ทำความรู้จักเบื้องต้นกับ สสาร และสถานะของสสาร
คลื่นวิทยุลึกลับ จำนวนมาก ส่งตรงมาถึงโลก และไกลนับพันล้านปีแสง (Fast radio burst)
ตรวจพบคลื่นวิทยุลึกลับ จำนวนมาก ไกลนับพันล้านปีแสง (Fast radio burst)
กันยายน 17, 2019
ค้นพบดาวหางใหม่! คาดว่าน่าจะมาจากนอกระบบสุริยะ C/2019 Q4 (Borisov)
ค้นพบดาวหางใหม่! และมันมาจากนอกระบบสุริยะ (2I/Borisov)
กันยายน 24, 2019
สสารและสถานะของสสาร

น้ำคือสสารอย่างหนึ่ง ภาพจาก wikipedia/Jos van Zetten

การศึกษาสสารในทางฟิสิกส์นั้นถือว่าสำคัญมาก ในตลอดหลายศตวรรษที่ผ่านมามีนักเคมี และนักฟิสิกส์หลายต่อหลายท่านได้ทำการศึกษาในเรื่องนี้กันอย่างจริงจัง จนมาถึงทุกวันนี้เราก็ยังคงศึกษามันอยู่ ต่อไปนี้เราจะมาทำความเข้าใจเบื้องต้นว่าเกี่ยวกับส่วนประกอบของสสาร และโครงสร้างของสสารกันอย่างคร่าวๆ รวมทั้งบทบาทของอันตรกิริยาในการรวมตัวของส่วนประกอบของสสาร และปรากฏการณ์ทางธรรมชาติต่างๆได้จากเนื้อหาดังต่อไปนี้

ลักษณะของสสาร

เราจะรู้ได้อย่างไรว่าสิ่งที่เราเห็นนั่นคือสสารหรือไม่ ดังนั้นการรู้จักกับลักษณะของสสารจึงเป็นเรื่องที่สำคัญที่จะช่วยบอกกับเราได้ว่าสิ่งที่เราเห็นอยู่นั้นแท้จริงแล้วมันคือสสารหรือว่า พลังงานกันแน่ โดยลักษณะของสสารนั้นสามารถจำแนกออกมาได้อย่างชัดเจน 3 ลักษณะได้แก่

1 สสารต้องการที่อยู่: เราสามารถรับรู้ได้ว่าสสารต้องการที่อยู่ได้จาก การรับรู้ของประสบการณ์ใกล้ตัวต่างๆในชีวิตประจำวันของเรา เช่น การเติมน้ำใส่ขวด, การเติมลมให้กับล้อรถ หรือ การเป่าลูกโป่ง และเพื่อให้เห็นถึงการทดลองอย่างง่ายในเรื่องของสสารต้องการที่อยู่หรือไม่ เพียงนำน้ำเปล่าเทใส่แก้วให้เต็ม จากนั้นลอง หยอดน้ำแข็งลงไปในแก้วดู จากการทดลองอย่างง่ายนี้จะเห็นได้ว่าน้ำก็ย่อมเอ่อล้นออกมาจากแก้วเสมอ นั่นก็แสดงให้เห็นแล้วว่าก้อนน้ำแข็งก็ต้องการที่อยู่โดยการดันน้ำให้ไหลล้นออกไป หรือแม้แต่การเป่าลูกโป่งเข้าไปมากๆ เมื่อถึงจุดหนึ่ง ลูกโป่งก็จะแตก นี้ก็แสดงให้เห็นว่าแม้แต่ก๊าซในอากาศ ก็ยังต้องการที่อยู่เช่นกัน ซึ่งจะแตกต่างจากพลังงาน ที่เราไม่สามารถวัดปริมาณของมันได้ ดังนั้นหากเราจะบอกว่า ขอเติมแสงอาทิตย์ 1 ถัง, ขอซื้อ ความร้อน 1 ถุง หรือซื้อเสียง 1 แกลลอน ก็จะไร้ความหมายเพราะพลังงานไม่ใช่สสารนั่นเอง

โลกเราก็เป็นสสาร! นี้คือภาพโลกที่ชื่อ Earthrise ถ่ายไว้โดย William Anders นักบินอวกาศบนยาน Apollo 8
โลกเราก็เป็นสสาร! นี้คือภาพโลกที่ชื่อ Earthrise ถ่ายไว้โดย William Anders นักบินอวกาศบนยาน Apollo 8 ภาพโดย NASA/Bill Anders

