Materie i fysik — Hvad er stof, masse og partikler?
Forstå materie i fysik: hvad stof, masse og partikler er, hvordan atomer og hvilemasse bestemmer materialeegenskaber — klar, grundig forklaring for studerende og nysgerrige
Materie er det stof, som alt materiale er lavet af. Det vil sige genstande, der har masse. Mere specifikt skal de have hvilemasse, som er en form for energi, som materien har, selv når den ikke bevæger sig (den har ingen kinetisk energi), når den er ekstremt kold (den har ingen termisk energi) osv. Materie er et ord, der undertiden bruges på forskellige måder i dagligdagen, mens masse er et veldefineret begreb og en veldefineret størrelse, i hvert fald inden for fysikken. De er ikke det samme, selv om de er beslægtede.
Almindelig materie består af små partikler, der kaldes atomer. Der er mellemrum mellem atomerne, og de bevæger sig eller vibrerer hele tiden. Partiklerne bevæger sig hurtigere og bevæger sig længere fra hinanden, når de bliver opvarmet, og omvendt, når de bliver afkølet.
Hvad menes med masse og hvilemasse?
Masse er et mål for, hvor meget "stof" eller modstand mod acceleration et objekt har. I daglig tale blander man ofte masse og vægt sammen, men vægt er den kraft, tyngdefeltet (f.eks. Jordens tyngdekraft) udøver på en masse. Masse måles i kilogram (kg) i SI-systemet.
Hvilemasse (eller invariant masse) er den masse, et partikelsystem har, når det betragtes i sit eget hvilesystem. Det er en fundamentalt vigtig størrelse i både klassisk og relativistisk fysik. Ifølge relativitetsteorien er masse og energi tæt forbundne — E = mc² — så hvilemassen svarer til en mængde energi også når partikler ikke bevæger sig.
Partikler — atomer og deres indre
Et atom består typisk af en kerne med protoner og neutroner og elektroner, der bevæger sig rundt om kernen. Nogle vigtige punkter:
- Protoner har positiv ladning, elektroner negativ ladning, neutroner er neutrale.
- Protoner og neutroner er selv sammensat af mindre partikler kaldet kvarker.
- Partikler kan binde sig sammen til molekyler, ioner eller faste strukturer afhængigt af typer og energitilstand (kemiske bindinger).
- Udover almindelige atomer findes også antimaterie (partikler med modsatte ladninger) og mere eksotiske partikler beskrevet af moderne partikelfysik.
Tilstandsformer og bevægelse på mikroniveau
Hvordan atomerne er arrangeret og hvor meget de bevæger sig, bestemmer stoffets makroskopiske tilstand:
- Fast stof: Atomer sidder tæt og vibrerer omkring faste positioner.
- Væske: Atomer eller molekyler kan glide forbi hinanden, men er stadig relativt tætte.
- Gas: Partikler bevæger sig frit og er langt fra hinanden i gennemsnit.
- Plasma: En ioniseret gas hvor elektroner er løsrevet fra kerner.
- Ved meget lave temperaturer kan kvantemekanik give usædvanlige tilstande som Bose–Einstein-kondensat.
Opvarmning øger den gennemsnitlige kinetiske energi og dermed partiklernes bevægelse; afkøling mindsker den. Denne bevægelse er det, vi ofte kalder termisk energi.
Masse, vægt, tæthed og bevarelse
Tæthed er masse pr. volumen (f.eks. kg/m³) og bestemmer, hvor kompakt et materiale er. To materialer kan have samme masse men forskellig volumen og dermed forskellig tæthed.
Den klassiske lov om massebevægelse i kemi siger, at masse er bevaret i en lukket kemisk reaktion. I moderne fysik er dette nuanceret: masse kan omdannes til energi og omvendt, jf. E = mc², så i fuldt relativistisk perspektiv er det den samlede energi (inklusive masseenergi) der bevares.
Andre former for "stof" og ukendt materie
Fysikere taler nogle gange om andre "komponenter" i universet, som ikke er almindelig materie:
- Mørkt stof: En formodet type stof, som ikke udsender lys, men som afsløres gennem sin tyngdevirkning på galakser. Dets natur er stadig ukendt.
- Feltkvanta: I kvantefeltteori beskrives også kraftmellemmænd (f.eks. fotoner for elektromagnetisme) som partikler, selvom de ikke har hvilemasse.
Opsummering
Materie er det stof, ting er lavet af, og det har masse. Hvilemasse er den form for masse/energi, et objekt har i hvile. Almindelig materie består af atomer og deres bestanddele, som konstant bevæger sig; denne mikroskopiske bevægelse bestemmer stoffernes makroskopiske egenskaber som tilstandsform, temperatur og tryk. Moderne fysik udvider begrebet med partikler uden hvilemasse (f.eks. fotoner), antimaterie og endnu ukendte former som mørkt stof.
Baryonisk stof
Næsten alt stof, som man kan opleve i dagligdagen, er baryonisk stof. Dette omfatter alle slags atomer og giver dem egenskaben masse. Ikke-baryonisk stof er, som navnet antyder, enhver form for stof, der ikke hovedsageligt består af baryoner. Dette kan omfatte neutrinoer og frie elektroner, mørkt stof, f.eks. supersymmetriske partikler, axioner og sorte huller.
