉक एक-दूसरे से सहसंयोजक बंधन द्वारा बंधे होते हैं, वे जल और तेल की तरह स्थूल रूप से अलग नहीं हो सकते, और इसलिए इसके बजाय ब्लॉक नैनोमीटर-आकार की संरचनाएँ बनाते हैं। प्रत्येक ब्लॉक की सापेक्ष लंबाई और पॉलिमर की समग्र ब्लॉक टोपोलॉजी के आधार पर, कई आकारिकी प्राप्त की जा सकती हैं, जिनमें से प्रत्येक पदार्थ की अपनी प्रावस्था है।

आयनिक तरल पदार्थ भी सूक्ष्म-प्रावस्था पृथक्करण प्रदर्शित करते हैं। आयन और धनायन जरूरी नहीं कि संगत हों और अन्यथा अलग हो जाएंगे, लेकिन विद्युत आवेश आकर्षण उन्हें अलग होने से रोकता है। उनके आयन और धनायन एक समान द्रव की तरह स्वतंत्र रूप से घूमने के बजाय विभाजित परतों या मिसेल के भीतर विसरित होते दिखाई देते हैं।[11]

चुंबकीय रूप से व्यवस्थित अवस्थाएँ

संक्रमण धातु परमाणुओं में अक्सर उन इलेक्ट्रॉनों के शुद्ध स्पिन के कारण चुंबकीय आघूर्ण होते हैं जो अयुग्मित रहते हैं और रासायनिक बंधन नहीं बनाते हैं। कुछ ठोसों में विभिन्न परमाणुओं पर चुंबकीय आघूर्ण व्यवस्थित होते हैं और एक फेरोमैग्नेट, एक एंटीफेरोमैग्नेट या एक फेरिमैग्नेट बना सकते हैं।

एक फेरोमैग्नेट में—उदाहरण के लिए, ठोस लोहा—प्रत्येक परमाणु पर चुंबकीय आघूर्ण एक ही दिशा में (एक चुंबकीय डोमेन के भीतर) संरेखित होता है। यदि डोमेन भी संरेखित हैं, तो ठोस एक स्थायी चुंबक है, जो बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में भी चुंबकीय होता है। चुंबकत्व तब गायब हो जाता है जब चुंबक को क्यूरी बिंदु तक गर्म किया जाता है, जो लोहे के लिए 768 C है।

एक एंटीफेरोमैग्नेट में समान और विपरीत चुंबकीय आघूर्णों के दो नेटवर्क होते हैं, जो एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं ताकि शुद्ध चुंबकत्व शून्य हो। उदाहरण के लिए, निकल(II) ऑक्साइड (NiO) में, आधे निकल परमाणुओं के आघूर्ण एक दिशा में और आधे विपरीत दिशा में संरेखित होते हैं।

एक फेरिमैग्नेट में, चुंबकीय आघूर्णों के दो नेटवर्क विपरीत लेकिन असमान होते हैं, ताकि रद्दीकरण अधूरा हो और एक गैर-शून्य शुद्ध चुंबकत्व हो। एक उदाहरण मैग्नेटाइट (Fe3O4) है, जिसमें अलग-अलग चुंबकीय आघूर्ण वाले Fe2+ और Fe3+ आयन होते हैं।

