Materia (fizyka)

Z Wikipedii

Ten artykuł dotyczy materii z punktu widzenia fizyki. Zobacz też: definicje wypracowane przez filozofów.

Skały jako przykład materii

Materia w potocznym rozumieniu oznacza ogół obiektywnie istniejących przedmiotów fizycznych^[1]. Dziś taka definicja może być uważana jedynie za makroskopowe przybliżenie o wiele bogatszej rzeczywistości, opisywanej przez mechanikę kwantową. W fizyce nie istnieje konsensus dotyczący precyzyjnej definicji materii i istnieje kilka, nierównoważnych i akceptowalnych jej definicji. W sytuacjach, które wymagają naukowej precyzji fizycy zazwyczaj starają się unikać posługiwania się pojęciem materii i w zależności od kontekstu używają pokrewnych, lecz dokładniej zdefiniowanych pojęć takich jak masa, energia czy cząstka elementarna.

[edytuj] Definicje materii

Obraz dyfrakcji elektronu, dowodzący, że materia posiada również naturę falową

W klasycznej fizyce XIX wieku zakładano, że dwie cząstki materialne nie mogą się znajdować w tym samym miejscu (nieprzenikalność materii), a jej podstawową właściwością jest niezmienna masa, wytwarzająca przyciąganie grawitacyjne.

Wraz z nadejściem mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności okazało się, że:

• Materia ma zarówno cechy cząstek jak i fal (tzw. fale de Broglie'a). Z drugiej strony np. światło, tradycyjnie uważane za falę, należy opisywać także jako strumień cząstek (dualizm korpuskularno-falowy).
• Cząstki elementarne dzielą się na dwie duże rodziny (fermiony o spinie ułamkowym i bozony o spinie całkowitym)^[2]. Dwa fermiony w tym samym stanie kwantowym rzeczywiście nie mogą znaleźć się w tym samym miejscu (zakaz Pauliego)^[3]. Bozony jednak nie mają takich ograniczeń, w dodatku im więcej bozonów znajduje się w danym stanie kwantowym, tym większe jest prawdopodobieństwo, że kolejny również się tam znajdzie^[4]. Co więcej, układy fermionów mogą zachowywać się jak bozony (np. jądra helu ⁴He albo pary Coopera)^[5].
• Okazało się, że nawet w próżni w każdej chwili tworzą się i unicestwiają cząstki wirtualne, co ma obserwowalne skutki (efekt Casimira)^[6].
• Grawitacja jest związana z energią oraz pędem (ściślej: ze składowymi tzw. tensora napięć-energii)^[7]. Z masą jest jedynie związany szczególny przypadek energii, zgodnie ze słynnym równaniem E = mc².

W literaturze funkcjonują co najmniej dwie różne definicje materii, które starają się zachować dwie (jak się okazało nierównoważne) cechy definiujące materię w fizyce klasycznej:

• Bazujące na nieprzenikalności materii – materia to wszystko, co jest zbudowane z elementarnych fermionów^[8]
• Bazujące na zdolności do wytwarzania grawitacji – wszystkie obiekty wytwarzające grawitację i jej podlegające^[9]

Definicje te różnią się w szczegółach, np. według drugiej światło jest rodzajem materii, według pierwszej nie.

[edytuj] Organizacja materii

[edytuj] Oddziaływania podstawowe

Zobacz więcej w osobnym artykule: Oddziaływania podstawowe.

W wyniku oddziaływań materia organizuje się w najprzeróżniejsze struktury. Wszystkie oddziaływania obserwowane w przyrodzie są wynikiem czterech^[10] tzw. oddziaływań podstawowych:

• oddziaływanie silne, wiążące składniki jądra atomowego
• oddziaływanie słabe, odpowiedzialne za pewne rozpady promieniotwórcze
• oddziaływanie elektromagnetyczne, m.in. wiążące atomy oraz cząsteczki chemiczne
• grawitację.

Oddziaływania silne i elektromagnetyczne sprawiają w szczególności, że materia organizuje się w atomy i cząsteczki. Dzięki grawitacji powstają struktury w skali astronomicznej, takie jak planety, czy galaktyki.

Struktura protonu

[edytuj] Skala jądra atomowego

Fermiony dzielą się na kwarki i leptony. Dwa kwarki górne i jeden kwark dolny są za pomocą oddziaływania silnego wiązane w strukturę, która kiedyś uważana była za niepodzielną cząstkę – proton. Dwa kwarki dolne i jeden kwark górny tworzą z kolei neutron. Oddziaływanie silne można też rozumieć jako ciągłą wymianę cząstek zwanych gluonami. Kwark górny ma ładunek elektryczny +2/3e, a kwark dolny -1/3e. Sprawia to, że neutron ma zerowy ładunek, a proton równy +1e.

