Материя (физика): дефиниция, свойства, маса и състав
Материята е веществото, от което е изградена всяка материя. Това означава обекти, които имат маса. По-конкретно, те трябва да имат маса на покой, която е форма на енергия, която материята притежава, дори когато не се движи (няма кинетична енергия), е изключително студена (няма топлинна енергия) и т.н. Материята е дума, която понякога се използва по различни начини в ежедневието, докато масата е точно определено понятие и величина поне във физиката. Те не са едно и също нещо, въпреки че са свързани.
Обикновената материя е съставена от малки частици, наречени атоми. Между атомите има пространства и те се движат или вибрират през цялото време. Частиците се движат по-бързо и се отдалечават една от друга, когато се нагряват, и обратното, когато се охлаждат.
Дефиниция и основни понятия
В науката „материя“ обикновено означава всичко, което заема обем и притежава маса. В по-строг физичен смисъл масата е мярка за инертността (съпротивлението към промяна на движението) и е източник на гравитационно привличане. В рамките на специалната теория на относителността масата и енергията са еквивалентни (известното уравнение E = m c²), което означава, че масата може да се свърже с енергийни съдържания на системата.
Маса: понятия и измерване
Маса — основната единица за маса в SI е килограмът (kg). Има две често срещани понятия:
- Инерциална маса — определя колко силно обектът се съпротивлява на ускорение при приложена сила.
- Гравитационна маса — определя силата на гравитационното привличане между обектите.
Еквивалентността на инерциалната и гравитационната маса е в основата на принципа на еквивалентността в общата теория на относителността. Практически масата се измерва чрез везни (сравнителни методи) или чрез наблюдение на ускорението при дадена сила (инертни методи).
Тегло не е същото като маса — то е силата, с която гравитацията действа върху масата и зависи от гравитационното поле (например на Земята теглото е различно от това на Луната).
Състав и структура на материята
Макроскопичната материя е изградена от атоми, а атомите от своя страна от по-малки частици: електрони, протони и неутрони. Протоните и неутроните са съставени от кварки и са свързани чрез силното ядрено взаимодействие. Извън тези „обикновени“ частици има и други фундаментални частици (лептони, бозони и др.), които изучава съвременната физика.
Атомите могат да се свързват в молекули, от които се изграждат химични вещества и материали. Между частиците в атомите и молекулите има значително „празно“ пространство; макроскопичните свойства (твърдост, плътност, проводимост и др.) зависят от начините на сглобяване и взаимодействие на тези частици.
Състояния на материята и фазови преходи
Материята се среща в няколко основни макроскопични състояния:
- Твърдо състояние — частици в кристална или аморфна подредба, с фиксиран обем и форма.
- Течно състояние — частици имат по-голяма подвижност, обемът е почти фиксиран, но формата се определя от съда.
- Газ — частици са свободно разпръснати; материята заема целия обем на съда.
- Плазма — йонизиран газ от свободни електрони и йони; повтаря се при много високи температури или енергии.
- Бозе–Айнщайнов кондензат — екзотично състояние при изключително ниски температури, при което квантови ефекти доминират макроскопично.
Промените между тези състояния се наричат фазови преходи (топене, изпарение, йонизация и др.) и зависят от температурата и налягането.
Свойства на материята
Някои от основните макроскопични и микроскопични свойства са:
- Плътност — маса на единица обем (kg/m³); важна за определяне на „колко плътно“ е веществото.
- Инерция — склонност да запазва състоянието си на движение.
- Електрични и магнитни свойства — проводимост, диелектричност, феромагнетизъм и др.
- Топлинни свойства — топлинен капацитет, разширение, проводимост.
- Оптични свойства — прозрачност, отражение, абсорбция.
- Империемабилност и обем — макроскопични характеристики, които описват как материята взаимодейства с пространство и други тела.
Други важни понятия
Антиматерия — съставена от античастици (например позитрон е античастица на електрона). При среща материя и антиматерия могат да аннигилират, преобразувайки маса в енергия.
Тъмна материя — форма на материя, която не взаимодейства значимо със светлината (не излъчва и не абсорбира), но проявява гравитационни ефекти върху галактики и клъстери. Нейният състав остава неизвестен и е предмет на активни изследвания.
Запазване на маса и енергия — в класическата химия и механика масата в затворена система се запазва; в съвременната физика по-точно е да се говори за запазване на общата енергия, включително еквивалента на масата (масо-енергийна консервация).
Обобщение
Материята е широко понятие, което включва всичко, имащо маса и заемащо обем — от обикновените атоми и молекули до екзотични състояния и невидими компоненти като тъмната материя. Масата е централно понятие при описанието ѝ: тя определя инертността и гравитационните свойства на обектите, като в съвременната физика е неотделима от енергията.