एक क्वांटम स्पिन तरल (QSL) परस्पर क्रिया करने वाले क्वांटम स्पिन की एक प्रणाली में एक अव्यवस्थित अवस्था है जो अन्य अव्यवस्थित अवस्थाओं के विपरीत बहुत कम तापमान तक अपनी अव्यवस्था को संरक्षित रखती है। यह भौतिक अर्थ में तरल नहीं है, बल्कि एक ठोस है जिसका चुंबकीय क्रम स्वाभाविक रूप से अव्यवस्थित है। "तरल" नाम पारंपरिक तरल में आणविक अव्यवस्था के साथ सादृश्य के कारण है। एक QSL न तो फेरोमैग्नेट है, जहाँ चुंबकीय डोमेन समानांतर होते हैं, और न ही एंटीफेरोमैग्नेट है, जहाँ चुंबकीय डोमेन प्रति-समानांतर होते हैं; इसके बजाय, चुंबकीय डोमेन यादृच्छिक रूप से उन्मुख होते हैं। इसे उदाहरण के लिए ज्यामितीय रूप से निराश चुंबकीय आघूर्णों द्वारा महसूस किया जा सकता है जो समान रूप से समानांतर या प्रति-समानांतर इंगित नहीं कर सकते हैं। ठंडा होने और एक अवस्था में बसने पर, डोमेन को एक अभिविन्यास "चुनना" पड़ता है, लेकिन यदि संभावित अवस्थाएँ ऊर्जा में समान हैं, तो एक को यादृच्छिक रूप से चुना जाएगा। नतीजतन, मजबूत अल्प-परास क्रम के बावजूद, कोई दीर्घ-परास चुंबकीय क्रम नहीं है।

अति-तरल और संघनन

बोस-आइंस्टीन संघनन और अति-तरल

बोस-आइंस्टीन संघनन की भविष्यवाणी 1925 में अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा की गई थी, जो उनके और सत्येंद्र नाथ बोस द्वारा विकसित कण सांख्यिकी पर आधारित थी।[12] बोस-आइंस्टीन संघनन तब होता है जब बोसोनिक कणों को परम शून्य, −273.15 C के करीब ठंडा किया जाता है। एक विशिष्ट तापमान पर, उनका एक बड़ा हिस्सा अचानक एक ही निम्नतम ऊर्जा क्वांटम अवस्था पर कब्जा कर लेता है।[12] इस प्रभाव को जल के संघनन के सादृश्य में संघनन कहा जाता है, जिसके साथ यह कुछ समानताएँ साझा करता है।[13]

1937 में, यह खोजा गया कि हीलियम-4, हीलियम का सबसे सामान्य समस्थानिक, 2.17 K के लैम्ब्डा तापमान से नीचे एक अति-तरल बनाता है। इस अवस्था को एक अति-तरल के रूप में वर्णित किया गया है क्योंकि इसमें शून्य श्यानता होती है और यह बिना घर्षण के प्रवाहित होता है। इस अवस्था में यह अपने पात्र से बाहर "चढ़ने" का प्रयास करेगा।[14] इसमें अनंत तापीय चालकता भी होती है ताकि अति-तरल में कोई तापमान प्रवणता न बन सके। एक अति-तरल को घूमने वाले पात्र में रखने से क्वांटम भंवर उत्पन्न होंगे। इन गुणों को इस सिद्धांत द्वारा समझाया गया है कि हीलियम-4 परमाणु अति-तरल अवस्था में बोस-आइंस्टीन संघनन बनाते हैं।

गैस प्रावस्था में, बोस-आइंस्टीन संघनन कई वर्षों तक एक अपुष्ट सैद्धांतिक भविष्यवाणी बनी रही। हालाँकि 1995 में, बोल्डर में कोलोराडो विश्वविद्यालय में JILA के एरिक कॉर्नेल और कार्ल वीमैन के शोध समूहों ने रुबिडियम परमाणुओं के साथ प्रयोगात्मक रूप से पहला ऐसा संघनन तैयार किया। कॉर्नेल और वीमैन से स्वतंत्र, वोल्फगैंग केटरले ने भी 1995 में सोडियम परमाणुओं की गैस में बोस-आइंस्टीन संघनन तैयार किया।[13]

अतिचालक और फर्मिऑनिक संघनन

एक फर्मिऑनिक संघनन बोस-आइंस्टीन संघनन के समान है लेकिन फर्मिऑन से बना है। जबकि पाउली का अपवर्जन सिद्धांत व्यक्तिगत फर्मिऑनों को एक ही क्वांटम अवस्था पर कब्जा करने से रोकता है, फर्मिऑनों के जोड़े मिलकर समग्र कण बना सकते हैं जो बोसोन की तरह व्यवहार करते हैं। ये जोड़े तब एक ही अवस्था पर कब्जा कर सकते हैं, जिससे बोस-आइंस्टीन संघनन के समान एक संघनन बनता है। फर्मिऑनिक संघनन के उदाहरणों में अतिचालक और हीलियम-3 की अति-तरल प्रावस्था शामिल है, जो हीलियम का एक दुर्लभ समस्थानिक है। फर्मिऑनिक संघनन को अति-ठंडे लिथियम-6 में भी देखा गया है।[15]