2 สสารมีมวล: โดยมวลเป็นคุณสมบัติของวัตถุ ซึ่งจะแตกต่างกับความหมายของคำว่า น้ำหนัก โดยมวลเป็นปริมาณเนื้อของสสาร ที่มีหน่วยเป็นกิโลกรัม แต่น้ำหนักนั้นคือ แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวล และมีหน่วยเป็นนิวตัน (W = mg) ดังนั้นหากเราไปยืนอยู่บนพื้นผิวของดวงจันทร์ ตัวของเราก็จะหนักเพียง 1 ใน 6 ของโลก เพราะแรงโน้มถ่วงบนพื้นผิวดวงจันทร์นั้นน้อยกว่าบนพื้นผิวโลกราวๆ 16.5% นั่นเอง โดยขนาดของมวลนั้นอาจไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดของมันก็ได้เช่นดาวนิวตรอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 กิโลเมตร ก็อาจมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเราถึง 1.5 – 2 เท่า ดังนั้นหากเราตักมวลสารของดาวนิวตรอนประมาณ 1 ก้อนน้ำตาลเล็กๆ ก็สามารถเทียบเท่าได้กับมวลสารของประชากรทั้งหมดบนโลกรวมกัน! อีกทั้งยิ่งสสารใดมีมีมวลมากขึ้น ก็จะมีความสามารถต้านทานการเคลื่อนที่ได้มากขึ้น นั่นก็คือเราจะต้องใช้แรงมากขึ้น เพื่อไปผลักให้กับวัตถุที่มีมวลมากกว่าได้เคลื่อนที่ ในทางตรงกันข้าม เมื่อวัตถุมวลมากได้เคลื่อนที่ ก็ยิ่งทำให้การไปหยุด เป็นไปได้ยากยิ่งขึ้นตามไปด้วย โดยสรุปก็คือมวลสามารถชั่งได้ เช่น เมื่อเราอยากรู้ว่าอาการมีมวลหรือไม่ เราก็เพียงแค่ทำการทดลองอย่างง่ายๆโดยการเป่าลูกโป่งแล้วนำไปชั่งน้ำหนัก เราก็จะพบว่า น้ำหนักของลูกโป่งนั้นเพิ่มขึ้น เมื่อเทียบกับตอนก่อนเป่าเป็นต้น

3 สสารประกอบขึ้นจากอะตอม: ความคิดของสสารประกอบไปด้วยอะตอมนั้น เคยถูกพูดถึงเอาไว้โดยนักปรัชญาชาวกรีกที่ชื่อ เดโมคริตุส (Democretus) เขาบอกว่าหากเราทำการหั่นสสารชนิดหนึ่ง สมมติว่าให้เป็นก้อนเหล็ก โดยการหั่นมันไปเรื่อยๆให้มันเล็กลงไป เราก็จะไปถึงจุดๆหนึ่งที่ไม่อาจสามารถหั่นแยกได้อีกแล้ว เขาเรียกสิ่งๆนั้นว่า “อะตอม” ซึ่งเป็นคำในภาษากรีกที่แปลว่า แบ่งต่อไปไม่ได้อีกแล้ว (แต่ถึงอย่างนั้นในปัจจุบันเราก็ค้นพบแล้วว่าอะตอม ยังไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด ซึ่งการศึกษาในสิ่งที่เล็กยิ่งกว่าอะตอมนั้น ปัจจุบันอยู่ในสาขาวิชาฟิสิกส์กลศาสตร์ควอนตัม ที่พบว่าหากเล็กลงไปกว่าขนาดของอะตอมแล้ว กฎฟิสิกส์ของกลศาสตร์แบบดั่งเดิมต่างๆ เช่นกลศาสตร์นิวตัน หรือ กลศาสตร์ไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ ก็ไม่อาจใช้งานได้อีกต่อไปในโลกของควอนตัม) ในอดีตเรามีการค้นพบธาตุต่างๆมากมายกว่า 100 ธาตุ เพื่อทำการศึกษาว่าธาตุเหล่านั้นเป็นธาตุชนิดเดียวกันหรือไม่ เราก็ต้องรู้ถึงคุณสมบัติของอะตอมในธาตุนั้นๆ นั้นก็คือธาตุชนิดเดียวกัน ก็จะมีอะตอมที่เหมือนกันนั่นเอง และหากอะตอมต่างชนิดกันมารวมตัวกัน ก็จะเกิดเป็นโมเลกุลของสสารชนิดใหม่ขึ้น ที่เรียกว่า สารประกอบ (compound) เช่นน้ำ, โซเดียมคลอไรด์ หรือ คาร์บอนไดออกไซด์ เป็นต้น ซึ่งเราจะเห็นได้ว่า น้ำนั้นถูกสร้างขึ้นมาจากธาตุของไฮโดรเจนและออกซิเจน โดยส่วนที่เล็กที่สุดของสารประกอบก็คือ “โมเลกุล” โดยโมเลกุลของน้ำก็จะมีสมบัติเป็นน้ำ แต่ถ้าแยกโมเลกุลของน้ำออกไปอีก เราก็จะได้ อะตอมของไฮโดรเจน 2 อะตอม และ ออกซิเจน 1 อะตอม

