Materie (fizică)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Atom de heliu

În fizica clasică , termenul materie indică generic orice obiect care are masă și ocupă spațiu ; sau, alternativ, substanța din care sunt compuse obiectele fizice, excluzând astfel energia , care se datorează contribuției câmpurilor de forță .

Această definiție, suficientă pentru fizica macroscopică, obiect de studiu al mecanicii și termodinamicii , nu se potrivește bine cu teoriile moderne din câmpul microscopic, tipice fizicii atomice și subatomice . De exemplu, spațiul ocupat de un obiect este în mare parte gol, având în vedere raportul mare (≈ ) între raza medie a orbitelor electronilor și dimensiunile tipice ale unui nucleu atomic ; în plus, legea conservării masei este puternic încălcată pe scări subatomice.

În aceste zone, putem adopta definiția că materia este alcătuită dintr-o anumită clasă de particule, care sunt cele mai mici și fundamentale entități detectabile fizic: aceste particule se numesc fermioni și urmează principiul excluziunii Pauli , care stabilește că nu mai mult poate exista un fermion în aceeași stare cuantică. Datorită acestui principiu, particulele care alcătuiesc materia nu sunt toate în starea de energie minimă și din acest motiv este posibil să se creeze structuri stabile de ansambluri de fermioni.

Particulele clasei complementare, numite bosoni , alcătuiesc câmpurile . Prin urmare, pot fi considerați agenți care operează ansamblurile fermionilor sau modificările, interacțiunile și schimburile de energie ale acestora. O metaforă nu complet corectă din punct de vedere fizic, dar eficientă și intuitivă, vede fermionii ca cărămizi care alcătuiesc materia universului, iar bosonii ca lipici sau cimenturi care îi țin împreună pentru a alcătui realitatea fizică.

Etimologie

În derivă termenul din MATERIA Materia echivalent latin, dar poate , de asemenea , fi urmărite direct înapoi la mater termenul latin, ceea ce înseamnă mama. Prin urmare, etimologia termenului sugerează modul în care materia poate fi considerată fundamentul constitutiv al tuturor corpurilor și al tuturor lucrurilor: prima substanță din care sunt formate toate celelalte substanțe. Termenul materie provine din jargonul filosofic.

Istorie

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Materia (filosofia) .
Aristotel a formulat una dintre primele teorii despre structura materiei.

În Evul Mediu și în antichitate s-a înrădăcinat credința aristotelică că materia era compusă din patru elemente: pământ, aer, apă și foc. Fiecare dintre acestea, având o „greutate” diferită, tinde spre locul său natural, lăsând pământul și apa în centrul universului, făcând aerul și focul să crească în sus. Mai mult, se credea că materia este un tot continuu, complet lipsit de vid (natura urăște goliciunea, horror vacui ). Astăzi, însă, s-a descoperit că materia este, dimpotrivă, compusă din peste 99% din vid.

O dispută majoră în filosofia greacă se referea la posibilitatea ca materia să poată fi împărțită la nesfârșit în părți din ce în ce mai mici. Contrar acestei ipoteze, atomiștii erau în schimb convinși că există o structură elementară care constituie materia care nu putea fi divizată în continuare.

Descriere

Orice lucru care are masă și ocupă spațiu stabil în timp este de obicei definit ca materie. În fizică nu există un consens unanim cu privire la definirea materiei, parțial pentru că noțiunea de „ocupare a spațiului” este inconsecventă în mecanica cuantică . Mulți fizicieni preferă să folosească în schimb conceptele de masă , energie și particule.

Materia este alcătuită din electroni și agregate de quark , care sunt stabile în timp. Toți acești fermioni au spin semi-impar (1/2) și, prin urmare, trebuie să urmeze principiul de excludere Pauli , care interzice ca doi fermioni să ocupe aceeași stare cuantică. Aceasta pare să corespundă proprietății elementare a impenetrabilității materiei și conceptului de ocupare a spațiului.

