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.