Quartz oisan.jpg
ควอตซ์ หรือมีชื่อว่า “แร่เขี้ยวหนุมาน” เป็นแร่ที่พบมากที่สุดในโลกเป็นอันดับที่สองรองจาก เฟลด์สปาร์ ภาพจาก wikipedia/Didier Descouens

ตามลักษณะของสสารที่กล่าวมาทั้ง 3 ข้อนั้น เราจะไม่พบเจอลักษณะเช่นนี้เลยในสิ่งที่เรียกว่า “พลังงาน” แม้บางครั้งเราอาจพูดถึงพลังงานแสงสว่างว่า มันประกอบขึ้นมาจากส่วนย่อยๆที่เรียกว่า โฟตอน (Photon) หรือพลังงานของโฟตอนที่เรียกว่า ควอนตา (quanta) ก็ตาม แต่ถึงอย่างนั้น อนุภาคโฟตอน มันก็ไม่มีมวลอยู่ดี และเมื่อเปรียบเทียบการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ในสาขาวิชาเคมี กับฟิสิกส์ก็จะพบว่า นักเคมีจะสนใจว่าสสารจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรเป็นหลัก แม้ว่าจะต้องเกี่ยวข้องกับพลังงานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ส่วนนักฟิสิกส์จะสนใจว่าพลังงานทำงานอย่างไร เช่น พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า หรือพลังงานนิวเคลียร์เป็นหลัก แต่ก็ต้องพัวพันอยู่กับสสารด้วยอย่างหลีกเลี่ยงได้ยาก ดังนั้นแล้ว พลังงานและสสารจึงมีความสัมพันธ์กันชนิดที่แยกกันไม่ออก

สถานะของสสาร

สสารโดยปกติแบ่งออกเป็น 3 สถานะ ได้แก่ ก๊าซ, ของเหลว และของแข็ง

1 ก๊าซ คือสสารที่มีโมเลกุลอยู่ห่างกันมาก จนมีช่องว่าให้สำหรับโมเลกุลของก๊าซได้เคลื่อนที่ไปมาอย่างรวดเร็ว โดยโมเลกุลของก๊าซในบรรยากาศของโลกเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 1,600 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ก๊าซมีปริมาตรไม่แน่นอน และขึ้นอยู่กับภาชนะที่บรรจุ ตามปกติก๊าซจะขยายตัวเพื่อให้เต็มภาชนะที่บรรจุเสมอ แต่การที่ก๊าซไม่หนีออกไปจากโลกก็เพราะแรงดึงดูดของโลก ที่ดึงโมเลกุลของก๊าซลงมาอยู่รวมกันได้ หากเป็นดาวที่มีแรงดึงดูดน้อย ก๊าซก็จะหนีกระจายออกไปสู่อวกาศจนหมด เช่นเดียวกับดวงจันทร์ ที่แรงโน้มถ่วงน้อยเกินไป และไม่อาจรักษาชั้นบรรยากาศของตัวเองเอาไว้ได้

การเคลื่อนที่แบบสุ่มของก๊าซ
การเคลื่อนที่แบบสุ่มของก๊าซ ภาพจาก wikipedia

ความดันเกิดจากในภาชนะบรรจุ เกิดจากการที่โมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วและชนกัน และยิ่งถ้าก๊าซมีอุณหภูมิที่สูงขึ้น โมเลกุลก็จะยิ่งเคลื่อนที่เร็วขึ้นซึ่งจะไปส่งผลให้ความดันในภาชนะที่บรรจุมันเกิดความดันที่เพิ่มมากขึ้นตาม แต่ความดันนั้นจะลดลงได้เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง อีกทั้งเรายังสามารถอัดก๊าซให้ปริมาตรลดลงมาได้ด้วย