Protonii sunt compuși din 2 quarcuri în sus și 1 în jos (care se numesc valență deoarece determină aproape toate caracteristicile fizice - dar nu masa - protonului): p = (uud). Neutronii , pe de altă parte, sunt compuși din 2 quarcuri în jos și 1 în sus: n = (udd). Protonii și neutronii, numiți colectiv nucleoni , sunt, de asemenea, fermioni, deoarece au spin 1/2. Întrucât electronii, protonii și neutronii se agregă pentru a forma atomi și molecule, aceste trei tipuri de fermioni constituie ceea ce se înțelege de obicei ca materie, formată tocmai din atomi și molecule.

Cu toate acestea, doar 9% din masa unui proton provine din cele ale quarcilor de valență care îl constituie. Restul de 91% se datorează energiei cinetice a quarcurilor (32%), energiei cinetice a gluonilor (36%) și a energiei de interacțiune dintre quark și gluoni (23%). [1] [2] Definiția materiei obișnuite ca „formată” de electroni și nucleoni este, prin urmare, problematică, deoarece masa nucleonilor nu este atribuibilă sumei maselor quarkilor constituanți. Mai mult, neutronul liber nu este stabil, dar în afara unui nucleu atomic se descompune cu o durată medie de viață de aproximativ 887 secunde. Acest lucru face ca definiția neutronilor liberi, care sunt instabili, ca materie să fie problematică.

Cazul nucleilor radioactivi prezintă, de asemenea , o oarecare ambiguitate. Durata medie de viață a diferiților radionuclizi poate varia de la 10-12 secunde până la 10-9 ani. Nu este clar care este valoarea medie a vieții care trebuie considerată discriminatoare pentru definirea materiei. Pare paradoxal să nu considerăm materia un nucleu instabil, dar cu o viață medie comparabilă cu vârsta universului (13,8 miliarde de ani). Pe de altă parte, nu există niciun criteriu care să stabilească care este durata medie de viață minimă pentru a neglija instabilitatea unui nucleu radioactiv, considerându-l astfel materie.

Conform definiției date, bosonii ecartamentali nu sunt materie: fotoni și gluoni, deoarece sunt lipsiți de masă, bosonii W și Z, deoarece sunt instabili. În mod similar, bosonul Higgs în descompunere și gravitonul ipotetic, care ar trebui să aibă masă zero, nu sunt. Dintre leptoni , doar electronul este stabil și, prin urmare, constituie materie. În familia hadronilor , particulele din grupul mezonilor , formate din una sau două perechi de quark și antiquark , nu sunt materie. Sunt bosoni (au spin întreg 0 sau 1), nu respectă principiul excluderii Pauli și, prin urmare, nu se poate spune că ocupă spațiu în sensul menționat mai sus. Mai mult, nici un mezon nu este stabil. În mod similar, printre hadroni, toți acei barioni , formați din 3 sau 5 quarks, care sunt instabili sau se descompun extrem de rapid în componente stabile mai ușoare, nu sunt considerați materie.

Proprietate

Masa fizică

Conform viziunii clasice și intuitive a materiei, toate obiectele solide ocupă un spațiu care nu poate fi ocupat simultan de un alt obiect. Aceasta înseamnă că materia ocupă un spațiu care nu poate fi ocupat de o altă materie în același timp, adică materia este impenetrabilă (principiul impenetrabilității ).

Dacă luăm o bucată de cauciuc , o măsurăm cu o balanță și obținem, de exemplu, o masă de 3 grame , împărțind cauciucul în multe bucăți mici și cântărind aceste bucăți vom obține întotdeauna 3 grame. Cantitatea nu s-a modificat, în conformitate cu legea conservării masei . Conform acestei ipoteze, se poate spune deci că „ materia are o masă care nu se schimbă chiar dacă forma și volumul ei variază ”. Pe această bază, în trecut a fost construită definiția conform căreia „ materia este tot ceea ce ocupă un spațiu și are o masă ”.

