Materia (física)

De Wikipedia, la enciclopedia libre.
Saltar a navegación Saltar a búsqueda
Átomo de helio

En física clásica , el término materia indica genéricamente cualquier objeto que tiene masa y ocupa espacio ; o, alternativamente, la sustancia de la que se componen los objetos físicos, excluyendo así la energía , que se debe a la contribución de los campos de fuerza .

Esta definición, suficiente para la física macroscópica, objeto de estudio de la mecánica y la termodinámica , no encaja bien con las teorías modernas en el campo microscópico, propias de la física atómica y subatómica . Por ejemplo, el espacio ocupado por un objeto está casi vacío, dada la gran proporción (≈ ) entre el radio medio de las órbitas de los electrones y las dimensiones típicas de un núcleo atómico ; además, la ley de conservación de la masa se viola fuertemente en escalas subatómicas.

En estas áreas, en cambio, podemos adoptar la definición de que la materia está formada por una cierta clase de partículas, que son las entidades detectables físicamente más pequeñas y fundamentales: estas partículas se llaman fermiones y siguen el principio de exclusión de Pauli , que establece que no más de un fermión puede existir en el mismo estado cuántico. Debido a este principio, las partículas que componen la materia no están todas en el estado de mínima energía y por esta razón es posible crear estructuras estables de ensamblajes de fermiones.

Las partículas de la clase complementaria, llamadas bosones , componen los campos . Por tanto, pueden considerarse los agentes que operan los ensamblajes de fermiones o sus modificaciones, interacciones e intercambios de energía. Una metáfora no del todo correcta desde el punto de vista físico, pero eficaz e intuitiva, ve a los fermiones como los ladrillos que componen la materia del universo, y a los bosones como los pegamentos o cementos que los mantienen unidos para componer la realidad física.

Etimología

El término materia deriva del latín materia equivalente, pero también se puede remontar directamente al término latino mater , que significa madre . La etimología del término sugiere, por tanto, cómo la materia puede considerarse el fundamento constituyente de todos los cuerpos y de todas las cosas: la primera sustancia de la que se forman todas las demás sustancias. El término materia proviene de la jerga filosófica.

Historia

Icono de lupa mgx2.svg Mismo tema en detalle: Materia (filosofía) .
Aristóteles formuló una de las primeras teorías sobre la estructura de la materia.

En la Edad Media y en la antigüedad se arraigaba la creencia aristotélica de que la materia estaba compuesta por cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego. Cada uno de estos, con un "peso" diferente, tiende hacia su lugar natural, dejando la tierra y el agua en el centro del universo, haciendo que el aire y el fuego se eleven hacia arriba. Además, se creía que la materia era un todo continuo, completamente desprovisto de vacío (la naturaleza aborrece el vacío, horror vacui ). Hoy, sin embargo, se ha descubierto que la materia, por el contrario, está compuesta por más del 99% de vacío.

Una disputa importante en la filosofía griega se refería a la posibilidad de que la materia pudiera dividirse indefinidamente en partes cada vez más pequeñas. Contrariamente a esta hipótesis, los atomistas estaban convencidos en cambio de que había una estructura elemental que constituía la materia que no podía dividirse más.

Descripción

Cualquier cosa que tenga masa y ocupe un espacio de forma estable en el tiempo se suele definir como materia. En física no existe un consenso unánime sobre la definición de materia, en parte porque la noción de "ocupar el espacio" es inconsistente en la mecánica cuántica . Muchos físicos prefieren utilizar los conceptos de masa , energía y partícula en su lugar.

La materia está formada por electrones y agregados de quarks que son estables en el tiempo. Todos estos fermiones tienen semi-impar de espín (medio) y por lo tanto deben seguir el principio de exclusión de Pauli , que prohíbe dos fermiones de ocupar el mismo estado cuántico. Esto parece corresponder a la propiedad elemental de la impenetrabilidad de la materia y al concepto de ocupación del espacio.

Los protones se componen de 2 quarks up y 1 down (que se denominan valencia porque determinan casi todas las características físicas, pero no la masa, del protón): p = (uud). Los neutrones , por otro lado, están formados por 2 quarks descendentes y 1 ascendente: n = (udd). Los protones y neutrones, denominados colectivamente nucleones , también son fermiones, ya que tienen espín 1/2. Dado que los electrones, protones y neutrones se agregan para formar átomos y moléculas, estos tres tipos de fermiones constituyen lo que normalmente se entiende como materia, formada precisamente por átomos y moléculas.

