Materija (snov) — definicija, masa, lastnosti in atomska zgradba

Materija je snov, iz katere so narejene vse snovi. To pomeni predmete, ki imajo maso. Natančneje, imeti morajo mirujočo maso, ki je oblika energije, ki jo ima snov, tudi če se ne giblje (nima kinetične energije), je zelo hladna (nima toplotne energije) itd. Materija je beseda, ki se v vsakdanjem življenju včasih uporablja na različne načine, medtem ko je masa dobro opredeljen pojem in količina vsaj v fiziki. Ne gre za isto stvar, čeprav sta povezani.

Navadna snov je sestavljena iz majhnih delcev, imenovanih atomi. Atomi imajo med seboj prostore in se ves čas gibljejo ali vibrirajo. Pri segrevanju se delci gibljejo hitreje in se oddaljujejo drug od drugega, pri ohlajanju pa obratno.

Kaj je masa in kako se razlikuje od teže

Masa je količina snovi oziroma merilo za količino snovi in je tudi merilo za inercijo (odpornost telesa proti spremembi gibanja). Enota SI za maso je kilogram (kg). Teža pa je sila, s katero gravitacija deluje na maso; njena enota je newton (N). Na Zemlji sta masa in teža sorodni, a istega predmeta bi imel enako maso tudi na Luni, medtem ko bi bila njegova teža manjša zaradi manjše gravitacije.

Lastnosti materije

Lastnosti snovi delimo na fizične in kemične:

Fizične lastnosti: gostota, masa, volumen, tališče, vrelišče, električna prevodnost, trdota, barva, prosojnost, termalna prevodnost.
Kemične lastnosti: reaktivnost z drugimi snovmi, oksidacija, sposobnost tvorbe vezi, kislinsko-bazična vedenja, strukturne spremembe med kemijskimi reakcijami.

Veliko makroskopskih lastnosti izhaja iz lastnosti delcev in njihovih medsebojnih vezi. Na primer, gostota je masa na enoto volumna, odvisna od mase delcev in njihovega medsebojnog razporeda.

Stanja snovi in prehodi med njimi

Materija se običajno pojavi v več osnovnih stanjih: trdno, tekoče in plinasto. Poleg teh obstaja še plazma (ioniziran plin) in različna eksotična stanja pri nizkih temperaturah (npr. Bose–Einsteinov kondenzat). Prehodi med stanji (taljenje, izhlapevanje, kondenzacija, krčevanje) so odvisni predvsem od temperature in tlaka.

Atomska zgradba in delci

Atomi so osnovne enote kemijskih elementov. Sestavljeni so iz:

jedra, ki vsebuje protonske in nevtronske delce (skupaj imenujemo nukleoni),
elektronske oblačnosti, kjer se nahajajo elektroni razporejeni v energetskih lupinah ali orbitah.

Število protonov v jedru določa, za kateri element gre; število nevtronov pa lahko variira in tvori izotope istega elementa. Elektroni v zunanji lupini (valenčni elektroni) odločajo o kemični reaktivnosti in možnosti tvorbe vezi.

Vezi in molekule

Atomi se med seboj povezujejo in tvorijo molekule ali kristalne strukture z različnimi vrstami vezi:

ionske vezi (prenosi elektronov med atomi),
kovalentne vezi (delitev elektronov),
kovinske vezi (delokalizirani elektroni v kovinah),
šibkejše vdW (Van der Waals) in vodikove vezi (pomembne v bioloških molekulah).

Molekule, kemične spojine in zmesi

Molekule so aggregati atomov, povezani znotraj posamezne enote (npr. H2O). Kemične spojine imajo stalno razmerje atomov in definirane kemijske lastnosti. Zmesi (homogene in heterogene) pa vsebujejo vsaj dve snovi, ki sta fizično pomešani, ne nujno kemijsko vezani (npr. sol v vodi, zrak).

Merjenje mase in enote

Maso merimo z utežmi ali tehtnicami (rezervne metode vključujejo inertialne meritve). Enote: kilogram (kg), gram (g), daljše pa atomic mass unit (amu) ali dalton za atomske in molekularne mase. V atomskem merilu je pogosto uporabljena relacija proti izotopu ogljika-12.

Konservacija mase in energetske povezave

V klasični kemiji velja zakon o ohranitvi mase: v zaprtem sistemu se skupna masa med kemičnimi reakcijami ne spremeni. V relativističnem okviru pa velja ekvivalenca mase in energije po Einsteinovi enačbi E = mc^2, kar pomeni, da se lahko masa in energija pretvorita ena v drugo (pomembno pri jedrskih reakcijah).

Dodatne opombe

Antimaterija: obstaja kot zrcalna oblika materije; ob združitvi materije in antimaterije se sprosti velika količina energije.
Kvantni opis: znotraj atomov in molekul je najbolj natančen opis kvantnomehanski — energijske ravni, verjetnostna porazdelitev elektronov in kvantni učinki določajo lastnosti na zelo majhnih razdaljah.

Ta razlaga zajema osnovne pojme o materiji, njeni masi, lastnostih in atomski zgradbi ter ponudi okvir za razumevanje, kako mikroskopske lastnosti delcev vodijo do opaznih makroskopskih lastnosti snovi.

Barionska snov

Skoraj vsa snov, s katero se srečujemo v vsakdanjem življenju, je barionska snov. To vključuje vse vrste atomov in jim daje lastnost mase. Nebarionska snov, kot je razvidno iz imena, je vsaka vrsta snovi, ki ni sestavljena pretežno iz barionov. To so lahko nevtrini in prosti elektroni, temna snov, kot so supersimetrični delci, aksioni in črne luknje.