Masa inerțială a unei anumite cantități de materie, de exemplu a unui obiect dat, pe care un echilibru o măsoară prin comparație cu o altă masă, rămâne neschimbată în fiecare colț al universului și, prin urmare, este considerată o proprietate intrinsecă a materiei. Unitatea cu care se măsoară masa inerțială este kilogramul .

În schimb, greutatea este o măsură a forței de greutate cu care Pământul atrage spre sine un corp având o masă gravitațională ; ca atare, greutatea unui corp dat se schimbă în funcție de locul în care îl măsurăm - în diferite puncte de pe Pământ, în spațiul cosmic sau pe altă planetă . Prin urmare, greutatea nu este o proprietate intrinsecă a materiei. La fel ca alte forțe statice, greutatea poate fi măsurată cu un dinamometru .

Masa inerțială și masa gravitațională sunt două concepte distincte în mecanica clasică , dar au fost întotdeauna găsite ca aceleași din punct de vedere experimental. Numai cu apariția relativității generale avem o teorie care le interpretează identitatea.

Densitatea suprafeței și densitatea materiei în lumea subatomică este mai mică decât universul macroscopic. În lumea atomilor, masele ocupă, în general, volume mai mari (densitate de volum mai mică) și sunt situate la distanțe mai mari (densitate de suprafață mai mică) decât cele care separă planete, stele, galaxii [3] . Vidul predomină printre componentele materiei.

Structura

Granitul nu are o compoziție generală uniformă.

Materia omogenă are compoziție și proprietăți uniforme . Poate fi un amestec, cum ar fi sticla , un compus chimic cum ar fi apa sau elementar, cum ar fi cuprul pur. Materia heterogenă , cum ar fi granitul , de exemplu, nu are o compoziție definită.

În determinarea proprietăților macroscopice ale materiei, cunoașterea structurilor la nivel microscopic (de exemplu configurația exactă a moleculelor și cristalelor ), cunoașterea interacțiunilor și forțelor care acționează la un nivel fundamental prin unirea elementelor constitutive fundamentale sunt de o importanță fundamentală (cum ar fi forțele londoneze și legăturile van der Waals ) și determinarea comportamentului macrostructurilor individuale atunci când acestea interacționează între ele (de exemplu, relațiile solvent-solut sau cele care există între diferitele microcristale din roci, cum ar fi granit).

Proprietățile fundamentale ale materiei

Fermioanele sunt particule de spin semi-întregi și constituie o posibilă definiție pentru toată materia din care suntem compuși. Fermiunile sunt împărțite în quarks și leptoni în funcție de participarea sau nu la forța nucleară puternică . Fermiunile interacționează între ele prin bosoni, particule care mediază forța.

Leptones

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Leptona .

Leptonii sunt fermioni care nu sunt afectați de forța nucleară puternică , ci interacționează numai prin forța gravitațională și forța electrolabă . În modelul standard , sunt prezise trei familii de leptoni care includ câte o particulă încărcată și una particulă neutră. Electronul , muonul și tau au o sarcină electrică negativă (pozitivă pentru antiparticulele respective), în timp ce neutrinii relativi au o sarcină electrică zero. Neutrinii sunt lipsiți de masă în modelul standard, deși extensiile acestui model și modelele cosmologice prezic că au o masă mică diferită de zero.

Proprietățile leptonelor
Nume simbol a învârti incarcare electrica
( și )
masa
( MeV / c 2 )
masă comparabilă cu antiparticule simbolul antiparticulelor
leptoni încărcați [4]
electron și - 12 −1 0,5110 1 electron Pozitron și +
muon μ− 12 −1 105,7 ~ 200 de electroni antimuone μ +
tauone τ− 12 −1 1.777 ~ 2 protoni antitauona τ +
neutrini [5]
neutrino de electroni νe 12 0 <0,000460 < 11000 electron antineutrino electronic
neutron de muon νμ 12 0 <0,19 < 12 electron muon antineutrino
tau neutrino ντ 12 0 <18,2 <40 electroni tau antineutrino

Quark

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Quark (particula) .

