Kas ir matērija? Definīcija, masa un īpašības fizikā

Matērija ir viela, no kuras sastāv viss materiāls. Tas parasti nozīmē objektus, kuriem ir masa. Precīzāk, par matēriju bieži saprot daļiņas vai sistēmas, kasīrai piemīt miera masa — tas ir enerģijas veids, kas pastāv arī tad, ja sistēma nekustas un tai nav (vai ir ļoti maz) kinētiskās enerģijas vai termiskās enerģijas. Ikdienā vārdu matērija lieto vispārīgāk, bet fizikā masa ir precīzi definēts jēdziens, un, lai gan tie ir saistīti, matērija un masa nav vienādas lietas.

Matērijas uzbūve

Parastā matērija sastāv no sīkām daļiņām, ko sauc par atomiem. Atomi savukārt veidojas no elektronām, protoniem un neitroniem; protoni un neitroni sastāv no kvarkiem. Starp atomiem parasti ir atstarpes, un tie visu laiku kustas jeb vibrē. Šī kustība palielinās, kad viela sakarst, un samazinās, kad tā atdziest. Atomi var savienoties, veidojot molekulas, jonus un citu kompleksu struktūru, kas nosaka vielas ķīmiskās īpašības.

Masa, blīvums un citas fizikālās īpašības

Masa mēra, cik daudz "vielas" vai "materiāla" satur ķermenis, un tā ir saistīta ar spēju pretoties paātrinājumam (inerce). Masa ir intensīvi saistīta ar enerģiju — slavenā relātivitātes formula E = mc² rāda, ka masa un enerģija ir savstarpēji aizvietojamas, tādēļ mikroskopiskos procesos masa var pārvērsties enerģijā (piem., kodolreakcijās).

Citi svarīgi materiālās pasaules fizikālie lielumi:

Tilpums — telpa, ko viela aizņem.
Blīvums — masa uz tilpuma vienību (piemēram, kg/m³), kas raksturo, cik kompakta vai izkliedēta ir matērija.
Elektriskais lādiņš — daļiņu īpašība, kas nosaka elektromagnētiskās mijiedarbības.
Temperatūra un spiediens — ietekmē daļiņu kustību un vielas fāzes.
Ķīmiskās īpašības — kā viela reaģē ar citām vielām, kas nosaka tās uzbūvi un saites.

Fāzes un stāvokļi

Matērija var pastāvēt dažādos stāvokļos: cietā, šķidrā, gāzveida un plazmas stāvoklī. Ir arī īpašas kvantu stāvokļu formas, piemēram, Bose–Einšteina kondensāts, kas rodas ļoti zemās temperatūrās. Pāreja starp fāzēm notiek, mainoties temperatūrai un spiedienam — piemēram, sildot cietu vielu, tās daļiņas vibrē straujāk un var pāriet šķidrā vai gāzveida stāvoklī.

Matērijas un fundamentālas mijiedarbības

Fizikā matērija mijiedarbojas ar sešām galvenajām procesam un laukiem: gravitācija, elektromagnētiskā mijiedarbība, un stiprās un vājās kodolspējas nosaka, kā daļiņas savienojas un kādas strukturālās īpašības vielai rodas. Dažas daļiņas, piemēram, fotoni, ir enerģijas kvanti ar nulles miera masu, tāpēc tās nerada parasto matēriju, bet pilda svarīgas lomas starpnieciskajās mijiedarbībās (piem., gaismas un elektromagnētiskā lauka nesēji).

Īpaši gadījumi un papildu jēdzieni

Antimatērija — katrai parastajai daļiņai ir savu pretējs ekvivalents (antidaļiņa) ar pretēju elektrisko lādiņu. Saskarsmes gadījumā daļiņa un antidaļiņa var anihilēties, pārvēršot masu enerģijā.

Tumšā matērija — kosmoloģijā novērojumi rāda, ka Visumā pastāv viela, kas ietekmē galaktiku kustību, bet kas nespēj mijiedarboties ar gaismu tā, kā parastā matērija. To sauc par tumšo matēriju; tās daba vēl nav pilnībā noskaidrota.

Praktiska nozīme un mērījumi

Matērijas īpašības var mērīt ar dažādām metodēm (masas mēri, densitometrija, spektroskopija u.c.), un tās ir pamats materiālzinātnēm, ķīmijai, inženierzinātnei un ikdienas tehnoloģijām. Fizikā svarīgi atcerēties, ka, lai gan vārdi matērija un masa tiek lietoti tuvi, masa ir kvantitatīvs lielums ar skaidru definīciju, kamēr matērija ir plašāks jēdziens, kas aptver gan daļiņu sastāvu, gan to mijiedarbības un īpašības.

Barioniskā matērija

Gandrīz visa ikdienā sastopamā matērija ir barioniskā matērija. Tas ietver jebkāda veida atomus, un tiem piemīt masas īpašība. Nebarjonu matērija, kā jau izriet no nosaukuma, ir jebkura veida matērija, kas nav veidota galvenokārt no barjoniem. Tā var būt neitrīno un brīvie elektroni, tumšā matērija, piemēram, supersimetriskās daļiņas, aksioni un melnie caurumi.

Pati barionu eksistence ir nozīmīgs jautājums kosmoloģijā. Tiek pieņemts, ka Lielais sprādziens radīja stāvokli ar vienādu barjonu un antibarjonu daudzumu. Procesu, kurā barjonu skaits pārsniedz to antidaļiņu skaitu, sauc par barioģenēzi.

