Materija (fizika): kas tai yra, masė, atomai ir savybės
Atraskite, kas yra materija: materijos ir masės skirtumai, atomų sandara, dalelių judėjimas ir pagrindinės savybės – aiškiai ir suprantamai.
Medžiaga yra medžiaga, iš kurios sudaryta visa medžiaga. Tai reiškia objektus, kurie turi masę. Tiksliau, jie turi turėti ramybės masę, kuri yra energijos forma, kurią materija turi net tada, kai ji nejuda (neturi kinetinės energijos), yra labai šalta (neturi šiluminės energijos) ir pan. Materija yra žodis, kuris kasdieniniame gyvenime kartais vartojamas įvairiai, o masė yra aiškiai apibrėžta sąvoka ir dydis, bent jau fizikoje. Tai ne tas pats, nors ir susiję dalykai.
Kas sudaro įprastinę materiją
Įprastinė materija sudaryta iš mažų dalelių, vadinamų atomais. Tarp atomų yra tarpai, ir jie nuolat juda arba vibruoja. Kaitinamos dalelės juda greičiau ir tolsta viena nuo kitos, o vėsinamos - atvirkščiai.
Platesniu mastu galima paaiškinti taip:
- Atomai: atomai susideda iš teigiamai įkrautų protonų ir neutralių neutronų atominiame branduolyje bei neigiamų elektronų, skriejančių aplink branduolį. Branduolį sudaro protonai ir neutronai, kurie savo ruožtu sudaryti iš kvarkų.
- Molekulės: keli atomai susijungia cheminiais ryšiais ir sudaro molekules — tai medžiagų struktūriniai vienetai daugeliui kartu veikiančių atomų (pvz., H2O vanduo).
- Ionos ir plazma: kai elektronai atskiriami arba prijungiami, susidaro jonai; esant aukštai temperatūrai arba energijai, medžiaga gali tapti plazma — laisvųjų jonų ir elektronų mišinys.
Materijos fizinės savybės
Materija pasižymi keletu pagrindinių savybių:
- Masė: kiekybinis medžiagos kiekio matas; fizikoje aiškiai apibrėžtas dydis. Masė taip pat susijusi su inercija — objekto pasipriešinimu pagreičiui.
- Tankis: masė vienetui tūrio (ρ = m/V). Tankis lemia, plūduriuos ar skęs skystis ar kietas kūnas, taip pat svarbus medžiagų identifikavimui.
- Volumas: erdvės kiekis, užimamas materijos dalies.
- Elektrinis krūvis ir magnetinės savybės: kai kurios medžiagos turi laisvus krūvius arba magnetinius momentus, kas lemia jų elektrinę ir magnetinę elgseną.
- Termodinaminės savybės: temperatūra, šiluminė talpa, pereinamieji taškai (lydymosi, virimo temperatūros) ir kt.
Fazių būsenos ir perėjimai
Paprastai materija aptinkama keliomis būsena‑fazėmis:
- Kietoji: atomai arba molekulės yra išsidėstę tam tikra tvarka arba amorfiškai ir turi apibrėžtą tūrį bei formą.
- Skystoji: turi pastovų tūrį, bet neturi pastovios formos — prisitaiko prie indo formos.
- Gazinė: neturi nei pastovaus tūrio, nei formos; dalelės juda greitai ir toli viena nuo kitos.
- Plazma: jonizuota dujų būsena, kurioje dominuoja laisvi elektronai ir jonai (pvz., žvaigždėse, elektriniuose iškrovimuose).
- Eksotinės fazės: labai žemos temperatūros atvejais gali susiformuoti Bose–Einstein kondensatai ar superlaidžios būsenos.
Masė vs svoris, energija ir materijos tapatumas
Dažnai žmonės masę painioja su svoriu. Masė yra medžiagos kiekis; svoris — jėga, kuria gravitacija traukia tą masę (svoris priklauso nuo gravitacijos lauko). Ant Mėnulio svoris bus mažesnis, bet masė lieka ta pati.
Modernioji fizika rodo, kad masė ir energija yra susijusios per nuožmų santykį E = mc²: masė gali būti traktuojama kaip energijos forma. Todėl masės kiekis gali keistis branduolinių reakcijų metu (maža masės trūkstama verčiama į didelį energijos kiekį), nors klasikinėse cheminėse reakcijose masės skirtumai praktiškai neaptinkami.