अतिचालक वे सामग्रियाँ हैं जिनमें शून्य विद्युत प्रतिरोधकता होती है, और इसलिए पूर्ण चालकता होती है। यह एक विशिष्ट भौतिक अवस्था है जो कम तापमान पर मौजूद होती है, और प्रत्येक अतिचालक के लिए एक स्पष्ट रूप से परिभाषित संक्रमण तापमान पर प्रतिरोधकता असंतत रूप से एक परिमित मान तक बढ़ जाती है।[16] एक अतिचालक अपने आंतरिक भाग से सभी चुंबकीय क्षेत्रों को भी बाहर करता है, एक घटना जिसे मीस्नर प्रभाव या पूर्ण प्रतिचुंबकत्व के रूप में जाना जाता है।[16] अतिचालक चुंबक का उपयोग चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग मशीनों में विद्युत चुंबक के रूप में किया जाता है।

अतिचालकता की घटना 1911 में खोजी गई थी, और 75 वर्षों तक यह केवल 30 K से नीचे के तापमान पर कुछ धातुओं और धात्विक मिश्र धातुओं में जानी जाती थी। 1986 में कुछ सिरेमिक ऑक्साइड में तथाकथित उच्च-तापमान अतिचालकता की खोज की गई थी, और अब इसे 164 K तक के तापमान में देखा गया है।[17]

उच्च-ऊर्जा अवस्थाएँ

अपभ्रष्ट पदार्थ

अत्यधिक उच्च दबाव के तहत, जैसे कि मृत तारों के कोर में, साधारण पदार्थ अपभ्रष्ट पदार्थ के रूप में सामूहिक रूप से ज्ञात पदार्थ की विदेशी अवस्थाओं की एक श्रृंखला में संक्रमण से गुजरता है, जो मुख्य रूप से क्वांटम यांत्रिक प्रभावों द्वारा समर्थित होते हैं। भौतिकी में, "अपभ्रष्ट" उन दो अवस्थाओं को संदर्भित करता है जिनमें समान ऊर्जा होती है और इसलिए वे विनिमेय होती हैं। अपभ्रष्ट पदार्थ पाउली के अपवर्जन सिद्धांत द्वारा समर्थित है, जो दो फर्मिऑनिक कणों को एक ही क्वांटम अवस्था पर कब्जा करने से रोकता है। नियमित प्लाज्मा के विपरीत, अपभ्रष्ट प्लाज्मा गर्म होने पर बहुत कम फैलता है, क्योंकि कोई संवेग अवस्था शेष नहीं रहती है। नतीजतन, अपभ्रष्ट तारे बहुत उच्च घनत्व में ढह जाते हैं। अधिक विशाल अपभ्रष्ट तारे छोटे होते हैं, क्योंकि गुरुत्वाकर्षण बल बढ़ता है, लेकिन दबाव आनुपातिक रूप से नहीं बढ़ता है।