Materiālu īpašības

Matēriju var tieši izjust ar maņām. Tai piemīt īpašības, kuras var izmērīt, piemēram, masa, tilpums, blīvums, un kvalitatīvas īpašības, piemēram, garša, smarža un krāsa.

Materiālu piemēri

Visi fiziskie ķermeņi Visumā ir veidoti no matērijas: galaktikas, zvaigznes un planētas, ieži, ūdens un gaiss. Arī dzīvi organismi, piemēram, augi, dzīvnieki un cilvēki, sastāv no matērijas.

Fizikā Visumā ir arī lietas, kas nav matērija, tostarp dažas elementārdaļiņas, kurām nav miera masas. Pazīstams piemērs ir fotoni (elektromagnētiskais starojums, piemēram, gaisma).

Papildus miera masai matērija var saturēt arī citus enerģijas veidus, kas nav matērija, bet ļauj tai savstarpēji mijiedarboties, apmainoties ar kinētisko enerģiju, siltumu, gaismu, skaņas viļņiem utt.

Ārpus fizikas zinātņu jomas var būt daudzas citas lietas, kas nav ne matērija, ne enerģija. Piemēram, var būt emocijas vai idejas.

Sastāvs

Materiāla struktūru un sastāvu pēta, sadalot to arvien mazākos gabaliņos. Tādējādi dzīvi organismi sastāv no šūnām. Šūnas sastāv no molekulām, kas ir atomu kopumi, kuri ir saistīti kopā. Savukārt katrs atoms ir elementārdaļiņu kopums.

Vielas stāvokļi

Fiziķi arī iedala matēriju dažās plašās kategorijās, ko sauc par stāvokļiem, ar diezgan atšķirīgām īpašībām:

Cietie ķermeņi ir materiāli objekti, kas sastāv no molekulām un atomiem, kuri ir tik cieši saistīti savā starpā, ka tie saglabā savu formu pat tad, ja tos pārvieto, lai gan tie var deformēties, ja rodas spriegums. Piemēri: akmens, galds, nazis, ledus gabals.
Šķidrumi ir vielas daudzums, kas sastāv no vāji saistītām molekulām un atomiem. Tiem nav pareizas formas. Ir divu veidu šķidrumi:

Šķidrumi ir kondensētas vielas formas, līdzīgi cietām vielām, taču saites starp to sastāvā esošajiem elementiem (molekulām, atomiem) ļauj tiem kustēties vienam attiecībā pret otru, vienlaikus saglabājot viengabalainību: tie saglabā noteiktu virsmu. Šķidrumi pieņem to recipientu formu, kuros tie atrodas. Piemēri: ūdens, eļļa, asinis, lava, bezalkoholiskie dzērieni.
Gāzes ir vielas daudzumi, kuros saites starp to sastāvā esošajiem elementiem (molekulām, atomiem) ir tik vaļīgas vai vājas, ka tie var kustēties neatkarīgi viens no otra. Gāzēm nav atbilstošas virsmas, tām ir tendence paplašināties, lai aizņemtu visu pieejamo tilpumu. Piemēri: gaiss, ūdens tvaiki, hēlijs.

Plazmu veido jonizēta matērija, tā galvenokārt interesē zinātniekus. Piemēri: Zemes jonosfēra, Saules vainags. Plazmas daļiņas ir maisījums starp šķidrumu un gāzi. Daļiņas var brīvi kustēties kā šķidrumā, un to pievilkšanās ir vāja kā gāzē. Šis vielas stāvoklis nav pilnībā izprasts. Plazmas piemērs ir zibens.
Bozes-Einšteina kondensāts (BEC) ir vielas stāvoklis, kurā ir atšķaidīta bozonu gāze, kas atdzesēta līdz temperatūrai ļoti tuvu absolūtajam nullim (0 K jeb -273,15 °C).

Konkrēts vielas daudzums var pāriet no viena stāvokļa citā atkarībā no temperatūras un spiediena. Uz Zemes ūdens var pastāvēt vienlaikus trīs stāvokļos: cietā (ledus), šķidrā (ezeri, okeāni) un gāzveida (tvaiks vai tvaiks).

Saistītās lapas

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir matērija?

A: Matērija ir viela, no kuras sastāv visi materiāli. Tā attiecas uz objektiem, kuriem ir masa un miera masa, kas ir enerģijas forma neatkarīgi no tā, vai tā ir kustīga vai tai ir siltumenerģija.

J: Ar ko matērija atšķiras no masas?

A: Ikdienas valodā vielu bieži lieto dažādi, bet fizikā masa ir precīzi definēts jēdziens un lielums. Masa attiecas tieši uz vielas daudzumu konkrētā objektā.

J: Kas ir miera masa?

A: Miera masa ir enerģijas veids, kas piemīt matērijai pat tad, ja tā nekustas vai tai nav siltumenerģijas.

J: No kā sastāv parastā matērija?

A: Parastā matērija sastāv no sīkām daļiņām, ko sauc par atomiem, kuri nepārtraukti kustas un vibrē.

J: Kā uzvedas parastās matērijas daļiņas, kad tās sakarst?

A: Uzkarsētas parastās vielas daļiņas kustas ātrāk un attālinās viena no otras.

J: Un kā tās uzvedas, kad atdziest?

A: Atdzesētas parastās matērijas daļiņas kustas lēnāk un tuvāk viena otrai.

J: Kā sauc tukšumus starp parastās vielas atomiem?

A.: Parastās vielas telpas starp atomiem sauc par starptelpām.