การเคลื่อนที่ก๊าสจะมีทิศทางแบบสุ่ม ไม่เป็นระเบียบ (random) มีช้าบ้างเร็วบ้าง เราเรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่าการเคลื่อนที่แบบบราวเนี่ยน (Brownian movement) ตั้งชื่อตามผู้ค้นพบ โรเบิร์ต บราวน์ (Robert Brown) โดยมีความจริงเดี่ยวกับก๊าซอยู่ข้อหนึ่งก็คือ ก๊าซใดๆที่มีปริมาตรเท่ากัน ความดันเท่ากัน และอุณหภูมิเท่ากัน ก็จะมีจำนวนโมเลกุลที่เท่ากัน กฎเกณฑ์นี้มีชื่อว่า กฎของอาโวกาโดร (Avogadro’s hypothesis) ตั้งตามชื่อผู้ค้นพบคือ “อาเมเดโอ อาโวกาโดร” (Amedeo Avogadro) ปัจจุบันเราพบว่าจำนวนก๊าซอุดมคติในปริมาตร 1 ลิตร จะมีจำนวนโมเลกุลอยู่ 2.7 × 1022 โมเลกุลที่ อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน (STP) คือ อุณหภูมิศูนย์องศาเซลเซียส และ ความดันหนึ่งบรรยากาศ หรือเทียบเท่าได้กับน้ำหนักโมเลกุล (molecular weight) ที่ 22.4 ลิตร ปริมาณนี้เราเรียกว่า 1 โมล ดังนั้นหากต้องการหาจำนวนโมเลกุลในหนึ่งโมลเราก็หาได้จาก 2.7 × 1022 × 22.4 ก็จะได้ 6.02 × 1023 โมเลกุลต่อโมล เราเรียกตัวเลขนี้ว่า เลขของอาโวกาโดร (Avogadro’s number)

2 ของเหลว คือสสารที่มีโมเลกุลอยู่ใกล้ชิดกัน แต่ยังพอมีช่องว่างมากพอให้เคลื่อนที่ได้ ของเหลวมีปริมาตรคงที่ แต่มีรูปร่างไม่แน่นอนขึ้นอยูากับภาชนะที่ใส่ อีกทั้งเมื่อเราทำให้ก๊าซเย็นตัวลงเรื่อยๆจนถึงจุดหนึ่งมันก็สามารถกลายเป็นของเหลวได้ด้วย อย่างไรก็ดีของเหลวและก๊าซสามารถเคลื่อนย้ายสลับกันได้ ตัวอย่างที่เราเห็นได้ใกล้ตัวสุดก็คือ น้ำ และ ไอน้ำ โดยกล่าวได้ว่าน้ำ 1 ลูกบาศก์เซนติเมตรที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ก็จะกลายเป็นไอน้ำที่มีปริมาตรเพิ่มขึ้นเป็น 1,670 ลูกบาศก์เซนติเมตร จะเห็นได้ถึงค่าความต่างกันของระยะห่างระหว่างโมเลกุลของน้ำ และ ไอน้ำ มากถึง 12 เท่า

ของเหลวที่เรารู้จักกันมากที่สุด และใกล้ตัวเรา ก็คือ น้ำ
ของเหลวที่เรารู้จักกันมากที่สุด และใกล้ตัวเรา ก็คือ น้ำ ภาพจาก wikipedia/José Manuel Suárez

เนื่องจากโมเลกุลของๆเหลวยังมีการเคลื่อนที่อยู่ แม้แต่บนผิวของๆเหลวก็ด้วย ดังนั้นจึงมีโอกาสที่บางโมเลกุลบนผิวจะสามารถเคลื่อนที่ไปได้เร็ว จนเลยขอบเขตของๆเหลวไป และกลายเป็นโมเลกุลของไอน้ำที่แทรกอยู่ในโมเลกุลของอากาศ ดังนั้นหากมีการวิ่งเลยขอบบองๆเหลวมากๆหรือนานๆเข้า จำนวนของของเหลวภายในภาชนะก็จะลดน้อยลง เราจึงเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “การระเหย”