इलेक्ट्रॉन-अपभ्रष्ट पदार्थ श्वेत वामन तारों के अंदर पाया जाता है। इलेक्ट्रॉन परमाणुओं से बंधे रहते हैं लेकिन आसन्न परमाणुओं में स्थानांतरित होने में सक्षम होते हैं। न्यूट्रॉन-अपभ्रष्ट पदार्थ न्यूट्रॉन तारे में पाया जाता है। विशाल गुरुत्वाकर्षण दबाव परमाणुओं को इतनी मजबूती से संकुचित करता है कि इलेक्ट्रॉन व्युत्क्रम बीटा-क्षय के माध्यम से प्रोटॉन के साथ जुड़ने के लिए मजबूर हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप न्यूट्रॉन का एक अति-सघन समूह बनता है। सामान्य तौर पर परमाणु नाभिक के बाहर मुक्त न्यूट्रॉन लगभग 10 मिनट के अर्ध-आयु के साथ क्षय हो जाएंगे, लेकिन एक न्यूट्रॉन तारे में, क्षय व्युत्क्रम क्षय से आगे निकल जाता है। ठंडा अपभ्रष्ट पदार्थ बृहस्पति जैसे ग्रहों में और और भी अधिक विशाल भूरे वामन तारों में भी मौजूद होता है, जिनसे धात्विक हाइड्रोजन के साथ एक कोर होने की उम्मीद की जाती है। अपभ्रष्टता के कारण, अधिक विशाल भूरे वामन तारे काफी बड़े नहीं होते हैं। धातुओं में, इलेक्ट्रॉनों को गैर-अपभ्रष्ट सकारात्मक आयनों की जाली में चलने वाली एक अपभ्रष्ट गैस के रूप में मॉडल किया जा सकता है।

क्वार्क पदार्थ

मुख्य लेख: QCD पदार्थ

नियमित ठंडे पदार्थ में, क्वार्क, परमाणु पदार्थ के मूलभूत कण, प्रबल बल द्वारा हेड्रॉन में सीमित होते हैं जो 2-4 क्वार्क से बने होते हैं, जैसे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन। क्वार्क पदार्थ या क्वांटम क्रोमोडायनामिकल (QCD) पदार्थ प्रावस्थाओं का एक समूह है जहाँ प्रबल बल पर काबू पा लिया जाता है और क्वार्क डी-कन्फाइंड (मुक्त) होते हैं और घूमने के लिए स्वतंत्र होते हैं। क्वार्क पदार्थ प्रावस्थाएँ अत्यधिक उच्च घनत्व या तापमान पर होती हैं, और प्रयोगशाला में उन्हें साम्यावस्था में उत्पन्न करने के कोई ज्ञात तरीके नहीं हैं; सामान्य परिस्थितियों में, कोई भी क्वार्क पदार्थ तुरंत रेडियोधर्मी क्षय से गुजरता है।

विचित्र पदार्थ (strange matter) क्वार्क पदार्थ का एक प्रकार है जिसके बारे में संदेह है कि यह टोलमैन-ओपेनहाइमर-वोल्कोफ सीमा (लगभग 2-3 सौर द्रव्यमान) के करीब कुछ न्यूट्रॉन तारों के अंदर मौजूद है, हालांकि इसके अस्तित्व का कोई सीधा प्रमाण नहीं है। विचित्र पदार्थ में, उपलब्ध ऊर्जा का हिस्सा विचित्र क्वार्क के रूप में प्रकट होता है, जो सामान्य डाउन क्वार्क का एक भारी एनालॉग है। एक बार बनने के बाद यह कम ऊर्जा अवस्थाओं में स्थिर हो सकता है, हालांकि यह ज्ञात नहीं है।

क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (Quark–gluon plasma) एक बहुत ही उच्च-तापमान वाली अवस्था है जिसमें क्वार्क (quarks) मुक्त हो जाते हैं और स्वतंत्र रूप से गति करने में सक्षम होते हैं, बजाय इसके कि वे स्थायी रूप से कणों में बंधे रहें। यह ग्लूऑन (gluons) के समुद्र में होता है, जो उप-परमाणु कण हैं और प्रबल बल (strong force) को प्रसारित करते हैं जो क्वार्कों को एक साथ बांधे रखता है। यह प्लाज्मा में परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों के मुक्त होने के समान है। यह अवस्था कण त्वरक (particle accelerator) में अत्यधिक उच्च-ऊर्जा वाली भारी आयन टक्करों में संक्षेप में प्राप्त की जा सकती है, और वैज्ञानिकों को व्यक्तिगत क्वार्कों के गुणों का निरीक्षण करने की अनुमति देती है। क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के अस्तित्व की भविष्यवाणी करने वाले सिद्धांत 1970 के दशक के अंत और 1980 के दशक की शुरुआत में विकसित किए गए थे,[18] और इसे पहली बार वर्ष 2000 में CERN की प्रयोगशाला में पहचाना गया था।[19][20] प्लाज्मा के विपरीत, जो गैस की तरह बहता है, QGP के भीतर अन्योन्यक्रियाएं प्रबल होती हैं और यह एक तरल की तरह बहता है।