Quarcurile sunt particule de spin semi-întregi și, prin urmare, sunt fermioni. Au o sarcină electrică egală cu mai puțin de o treime din cea a electronului , pentru cele de tip descendent și egală cu două treimi pentru cele de tip sus . Cuarcii au, de asemenea, o încărcare de culoare , care este echivalentul sarcinii electrice pentru interacțiunile slabe . Cuarcurile sunt, de asemenea, particule masive și, prin urmare, sunt supuse forței gravitaționale.

Proprietăți Quark [6]
Nume Simbol A învârti Incarcare electrica
( și )
Masa
( MeV / c 2 )
Masă comparabilă cu Antiparticulă Simbol
a antiparticulei
Quark de tip Up
Sus tu 1/2 + 2/3 1,5-3,3 ~ 5 electroni Antiup
Farmec c 1/2 + 2/3 1160 - 1340 ~ 1 protoni Anticharm
Top t 1/2 + 2/3 169.100 la 173.300 ~ 180 de protoni o
~ 1 atom de tungsten
Antitop
Cuarț tip Down
Jos d 1/2 - 1/3 3,5-6,0 ~ 10 electroni Antidown
Ciudat s 1/2 - 1/3 70 la 130 ~ 200 de electroni Antistrange
Partea de jos b 1/2 - 1/3 4130 - 4370 ~ 5 protoni Antibottom

Faze ale materiei

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Starea problemei .
Un vas metalic solid care conține azot lichid , care se evaporă încet în azot gazos. Evaporarea este tranziția de fază de la lichid la starea gazoasă.

Ca răspuns la diferite condiții termodinamice, cum ar fi temperatura și presiunea , materia apare în diferite " faze ", dintre care cele mai familiare (deoarece se experimentează zilnic) sunt: solide , lichide și aeriforme . Alte faze includ plasma , superfluidul și condensatul Bose-Einstein . Procesul prin care materia trece de la o fază la alta se numește tranziție de fază , fenomen studiat în principal de termodinamică și mecanica statistică .

Fazele sunt uneori numite stări ale materiei, dar acest termen poate fi confuz cu stările termodinamice. De exemplu, două gaze menținute la presiuni diferite au stări termodinamice diferite, dar aceeași „stare” a materiei.

Solid

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Solid .

Solidele se caracterizează printr-o tendință de a-și păstra integritatea structurală și forma, spre deosebire de ceea ce se întâmplă pentru lichide și gaze. Multe solide, cum ar fi rocile, se caracterizează printr-o rigiditate puternică și, dacă solicitările externe sunt foarte mari, tind să se crape și să se rupă. Alte solide, precum cauciucul și hârtia, se caracterizează printr-o flexibilitate mai mare. Solidele sunt de obicei compuse din structuri cristaline sau lanțuri lungi de molecule (de exemplu, polimeri ).

Lichide

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Lichide .

Într-un lichid, moleculele, deși sunt apropiate unele de altele, sunt libere să se miște, dar spre deosebire de gaze, există forțe mai slabe decât cele ale solidelor care creează legături de scurtă durată (de exemplu, legătura de hidrogen ). Prin urmare, lichidele au coeziune și vâscozitate , dar nu sunt rigide și tind să ia forma recipientului care le conține.

Aeriform

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Gaz .

Un aeriform este o substanță compusă din molecule mici separate de spații mari și cu o interacțiune reciprocă foarte slabă. Prin urmare, gazoșii nu oferă nicio rezistență la schimbarea formei, în afară de inerția moleculelor din care este compus.