การระเหยของๆเหลวที่เป็นที่คุ้นหูเรามากที่สุดก็คือ การระเหยของน้ำจนกลายเป็นไอน้ำ แต่ถึงอย่างนั้นอัตราการระเหยของน้ำก็มีหลายปัจจัยเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย เช่น ในขณะที่มีโมเลกุลของไอน้ำแทรกอยู่ในอากาศมากเกินไปแล้ว อากาศก็จะไม่สามารถรับโมเลกุลที่ระเหยจากน้ำได้อีก หรือถ้าเราเพิ่มอุณหภูมิให้กับน้ำ การระเหยก็จะสามารถเกิดขึ้นได้รวดเร็วยิ่งขึ้น อีกทั้งที่ระดับความสูงของพื้นโลก ก็มีส่วนไปทำให้การระเหยของไอน้ำต่างกันด้วย ที่เป็นเช่นนั้นก็เพราะความดันบรรยากาศจะไม่เท่ากันที่ระดับความสูงต่างกันนั่นเอง โดยเราจะเห็นได้ว่าบนภูเขาสูงๆ จุดเดือดของน้ำจะต่ำกว่าบนพื้นที่ๆต่ำกว่า ตัวอย่างเช่น ที่ความสูงระดับน้ำทะเล จุดเดือดของน้ำจะอยู่ที่ 100 องศาเซลเซียส แต่หากเราไปอยู่บนยอดเขาเอเวอเรสต์ที่ระดับความสูง 8,848 เมตร แล้วไปต้มน้ำบนนั้น ก็จะพบว่าน้ำจะเดือดไวกว่าบนพื้นราบมาก นั่นก็คือ จุดเดือดของน้ำจะลดลงมาอยู่ที่อุณหภูมิเพียง 70-71 องศาเซลเซียส เท่านั้น! ทั้งนี้นอกจากบนยอดเขาจะมีความดันบรรยากาศต่ำแล้ว มันยังมีโมเลกุลของอากาศน้อยอีกด้วย จึงยิ่งไปส่งผลให้น้ำ ได้ระเหยไวกว่าบนพื้นราบ

3 ของแข็ง คือสสารที่โมเลกุลจับเกาะกันแน่นอย่างเป็นระเบียบและมีโครงสร้างแน่นอน จึงทำให้เป็นของแข็งที่คงรูปได้ด้วยตัวเอง (ไม่ขึ้นอยู่กับภาชนะที่ใส่) เราสามารถทำให้ของเหลวกลายเป็นของแข็งได้โดยการทำให้มันเย็นลงเรื่อยๆ และเมื่อถึงจุดเยือกแข็ง (freezing point) มันก็จะกลายเป็นของแข็ง แต่ถ้าการเรียงตัวของโมเลกุลของแข็งมีแบบแผนที่แน่นอน เราจะเรียกโครงสร้างนี้ว่าผลึก (crystal)

รูปแบบผลึกเดี่ยวของอินซูลินที่เป็นของแข็ง
รูปแบบผลึกเดี่ยวของอินซูลินที่เป็นของแข็ง ภาพโดย NASA/Marshall

นอกจากนี้แล้วนักวิทยาศาสตร์ได้จัดสารอีกประเภทหนึ่งเป็นสถานะที่ 4 ที่เรียกว่า พลาสมา (plasma) พลาสมาประกอบไปด้วยอนุภาคหรืออะตอมที่มีประจุไฟฟ้าอยู่รวมกันอยู่ในลักษณะของก๊าซ ซึ่งเมื่อก๊าสถูกทำให้มีอุณภูมิที่สูงขึ้นมากๆ มันก็จะแตกตัวกลายเป็นไออน การเปลี่ยนสถานะกลายเป็นพลาสมาสสารส่วนใหญ่ จะเกิดขึ้นในดาวฤกษ์ เช่นดวงอาทิตย์ ปัจจุบันสถานะพลาสมาได้รับความสนใจมาก เพราะความรู้นี้จะนำพาเราไปสู่การควบคุมพลังงานอะตอมจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion) ซึ่งจะให้พลังงานมหาศาลมาก จากทั้งหมดที่กล่าวมานี้จะเห็นได้ว่า ไม่ว่าสสารจะเปลี่ยนไปเป็นสถานะใดก็ตาม มีสิ่งหนึ่งที่ไม่เคยเปลี่ยนเลยก็คือ มวลของสสาร ซึ่งจะคงมีค่าเท่าเดิมเสมอ กฎนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ กฎคงตัวของมวล หรือกฎอนุรักษ์มวล (conservation of mass)

Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
YouTube
กลับสู่บนสุด