उच्च घनत्व लेकिन अपेक्षाकृत कम तापमान पर, क्वार्कों के एक क्वार्क तरल बनाने का सिद्धांत दिया गया है, जिसकी प्रकृति वर्तमान में अज्ञात है। यह और भी उच्च घनत्व पर एक विशिष्ट कलर-फ्लेवर लॉकिंग (CFL) अवस्था बनाता है। यह अवस्था कलर चार्ज के लिए अतिचालक (superconductive) होती है। ये अवस्थाएं न्यूट्रॉन तारों में हो सकती हैं लेकिन वे वर्तमान में सैद्धांतिक हैं।

कलर-ग्लास कंडेनसेट

मुख्य लेख: Color-glass condensate

कलर-ग्लास कंडेनसेट (Color-glass condensate) पदार्थ का एक प्रकार है जिसके प्रकाश की गति के करीब यात्रा करने वाले परमाणु नाभिक में मौजूद होने का सिद्धांत दिया गया है। आइंस्टीन के सापेक्षता के सिद्धांत के अनुसार, एक उच्च-ऊर्जा नाभिक अपनी गति की दिशा में लंबाई में संकुचित (length contracted) या संपीडित दिखाई देता है। परिणामस्वरूप, नाभिक के अंदर के ग्लूऑन एक स्थिर पर्यवेक्षक को प्रकाश की गति के करीब यात्रा करने वाली "ग्लूओनिक दीवार" के रूप में दिखाई देते हैं। बहुत उच्च ऊर्जा पर, इस दीवार में ग्लूऑन का घनत्व बहुत अधिक बढ़ जाता है। ऐसी दीवारों की टक्कर से उत्पन्न क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के विपरीत, कलर-ग्लास कंडेनसेट स्वयं दीवारों का वर्णन करता है, और कणों का एक आंतरिक गुण है जिसे केवल सापेक्षतावादी भारी आयन कोलाइडर (RHIC) और संभवतः लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) जैसी उच्च-ऊर्जा स्थितियों में ही देखा जा सकता है।

बहुत उच्च ऊर्जा अवस्थाएं

विभिन्न सिद्धांत बहुत उच्च ऊर्जा पर पदार्थ की नई अवस्थाओं की भविष्यवाणी करते हैं। एक अज्ञात अवस्था ने ब्रह्मांड में बेरियन विषमता (baryon asymmetry) पैदा की है, लेकिन इसके बारे में बहुत कम जानकारी है। स्ट्रिंग सिद्धांत (string theory) में, लगभग 1030 K पर सुपरस्ट्रिंग के लिए एक हेगेडॉर्न तापमान (Hagedorn temperature) की भविष्यवाणी की गई है, जहाँ सुपरस्ट्रिंग प्रचुर मात्रा में उत्पन्न होते हैं। प्लैंक तापमान (1032 K) पर, गुरुत्वाकर्षण व्यक्तिगत कणों के बीच एक महत्वपूर्ण बल बन जाता है। कोई भी वर्तमान सिद्धांत इन अवस्थाओं का वर्णन नहीं कर सकता है और उन्हें किसी भी पूर्वानुमानित प्रयोग के साथ उत्पन्न नहीं किया जा सकता है। हालाँकि, ये अवस्थाएं ब्रह्मांड विज्ञान (cosmology) में महत्वपूर्ण हैं क्योंकि ब्रह्मांड बिग बैंग में इन अवस्थाओं से गुजरा हो सकता है।