Protony i neutrony (zbiorczo nazywane nukleonami) są wiązane za pomocą oddziaływań silnych w jądra atomowe. Protony posiadające dodatni ładunek odpychają się, jednak jądro utrzymywane jest w całości przez oddziaływania silne. Działają one tylko dla niewielkich odległości, dlatego jądra zbyt duże i ciężkie stają się nietrwałe, co prowadzi do samorzutnego rozpadu najcięższych pierwiastków.

Schematyczna budowa atomu helu

[edytuj] Skala atomowa

Spośród fermionów często w przyrodzie występują także należące do leptonów elektrony, obdarzone ładunkiem elektrycznym -1e. Elektrony często znajdują się w otoczeniu jąder (ale w odległości znacznie większej od promienia jądra), przyciągane przez odwrotnie naładowane protony.

Cząstek elementarnych nie należy wyobrażać sobie jako kulki, czy punkty. W szczególności ich falowa natura sprawia, że ulegają dyfrakcji, a ich położenie nie jest ściśle określone. Niekiedy za Feynmanem w popularnych opracowaniach mówi się o chmurze elektronowej, zamiast o elektronie w atomie, dla podkreślenia, że elektron powinien być traktowany raczej jako obiekt rozmyty, zgodnie z jego falową naturą.

Jądra atomowe wraz z elektronami nazywane są atomami. Nazwa ta pochodzi z greckiego ἄτομος – niepodzielny, gdyż kiedyś myślano, że są najmniejszymi składnikami materii. Atomy o tej samej liczbie protonów w jądrze zaliczane są do tego samego pierwiastka chemicznego. Atomy jednego pierwiastka mogą różnić się liczbą neutronów w jądrze – są to tzw. izotopy.

Tym samym spośród 24 znanych fermionów (6 kwarków, 6 leptonów i 12 ich antycząstek) w budowie typowej materii biorą udział tylko 3: kwark dolny, górny i elektron.

Kształty orbitali – miejsca w których najbardziej prawdopodobne jest znalezienie elektronu

Matematycznie stan cząstki^[11] jest opisywany tzw. funkcją falową, z której^[12] wynika m.in. prawdopodobieństwo znalezienia tej cząstki w zadanym obszarze. Prawa fizyki kwantowej określają w szczególności możliwe stany, jakie może przyjąć elektron w atomie. Te dozwolone stany są opisywane przez funkcje falowe zwane orbitalami atomowymi. Orbitale atomowe grupują się w tzw. powłoki elektronowe. Zakaz Pauliego sprawia, że dwa elektrony nie mogą być w tym samym stanie, jeśli więc obsadzają ten sam orbital, muszą się czymś różnić. Mogą się wówczas różnić tylko tzw. spinem, a ponieważ ich spin może przyjąć jedną z dwóch wartości, więc na jednym orbitalu mogą być co najwyżej dwa elektrony.

[edytuj] Skala cząsteczkowa

Położenie atomów w cząsteczce sacharozy

Atomy mogą łączyć się w cząsteczki, których względną trwałość zapewniają wiązania chemiczne. Wiązania chemiczne powstają dzięki wymianie elektronów między atomami, która może odbywać się na dwa sposoby:^[13]

• kowalencyjny - polegający na uwspólnianiu par elektronów przez dwa lub więcej atomów; w kategoriach mechaniki kwantowej uwspólnione pary elektronów obsadzają odpowiednie orbitale molekularne
• jonowy - polegający na trwałym przeniesieniu elektronów z jednego atomu na drugi, w wyniku którego na jednym z atomów tworzy się całkowity ładunek ujemny, a na drugim dodatni; w efekcie powstaje para jonowa, która jest związana z sobą zwykłymi oddziaływaniami elektrostatycznymi.

Najmniejsze cząsteczki zawierają tylko dwa atomy (np: H₂), największe mogą liczyć nawet setki milionów atomów (np: DNA). Największe cząsteczki można już obserwować z użyciem mikroskopu optycznego.^[14]

[edytuj] Skala makroskopowa

Obraz ze skaningowego mikroskopu tunelowego pokazujący pojedyncze atomy złota.