Forme de materie

Materie chimică

Materia chimică este partea universului formată din atomi chimici. Această parte a universului nu include materia întunecată și energia întunecată, găurile negre, stelele de neutroni și diverse forme de materie degenerată, găsite de exemplu în corpurile cerești, cum ar fi pitica albă . Date recente de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), sugerează că doar 4% din masa totală a întregului univers vizibilă pentru telescoapele noastre este alcătuită din materie chimică. Aproximativ 22% este materie întunecată, restul de 74% este energie întunecată.

Materia pe care o observăm este, în general, sub formă de compuși chimici , polimeri , aliaje sau elemente pure.

Antimateria

Fotografie a primului pozitron într-o cameră de nor

În particulele fizice și chimia cuantică , antimateria este compusă din respectivele antiparticule care alcătuiesc materia normală. Dacă o particulă și antiparticula ei se întâlnesc, cele două se anihilează; adică se transformă în alte particule sau mai des în radiații electromagnetice de energie egală în conformitate cu ecuația lui Einstein .

Antimateria nu se găsește în mod natural pe Pământ, cu excepția cantităților mici și de scurtă durată (ca urmare a dezintegrărilor radioactive sau a razelor cosmice). Acest lucru se datorează faptului că antimateria creată în afara limitelor laboratoarelor fizice întâlnește imediat materia obișnuită cu care să se anihileze. Antiparticulele și alte forme de antimaterie stabilă (cum ar fi antihidrogenul) pot fi create în cantități mici, dar nu suficient pentru a face altceva decât testarea proprietăților teoretice în acceleratoarele de particule .

Există speculații considerabile în știință și filme cu privire la motivul pentru care întregul univers este aparent compus din materie obișnuită, deși este posibil ca alte locuri să fie compuse în întregime din antimaterie. Explicațiile probabile ale acestor fapte pot veni prin luarea în considerare a asimetriilor în comportamentul materiei în ceea ce privește antimateria.

Materie întunecată

Harta 3D a materiei întunecate.jpg

În cosmologie, efectele la scară largă par să indice prezența unei cantități incredibile de materie întunecată care nu este asociată cu radiația electromagnetică. Teoria Big Bang cere ca această materie să aibă energie și masă, dar nu este compusă nici din fermioni elementari, nici din bosoni . În schimb, este compus din particule care nu au fost niciodată observate în laborator (poate particule supersimetrice).

Materie exotică

Materia exotică este un concept ipotetic al particulelor fizice. Se referă la orice problemă care încalcă una sau mai multe dintre condițiile clasice și nu este alcătuită din particule de barion cunoscute.

Notă

  1. ^ Y B. Yang și colab., Descompunerea masei de protoni din tensorul QCD de impuls de energie , în Physical Review Letters , vol. 121, 2018, p. 212001, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.121.212001 .
  2. ^ De unde provine masa protonului , la https://www.sciencenews.org . Adus la 1 decembrie 2018 .
  3. ^ https://web.archive.org/web/20170104132658/http://www.cielidelsud.it/argo/univmano.htm
  4. ^ C. Amsler și colab. ( Particle Data Group ), Review of Particle Physics: Leptons ( PDF ), în Physics Letters B , vol. 667, 2008, p. 1, Bibcode : 2008PhLB..667 .... 1P , DOI : 10.1016 / j.physletb.2008.07.018 .
  5. ^ C. Amsler și colab . ( Particle Data Group ), Review of Particle Physics: Neutrinos Properties ( PDF ), în Physics Letters B , vol. 667, 2008, p. 1, Bibcode : 2008PhLB..667 .... 1P , DOI : 10.1016 / j.physletb.2008.07.018 .
  6. ^ C. Amsler și colab. (Particle Data Group), PL B667 , 1 (2008) (URL: http://pdg.lbl.gov/2008/tables/rpp2008-sum-quarks.pdf )

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 4214 · LCCN (EN) sh85082246 · GND (DE) 4037940-1 · NDL (EN, JA) 00.561.096