पदार्थ की अन्य प्रस्तावित अवस्थाएं

सुपरसॉलिड

मुख्य लेख: Supersolid

एक सुपरसॉलिड (Supersolid) स्थानिक रूप से व्यवस्थित सामग्री (अर्थात, एक ठोस या क्रिस्टल) है जिसमें सुपरफ्लुइड गुण होते हैं। एक सुपरफ्लुइड के समान, एक सुपरसॉलिड बिना घर्षण के चलने में सक्षम है लेकिन एक कठोर आकार बनाए रखता है। हालाँकि एक सुपरसॉलिड एक ठोस है, यह अन्य ठोसों से इतने अलग गुण प्रदर्शित करता है कि कई लोग तर्क देते हैं कि यह पदार्थ की एक और अवस्था है।[21]

स्ट्रिंग-नेट लिक्विड

मुख्य लेख: String-net liquid

एक स्ट्रिंग-नेट लिक्विड (String-net liquid) में, परमाणुओं की व्यवस्था तरल की तरह स्पष्ट रूप से अस्थिर होती है, लेकिन फिर भी समग्र पैटर्न में ठोस की तरह सुसंगत होती है। सामान्य ठोस अवस्था में होने पर, पदार्थ के परमाणु खुद को एक ग्रिड पैटर्न में संरेखित करते हैं, ताकि किसी भी इलेक्ट्रॉन का स्पिन उसे छूने वाले सभी इलेक्ट्रॉनों के स्पिन के विपरीत हो। लेकिन एक स्ट्रिंग-नेट लिक्विड में, परमाणु किसी ऐसे पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं जिसके लिए कुछ इलेक्ट्रॉनों के पड़ोसियों का स्पिन समान होना आवश्यक होता है। यह जिज्ञासु गुणों को जन्म देता है, साथ ही ब्रह्मांड की मूलभूत स्थितियों के बारे में कुछ असामान्य प्रस्तावों का समर्थन भी करता है।

सुपरग्लास

मुख्य लेख: Superglass

एक सुपरग्लास (Superglass) पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जो एक ही समय में सुपरफ्लुइडिटी (superfluidity) और जमी हुई अनाकार संरचना (frozen amorphous structure) द्वारा विशेषता है।

चेन-मेल्टेड अवस्था

मुख्य लेख: Chain-melted state

चेन-मेल्टेड अवस्था में पोटेशियम जैसी धातुएं एक ही समय में तरल और ठोस के रूप में व्यवहार करती दिखाई देती हैं। यह उच्च तापमान और दबाव के अधीन होने का परिणाम है, जिससे पोटेशियम में मौजूद श्रृंखलाएं तरल में घुल जाती हैं जबकि क्रिस्टल ठोस बने रहते हैं।[22]

क्वांटम हॉल अवस्था

मुख्य लेख: Quantum Hall effect

एक क्वांटम हॉल अवस्था (quantum Hall state) धारा प्रवाह की दिशा के लंबवत मापे गए क्वांटाइज्ड हॉल वोल्टेज (Hall voltage) को जन्म देती है। एक क्वांटम स्पिन हॉल अवस्था एक सैद्धांतिक अवस्था है जो ऐसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास का मार्ग प्रशस्त कर सकती है जो कम ऊर्जा नष्ट करते हैं और कम गर्मी उत्पन्न करते हैं।

फोटोनिक पदार्थ

मुख्य लेख: Photonic matter

फोटोनिक पदार्थ (Photonic matter) एक ऐसी घटना है जहाँ गैस के साथ अन्योन्यक्रिया करने वाले फोटॉन (photons) स्पष्ट द्रव्यमान विकसित करते हैं, और एक-दूसरे के साथ अन्योन्यक्रिया कर सकते हैं, यहाँ तक कि फोटोनिक "अणु" भी बना सकते हैं। द्रव्यमान का स्रोत गैस है, जो द्रव्यमान वाली होती है। यह खाली स्थान में चलने वाले फोटॉनों के विपरीत है, जिनका कोई विराम द्रव्यमान (rest mass) नहीं होता है, और वे अन्योन्यक्रिया नहीं कर सकते हैं।