Ar visi dalykai yra „materija“?
Įprastai materija apibrėžiama kaip objektai turintys ramybės masę ir užimantys tūrį. Tačiau kai kurios elementariosios dalelės, pavyzdžiui, fotonai (šviesos kvantai), neturi ramybės masės — jos turi energiją ir momentą, bet tradiciškai nėra laikomos „materija“ tokiu pačiu prasme. Taip pat egzistuoja antimaterija — dalelės su priešingais krūviais, kuri elgiasi analogiškai materijai, bet susidūrę dalelė ir anti‑dalelė anihiliuoja išskirdamos energiją.
Kaip matuojama materija
- Masė: matuojama kilogramais (SI), gramais ir kt.; naudojami svėrimo prietaisai (masto, set of balances) arba inercijos metodai.
- Tūris ir tankis: tūris matuojamas litrais, kubiniais metrais; tankis apskaičiuojamas kaip masės ir tūrio santykis.
- Mikroskopiniai metodai: optiniai ir elektroniniai mikroskopai, spektrometrija leidžia tirti atomų ir molekulių struktūrą.
Pavyzdžiai ir praktinė reikšmė
Materija — tai visa, ką galime paliesti, sverti ar matuoti: oras, vanduo, metalai, gyvi organizmai. Fizikoje ir inžinerijoje materijos savybės yra kertinės medžiagų mokslui, chemijai, mechanikai ir daugeliui technologijų.
Santrauka
Materija — tai medžiaga, turinti masę ir užimanti erdvę; ji susideda iš atomų ir jų junginių, turi įvairias fizines savybes (masę, tankį, tūrį ir kt.) ir gali egzistuoti skirtingose fazėse. Masė ir materija glaudžiai susiję, bet nevisada identiški terminai: masė — tai kiekybinis dydis, o materija — medžiagos samprata. Modernioji fizika plėtoja šias sąvokas toliau, įtraukdama energijos, kvantinių dalelių ir masės–energijos ekvivalentiškumo aspektus.
Barioninė medžiaga
Beveik visa materija, su kuria susiduriame kasdieniame gyvenime, yra barioninė materija. Tai bet kokios rūšies atomai, kuriems suteikiama masės savybė. Nebarioninė medžiaga, kaip rodo pavadinimas, yra bet kokia medžiaga, kuri nėra sudaryta daugiausia iš barionų. Tai gali būti neutrinai ir laisvieji elektronai, tamsioji medžiaga, pavyzdžiui, supersimetrinės dalelės, aksionai ir juodosios skylės.
Pats barionų egzistavimas yra svarbus kosmologijos klausimas. Daroma prielaida, kad Didžiojo sprogimo metu susidarė būsena, kurioje barionų ir antibarionų kiekis buvo vienodas. Procesas, kurio metu barionų atsirado daugiau nei jų antidalelių, vadinamas bariogeneze.
Medžiagos savybės
Materiją galima tiesiogiai patirti pojūčiais. Ji turi savybių, kurias galima išmatuoti, pavyzdžiui, masę, tūrį, tankį, ir kokybinių savybių, pavyzdžiui, skonį, kvapą ir spalvą.
Materijos pavyzdžiai
Visi fiziniai visatos kūnai yra sudaryti iš materijos: galaktikos, žvaigždės ir planetos, uolienos, vanduo ir oras. Gyvi organizmai, tokie kaip augalai, gyvūnai ir žmonės, taip pat sudaryti iš materijos.
Fizikoje visatoje taip pat yra dalykų, kurie nėra materija, įskaitant kai kurias elementariąsias daleles, neturinčias ramybės masės. Žinomas pavyzdys - fotonai (elektromagnetinė spinduliuotė, pvz., šviesa).
Be ramybės masės, materija gali turėti ir kitų energijos formų, kurios nėra materija, bet leidžia jai sąveikauti tarpusavyje keičiantis kinetine energija, šiluma, šviesa, garso bangomis ir t. t.
Už fizinių mokslų ribų gali būti daug kitų dalykų, kurie nėra materija ar energija. Pavyzdžiui, galima patirti emocijas arba turėti idėjų.