Sam obstoj barionov je pomembno vprašanje v kozmologiji. Predpostavlja se, da je veliki pok povzročil stanje z enako količino barionov in antibarionov. Proces, v katerem je število barionov preseglo število njihovih antidelcev, se imenuje bariogeneza.

Lastnosti snovi

Materijo lahko neposredno doživljamo s čutili. Ima lastnosti, ki jih lahko izmerimo, kot so masa, prostornina, gostota, in kakovostne lastnosti, kot so okus, vonj in barva.

Primeri snovi

Vsa fizična telesa v vesolju so sestavljena iz snovi: galaksije, zvezde in planeti, kamnine, voda in zrak. Tudi živi organizmi, kot so rastline, živali in ljudje, so sestavljeni iz snovi.

V fiziki vesolje vsebuje tudi stvari, ki niso snov, vključno z nekaterimi elementarnimi delci, ki nimajo mirujoče mase. Znani primer so fotoni (elektromagnetno sevanje, kot je svetloba).

Poleg mirujoče mase lahko snov vsebuje tudi druge oblike energije, ki niso snov, vendar omogočajo medsebojno interakcijo z izmenjavo kinetične energije, toplote, svetlobe, zvočnih valov itd.

Zunaj fizikalnih znanosti je lahko še veliko drugih stvari, ki niso snov ali energija. Na primer, lahko doživljamo čustva ali imamo ideje.

Sestava

Strukturo in sestavo snovi raziskujemo tako, da jo razbijemo na vedno manjše koščke. Zato so živi organizmi sestavljeni iz celic. Celice so sestavljene iz molekul, ki so sklopi med seboj povezanih atomov. Vsak atom pa je skupek elementarnih delcev.

Stanje snovi

Fiziki snov razvrščajo tudi v nekaj širših kategorij, imenovanih stanja, s precej različnimi lastnostmi:

Trdne snovi so snovni predmeti, sestavljeni iz molekul in atomov, ki so med seboj tako močno povezani, da ohranijo svojo obliko tudi pri premikanju, čeprav se lahko pri obremenitvah deformirajo. Primeri: skala, miza, nož, blok ledu.
Tekočine so količine snovi, sestavljene iz molekul in atomov, ki so med seboj šibko povezani. Nimajo pravilne oblike. Poznamo dve vrsti tekočin:

Tekočine so kondenzirane oblike snovi, kot so trdne snovi, vendar jim vezi med sestavnimi elementi (molekulami, atomi) omogočajo, da se gibljejo drug glede drugega, medtem ko se v celoti še vedno držijo skupaj: ohranjajo določeno površino. Tekočine prevzamejo obliko recipientov, v katerih so. Primeri: voda, olje, kri, lava, brezalkoholne pijače.
Plini so količine snovi, pri katerih so vezi med elementi (molekulami, atomi) tako ohlapne ali šibke, da se lahko gibljejo neodvisno drug od drugega. Plini ne kažejo ustrezne površine, temveč se nagibajo k širjenju, da bi zasedli celotno razpoložljivo prostornino. Primeri: zrak, vodna para, helij.

Plazma je sestavljena iz ionizirane snovi in je zanimiva predvsem za znanstvenike. Primeri: Zemljina ionosfera, Sončeva korona. Delci v plazmi so mešanica med tekočino in plinom. Delci se lahko prosto gibljejo kot tekočina, privlačnost pa je šibka kot pri plinu. Tega stanja snovi ne razumemo v celoti. Primer plazme je strela.
Bose-Einsteinov kondenzat (BEC) je snovno stanje razredčenega plina bozonov, ohlajenega na temperaturo zelo blizu absolutne ničle (0 K ali -273,15 °C).

Določena količina snovi lahko preide iz enega stanja v drugo glede na temperaturo in tlak. Na Zemlji lahko voda obstaja hkrati v treh stanjih: trdnem (led), tekočem (jezera, oceani) in plinastem (para).

Sorodne strani

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je snov?

O: Materija je snov, iz katere so narejene vse snovi. Nanaša se na predmete, ki imajo maso in mirujočo maso, ki je oblika energije, ne glede na to, ali se premika ali ima toplotno energijo.

V: Kako se snov razlikuje od mase?

O: Materija se v vsakdanjem jeziku pogosto uporablja različno, medtem ko je masa v fiziki natančno opredeljen pojem in količina. Masa se nanaša predvsem na količino snovi v določenem predmetu.

V: Kaj je masa v mirovanju?

O: Masa v mirovanju je oblika energije, ki jo ima snov, čeprav se ne giblje ali nima toplotne energije.

V: Iz česa je sestavljena običajna snov?

O: Običajna snov je sestavljena iz majhnih delcev, imenovanih atomi, ki se nenehno gibljejo in vibrirajo.

V: Kako se obnašajo delci navadne snovi, ko se segrejejo?

O: Pri segrevanju se delci navadne snovi gibljejo hitreje in se oddaljujejo drug od drugega.

V: In kako se obnašajo, ko se ohladijo?

O: Ko se ohladijo, se delci navadne snovi gibljejo počasneje in bližje drug drugemu.

V: Kako se imenujejo prostori med atomi v navadni snovi?

O: Prostori med atomi v navadni snovi se imenujejo intersticijski prostori.