रासायनिक समीकरणों में अवस्था प्रतीक

एक रासायनिक समीकरण में, रसायनों की पदार्थ की अवस्था को ठोस के लिए (s), तरल के लिए (l), और गैस के लिए (g) के रूप में दिखाया जा सकता है। एक जलीय घोल (aqueous solution) को (aq) द्वारा दर्शाया जाता है, उदाहरण के लिए,[23]

2 Na (s) + 2 H2O (l)→H2(g) + 2 Na+(aq) + 2 OH−(aq)

इन्हें भी देखें

नोट्स और संदर्भ

  1. ↑ M.A. Wahab. (2005). "Solid State Physics: Structure and Properties of Materials". 1–3. Alpha Science. ISBN 978-1-84265-218-3.
  2. ↑ F. White. (2003). "Fluid Mechanics". 4. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-240217-9.
  3. ↑ G. Turrell. (1997). Gas Dynamics: Theory and Applications. 3–5. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-97573-1.
  4. ↑ (Sep 7, 1999). Plasma, Plasma, Everywhere. NASA Science.
  5. ↑ Aschwanden, M. J.. (2004). "Physics of the Solar Corona. An Introduction.". Praxis Publishing. ISBN 978-3-540-22321-4.
  6. ↑ Piel, Alexander. (2017-09-07). Plasma Physics: An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas. Springer. ISBN 978-3-319-63427-2.
  7. ↑ M. Chaplin. (20 August 2009). Water phase Diagram. Water Structure and Science.
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  11. ↑ Álvarez, V.H.; Dosil, N.; Gonzalez-Cabaleiro, R.; Mattedi, S.; Martin-Pastor, M.; Iglesias, M. & Navaza, J.M.: Brønsted Ionic Liquids for Sustainable Processes: Synthesis and Physical Properties. Journal of Chemical & Engineering Data 55 (2010), Nr. 2, S. 625–632. 10.1021/je900550v
  12. ↑ 12.0 12.1 Ketterle, Wolfgang. (2002-11-20). Nobel lecture: When atoms behave as waves: Bose-Einstein condensation and the atom laser. Reviews of Modern Physics. 74 (4) 1131–1151. doi:10.1103/RevModPhys.74.1131.
  13. ↑ 13.0 13.1 Press release: The Nobel Prize in Physics 2001. NobelPrize.org.
  14. ↑ J.R. Minkel. (20 February 2009). Strange but True: Superfluid Helium Can Climb Walls. Scientific American.
  15. ↑ L. Valigra. (22 June 2005). MIT physicists create new form of matter. MIT News.
  16. ↑ 16.0 16.1 (1999). "Properties of Materials". 254–258. Oxford University Press. ISBN 0-19-511331-4.
  17. ↑ M. Tinkham. (2004). Introduction to Superconductivity. 17–23. Courier Dover. ISBN 0486435032.
  18. ↑ Satz, H.. (1981). Statistical Mechanics of Quarks and Hadrons: Proceedings of an International Symposium Held at the University of Bielefeld, F.R.G., August 24–31, 1980. North-Holland. ISBN 978-0-444-86227-3.
  19. ↑ (2000-02-16). "Evidence for a New State of Matter: An Assessment of the Results from the CERN Lead Beam Programme".
  20. ↑ Glanz, James. (2000-02-10). Particle Physicists Getting Closer To the Bang That Started It All. The New York Times.
  21. ↑ G. Murthy. (1997). "Superfluids and Supersolids on Frustrated Two-Dimensional Lattices". Physical Review B. 55 (5) 3104. doi:10.1103/PhysRevB.55.3104.
  22. ↑ Mann, Adam. (2019-04-08). Confirmed: New phase of matter is solid and liquid at same time. National Geographic.
  23. ↑ Using state symbols in chemical equations - How are equations used to represent chemical reactions? - GCSE Combined Science Revision - OCR 21st Century. BBC Bitesize.

बाहरी कड़ियाँ

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के "State of matter" लेख पर आधारित। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/State_of_matter यह लेख स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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