Obok wiązań atomowych istnieją oddziaływania międzycząsteczkowe, w których elektrostatycznie oddziałują całe cząsteczki. Oddziaływania te starają się związać cząsteczki ze sobą w większe struktury (agregaty, krystality). Przeciwstawia się temu ciągły ruch cząsteczek, którego makroskopowym przejawem jest temperatura.

Cząsteczki chemiczne niekiedy łączą się w tzw. cząstki supramolekularne za pomocą słabych oddziaływań międzycząsteczkowych (siły Van Der Waalsa, wiązania wodorowe itp.)^[15]. Cząstki supramolekularne odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu organizmów żywych. Część tego rodzaju cząstek jest na tyle duża, że da się je obserwować pod mikroskopem optycznym.

W skali makroskopowej z czterech oddziaływań obserwowalne są jedynie oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacja, gdyż zanikają one najwolniej wraz z odległością.

[edytuj] Stany skupienia materii

Zobacz więcej w osobnym artykule: Stan skupienia materii.

Efektem oddziaływań międzycząsteczkowych są również tzw. stany skupienia materii. Tradycyjnie wyróżnia się trzy stany skupienia według nomenklatury z XVII w.:

• stały (ciało stałe)
• ciekły (ciecz)
• lotny (gaz)

oraz dodany w czasach nam współczesnych czwarty stan, czyli

• gaz zjonizowany (plazma).

Jeśli oddziaływania są tak małe, tak że energia ruchu cząsteczek umożliwia im dowolnie oddalenie się to ciało jest gazem. Gdy energia ruchu nie jest w stanie pokonać energii oddalania się cząsteczki od pozostałych cząsteczek, ale jest wystarczająco duża by cząsteczka mogła zmieniać położenie względem innych cząsteczek, powstaje ciecz. Gdy oddziaływania te są jeszcze silniejsze i cząsteczki nie mogą poruszać się swobodnie ruchem postępowym, powstaje ciało stałe. Stan skupienia zależy od składu chemicznego oraz warunków termodynamicznych, takich jak temperatura, czy ciśnienie.

Nowsze badania wykazały, że stały i ciekły stan skupienia mogą być realizowane na wiele różnych sposobów różniących się układem cząsteczek. Sposoby te są nazywane fazami materii.

[edytuj] Skala astronomiczna

Gromada galaktyk Pocisk - pośredni dowód obserwacyjny na istnienie ciemnej materii - na zdjęciu materia widzialna: gwiazdy i gaz (kolor czerwony) oraz sugerowany obszar występowania ciemnej materii (kolor niebieski), wyjaśniający nietypowe zachowanie tej gromady galaktyk.

W skali pojedynczych ciał niebieskich oddziaływanie elektromagnetyczne ma mniejsze znaczenie niż grawitacja. Istnieją jednak takie obiekty jak pulsary, w których efekty elektromagnetyczne odgrywają dużą rolę. W jeszcze większej skali oddziaływanie elektromagnetyczne przestaje się liczyć, a rolę odgrywa wyłącznie grawitacja.

Grawitacja wiąże w całość materię tworząc gwiazdy, czy planety, wiąże też ciała niebieskie w większe struktury. Niekiedy tworzą one układy planetarne, takie jak Układ Słoneczny. Istnieją też układy gwiazd nie posiadające planet, tzw. gwiazdy wielokrotne. W większej skali gwiazdy tworzą gromady. Materia nie musi jednak być skupiona w gwiazdy, czy planety. Istnieje również materia międzygwiazdowa, tworząca niekiedy mgławice. Gwiazdy (z ewentualnymi planetami) oraz materia międzyplanetarna i międzygwiazdowa tworzą galaktyki, a te (wraz z materią międzygalaktyczną) grupy galaktyk, gromady i supergromady. Wyniki badań z ostatnich lat wskazują na to, że supergromady mogą tworzyć jeszcze większe struktury - tzw. włókna i ściany, otaczające olbrzymie obszary pustki, nadając kosmosowi w największej skali kształt piany.

Obserwacje wskazują, że we wszechświecie, w skali astronomicznej, mogą występować także inne, niewidoczne odmiany materii zwane ciemną materią. Jej natura nadal stanowi zagadkę.

[edytuj] Źródła

• Richard P. Feynman, Robert B. Leighton: Feynmana wykłady z fizyki, tom 3 Mechanika kwantowa. Wyd. 5. PWN, 2007. ISBN 978-83-01-15011-2. 
• Bernard F. Schutz: Wstęp do ogólnej teorii względności. PWN, 2001. ISBN 83-01-11666-8. 

Przypisy

[edytuj] Zobacz też

• materia dziwna
• materia kwarkowa
• substancja