Sudėtis
Medžiagos struktūra ir sudėtis tiriama skaidant medžiagą į vis mažesnius gabalėlius. Taigi gyvi organizmai yra sudaryti iš ląstelių. Ląstelės sudarytos iš molekulių, kurios yra tarpusavyje sujungtų atomų rinkiniai. Kiekvienas atomas savo ruožtu yra elementariųjų dalelių rinkinys.
Medžiagos būsenos
Fizikai taip pat skirsto materiją į kelias plačias kategorijas, vadinamas būsenomis, kurių savybės gana skirtingos:
- Kietieji kūnai yra materialūs objektai, sudaryti iš molekulių ir atomų, kurie yra taip stipriai tarpusavyje sujungti, kad net ir judėdami išlaiko savo formą, nors gali deformuotis veikiami streso. Pavyzdžiai: uola, stalas, peilis, ledo luitas.
- Skysčiai - tai medžiagos kiekiai, sudaryti iš silpnai tarpusavyje susijungusių molekulių ir atomų. Jie neturi tinkamos formos. Yra dviejų rūšių skysčiai:
- Skysčiai - tai kondensuotos medžiagos formos, panašios į kietąsias medžiagas, tačiau ryšiai tarp jas sudarančių elementų (molekulių, atomų) leidžia jiems judėti vieniems kitų atžvilgiu, tačiau kartu išlieka vientisi: jie išlaiko tam tikrą paviršių. Skysčiai įgauna recipientų, kuriuose jie yra, formą. Pavyzdžiai: vanduo, aliejus, kraujas, lava, gaivieji gėrimai.
- Dujos - tai toks medžiagos kiekis, kurio elementų (molekulių, atomų) ryšiai yra tokie silpni arba silpni, kad jie gali judėti nepriklausomai vienas nuo kito. Dujos neturi tinkamo paviršiaus, jos linkusios plėstis, kad užimtų visą turimą tūrį. Pavyzdžiai: oras, vandens garai, helis.
- Plazmą sudaro jonizuota medžiaga, ji dažniausiai domina mokslininkus. Pavyzdžiai: Žemės jonosfera, Saulės vainikas. Plazmos dalelės yra skysčio ir dujų mišinys. Dalelės gali laisvai judėti, kaip skystis, o trauka yra silpna, kaip dujų. Ši materijos būsena nėra iki galo suprasta. Plazmos pavyzdys yra žaibas.
- Bozės-Einšteino kondensatas (BEC) - tai praskiestų bozonų dujų, atšaldytų iki temperatūros, labai artimos absoliučiam nuliui (0 K arba -273,15 °C), materijos būsena.
Tam tikras medžiagos kiekis gali pereiti iš vienos būsenos į kitą priklausomai nuo temperatūros ir slėgio. Žemėje vanduo vienu metu gali būti trijų būsenų: kietas (ledas), skystas (ežerai, vandenynai) ir dujinis (garai arba garai).
Susiję puslapiai
- Antimaterija
- Atomų teorija
- Atomai
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra materija?
Atsakymas: Materija yra medžiaga, iš kurios sudaryta visa medžiaga. Ji reiškia objektus, turinčius masę ir ramybės masę, kuri yra energijos forma, nepriklausomai nuo to, ar ji juda, ar turi šiluminę energiją.
K: Kuo materija skiriasi nuo masės?
A: Kasdienėje kalboje materija dažnai vartojama įvairiai, o masė fizikoje yra tiksliai apibrėžta sąvoka ir dydis. Masė reiškia konkretų medžiagos kiekį konkrečiame objekte.
K: Kas yra ramybės masė?
A: Ramybės masė yra energijos forma, kurią materija turi net tada, kai ji nejuda arba neturi šiluminės energijos.
K: Iš ko sudaryta įprastinė materija?
A: Įprastinė materija sudaryta iš mažų dalelių, vadinamų atomais, kurie nuolat juda ir vibruoja.
K: Kaip paprastosios materijos dalelės elgiasi, kai yra kaitinamos?
Atsakymas: Kaitinamos paprastosios medžiagos dalelės juda greičiau ir tolsta viena nuo kitos.
K: O kaip jos elgiasi atvėsusios?
Atsakymas: Atvėsusios paprastosios medžiagos dalelės juda lėčiau ir arčiau viena kitos.
K: Kaip vadinami tarpai tarp paprastosios medžiagos atomų?
Atsakymas: Erdvės tarp paprastosios medžiagos atomų vadinamos tarpsluoksninėmis erdvėmis.
Ieškoti