Барионна материя
Почти цялата материя, с която се сблъскваме в ежедневието, е барионна материя. Тя включва атоми от всякакъв вид и им придава свойството маса. Небарионната материя, както се подразбира от името, е всякакъв вид материя, която не е съставена основно от бариони. Тя може да включва неутрино и свободни електрони, тъмна материя, като например суперсиметрични частици, аксиони и черни дупки.
Самото съществуване на барионите е важен въпрос в космологията. Предполага се, че Големият взрив е създал състояние с равни количества бариони и антибариони. Процесът, при който барионите са станали повече от своите античастици, се нарича бариогенеза.
Свойства на материята
Материята може да се възприема пряко чрез сетивата. Тя има свойства, които могат да бъдат измерени, като маса, обем, плътност, и качествени свойства, като вкус, мирис и цвят например.
Примери за материя
Всички физически тела във Вселената са изградени от материя: галактики, звезди и планети, скали, вода и въздух. Живите организми като растения, животни и хора също са съставени от материя.
Във физиката Вселената съдържа и неща, които не са материя, включително някои елементарни частици, които нямат маса в покой. Познат пример са фотоните (електромагнитно излъчване, например светлина).
Освен масата на покой, материята може да съдържа и други форми на енергия, които не са материя, но им позволяват да взаимодействат помежду си, като обменят кинетична енергия, топлина, светлина, звукови вълни и т.н.
Извън физическите науки може да има много други неща, които не са материя или енергия. Само за пример, могат да се изпитват емоции или да се раждат идеи.
Състав
Структурата и съставът на материята се изследват чрез раздробяването ѝ на все по-малки парчета. Следователно живите организми се състоят от клетки. Клетките са съставени от молекули, които представляват съвкупност от свързани помежду си атоми. Всеки атом от своя страна е съвкупност от елементарни частици.
Състояния на материята
Физиците също така класифицират материята в няколко широки категории, наречени състояния, с доста различни свойства:
- Твърдите тела са материални обекти, съставени от молекули и атоми, които са толкова силно свързани помежду си, че запазват формата си дори при движение, въпреки че могат да се деформират при натоварване. Примери: скала, маса, нож, блок лед.
- Течностите са количества материя, съставени от молекули и атоми, които са слабо свързани помежду си. Те нямат правилна форма. Съществуват два вида течности:
- Течностите включват кондензирани форми на материята, подобно на твърдите тела, но при които връзките между съставящите ги елементи (молекули, атоми) им позволяват да се движат един спрямо друг, като същевременно продължават да се придържат заедно: те поддържат определена повърхност. Течностите приемат формата на приемниците, в които се намират. Примери: вода, масло, кръв, лава, безалкохолни напитки.
- Газовете са количества вещество, при които връзките между съставящите ги елементи (молекули, атоми) са толкова слаби или хлабави, че те могат да се движат независимо един от друг. Газовете не проявяват подходяща повърхност, те са склонни да се разширяват, за да заемат целия наличен обем. Примери: въздух, водни пари, хелий.
- Плазмата е съставена от йонизирана материя и представлява интерес най-вече за учените. Примери: йоносферата на Земята, короната на Слънцето. Частиците в плазмата са смес между течност и газ. Частиците са свободни да се движат като течност, а привличането им е слабо като при газ. Това състояние на материята не е напълно изяснено. Пример за плазма може да се намери в мълнията.
- Кондензатът на Бозе-Айнщайн (BEC) е състояние на материята, състоящо се от разреден газ от бозони, охладени до температури, много близки до абсолютната нула (0 K или -273,15 °C).
Дадено количество вещество може да премине от едно състояние в друго в зависимост от температурата и налягането. На Земята водата може да съществува едновременно в три състояния: твърдо (лед), течно (езера, океани) и газообразно (пара).
Свързани страници
- Антиматерия
- Атомна теория
- Атоми
Въпроси и отговори
В: Какво представлява материята?
О: Материята е веществото, от което са направени всички материали. Тя се отнася до обектите, които имат маса и маса на покой, която е форма на енергия, независимо дали се движи или има топлинна енергия.
В: По какво материята се различава от масата?
О: Материята често се използва променливо в ежедневния език, докато масата е точно определено понятие и величина във физиката. Масата се отнася конкретно до количеството материя в даден обект.
В: Какво е маса на покой?
О: Масата на покой е форма на енергия, която материята притежава, дори когато не се движи или няма топлинна енергия.
В: От какво се състои обикновената материя?
О: Обикновената материя се състои от малки частици, наречени атоми, които се движат и вибрират непрекъснато.
В: Как се държат частиците на обикновената материя, когато се нагряват?
О: Когато се нагряват, частиците на обикновената материя се движат по-бързо и се отдалечават една от друга.
В: А как се държат, когато се охладят?
О: Когато се охлаждат, частиците на обикновената материя се движат по-бавно и по-близо една до друга.
В: Как се наричат пространствата между атомите в обикновената материя?
О: Пространствата между атомите в обикновената материя се наричат интерстициални пространства.