Selve eksistensen af baryoner er et vigtigt spørgsmål i kosmologien. Det antages, at Big Bang skabte en tilstand med lige store mængder baryoner og antibaryoner. Den proces, hvorved baryoner blev flere end deres antipartikler, kaldes baryogenese.
Materiens egenskaber
Materie kan opleves direkte gennem sanserne. Den har egenskaber, som kan måles, f.eks. masse, volumen og massefylde, og kvalitative egenskaber som f.eks. smag, lugt og farve.
Eksempler på stof
Alle fysiske kroppe i universet er lavet af stof: galakser, stjerner og planeter, klipper, vand og luft. Levende organismer som planter, dyr og mennesker består også af stof.
I fysikken indeholder universet også ting, der ikke er stof, herunder nogle elementarpartikler, der ikke har nogen hvilemasse. Fotoner (elektromagnetisk stråling som f.eks. lys) er et velkendt eksempel.
Ud over sin hvilemasse kan stof indeholde andre former for energi, som ikke er stof, men som gør det muligt for stofferne at interagere med hinanden ved at udveksle kinetisk energi, varme, lys, lydbølger osv.
Uden for de fysiske videnskaber kan der være mange andre ting, som ikke er stof eller energi. F.eks. kan man opleve følelser eller få idéer.
Sammensætning
Stoffets struktur og sammensætning undersøges ved at bryde stoffet i mindre og mindre stykker. Derfor består levende organismer af celler. Celler er sammensat af molekyler, som er sæt af atomer, der er bundet sammen. Hvert atom er på sin side en samling af elementarpartikler.
Stoftilstande
Fysikere inddeler også stof i nogle få brede kategorier, kaldet tilstande, med vidt forskellige egenskaber:
- Faste stoffer er materielle objekter, der består af molekyler og atomer, som er så stærkt bundet sammen, at de har en tendens til at bevare deres form, selv når de flyttes rundt, selv om de kan deformere sig under stress. Eksempler: en sten, et bord, en kniv, en isblok.
- Væsker er stofmængder, der består af molekyler og atomer, der er svagt bundet sammen. De har ikke en egentlig form. Der findes to typer af væsker:
- Væsker omfatter kondenserede former af stof, ligesom faste stoffer, men hvor bindingerne mellem de enkelte elementer (molekyler, atomer) gør det muligt for dem at bevæge sig i forhold til hinanden, mens de fortsat holder sammen i bulk: de har en bestemt overflade. Væsker antager formen af de beholdere, hvori de befinder sig. Eksempler: vand, olie, blod, lava, sodavand.
- Gasser er stofmængder, hvor bindingerne mellem de elementer, der udgør dem (molekyler, atomer), er så løse eller svage, at de kan bevæge sig uafhængigt af hinanden. Gasser har ikke en egentlig overflade, men har en tendens til at udvide sig og optage hele det tilgængelige volumen. Eksempler: luft, vanddamp, helium.
- Plasmaer består af ioniseret stof, og de er mest af interesse for forskere. Eksempler: Jordens ionosfære, Solens korona. Partiklerne i et plasma er en blanding mellem en væske og en gas. Partiklerne kan bevæge sig frit, som en væske, og tiltrækningen er svag, som en gas. Denne stoftilstand er ikke fuldt ud forstået. Et eksempel på plasma kan findes i lyn.
- Et Bose-Einstein-kondensat (BEC) er en stoftilstand bestående af en fortyndet gas af bosoner, der er nedkølet til temperaturer meget tæt på det absolutte nulpunkt (0 K eller -273,15 °C).
En given stofmængde kan skifte fra en tilstand til en anden afhængig af temperatur og tryk. På Jorden kan vand eksistere i tre tilstande på samme tid: fast vand (is), flydende vand (søer, oceaner) og gas (damp eller damp).
Relaterede sider
- Antimaterie
- Atomteknisk teori
- Atomer
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er stof?
A: Materie er den substans, som alt materiale er lavet af. Det refererer til objekter, der har masse og hvilemasse, som er en form for energi, uanset om den er i bevægelse eller har termisk energi.
Q: Hvordan adskiller stof sig fra masse?
A: Materie bruges ofte forskelligt i daglig tale, mens masse er et præcist defineret begreb og en størrelse i fysikken. Masse refererer specifikt til mængden af stof i et bestemt objekt.
Q: Hvad er hvilemasse?
A: Hvilemasse er en form for energi, som stof besidder, selv når det ikke er i bevægelse eller ikke har termisk energi.
Q: Hvad består almindeligt stof af?
A: Almindeligt stof består af bittesmå partikler kaldet atomer, som bevæger sig og vibrerer kontinuerligt.
Q: Hvordan opfører partiklerne i almindeligt stof sig, når de opvarmes?
A: Når de opvarmes, bevæger partiklerne i almindeligt stof sig hurtigere og længere væk fra hinanden.
Q: Og hvordan opfører de sig, når de afkøles?
A: Når de afkøles, bevæger partiklerne i almindeligt stof sig langsommere og tættere sammen.
Q: Hvad kaldes mellemrummene mellem atomerne i almindeligt stof?
A: Mellemrummene mellem atomerne i almindeligt stof kaldes interstitielle rum.
Søge