Sin embargo, solo el 9% de la masa de un protón proviene de los quarks de valencia que lo constituyen. El 91% restante se debe a la energía cinética de los quarks (32%), la energía cinética de los gluones (36%) y la energía de interacción entre quarks y gluones (23%). [1] [2] La definición de materia ordinaria como "formada" por electrones y nucleones es, por tanto, problemática, ya que la masa de los nucleones no es atribuible a la suma de las masas de los quarks constituyentes. Además, el neutrón libre no es estable, pero fuera de un núcleo atómico se desintegra con una vida media de unos 887 segundos. Esto hace que la definición de neutrones libres, que son inestables, sea una materia problemática.

El caso de los núcleos radiactivos también presenta cierta ambigüedad. La vida media de los distintos radionucleidos puede variar desde 10-12 segundos hasta 10-9 años. No está claro cuál es el valor de vida promedio que debe considerarse discriminatorio para la definición de materia. Parece paradójico no considerar la materia como un núcleo inestable, sino con una vida media comparable a la edad del universo (13.800 millones de años). Por otro lado, no existe un criterio para establecer cuál es la vida media mínima para descuidar la inestabilidad de un núcleo radiactivo, considerándolo así importante.

Según la definición dada, los bosones gauge no son materia: fotones y gluones porque no tienen masa, los bosones W y Z porque son inestables. De manera similar, el bosón de Higgs en descomposición y el gravitón hipotético, que debería tener masa cero, no lo son. Entre los leptones , solo el electrón es estable y, por lo tanto, constituye materia. En la familia de los hadrones , las partículas del grupo de mesones , formado por uno o dos pares de quarks y antiquarks , no son materia. Son bosones (tienen espín entero 0 o 1), no siguen el principio de exclusión de Pauli y, por tanto, no se puede decir que ocupen espacio en el sentido mencionado anteriormente. Además, ningún mesón es estable. Del mismo modo, entre los hadrones, todos aquellos bariones , formados por 3 o 5 quarks, que son inestables o se descomponen extremadamente rápidamente en componentes estables más ligeros, no se consideran materia.

Propiedad

Masa fisica

Según la visión clásica e intuitiva de la materia, todos los objetos sólidos ocupan un espacio que no puede ser ocupado simultáneamente por otro objeto. Esto significa que la materia ocupa un espacio que no puede ser ocupado por otra materia al mismo tiempo, es decir, la materia es impenetrable (principio de impenetrabilidad ).

Si tomamos un trozo de goma , lo medimos con una balanza y obtenemos, por ejemplo, una masa de 3 gramos , dividiendo la goma en muchos trozos pequeños y pesando estos trozos siempre obtendremos 3 gramos. La cantidad no ha cambiado, de acuerdo con la ley de conservación de la masa . De acuerdo con esta hipótesis, se puede decir, por tanto, que "la materia tiene una masa que no cambia aunque su forma y volumen varíen ". Sobre esta base en el pasado se construyó la definición según la cual " materia es todo lo que ocupa un espacio y tiene una masa ".

La masa inercial de una cierta cantidad de materia, por ejemplo de un objeto dado, que una balanza mide en comparación con otra masa, permanece sin cambios en todos los rincones del universo y, por lo tanto, se considera una propiedad intrínseca de la materia. La unidad con la que se mide la masa inercial es el kilogramo .

Por el contrario, el peso es una medida de la fuerza de gravedad con la que la Tierra atrae hacia sí un cuerpo que tiene una masa gravitacional ; como tal, el peso de un cuerpo dado cambia dependiendo de dónde lo midamos: en diferentes puntos de la Tierra, en el espacio cósmico o en otro planeta . Por tanto, el peso no es una propiedad intrínseca de la materia. Al igual que otras fuerzas estáticas, el peso se puede medir con un dinamómetro .

La masa inercial y la masa gravitacional son dos conceptos distintos en la mecánica clásica , pero siempre se ha descubierto que son iguales experimentalmente. Es solo con el advenimiento de la relatividad general que tenemos una teoría que interpreta su identidad.

La densidad de la superficie y la densidad de la materia en el mundo subatómico es menor que la del universo macroscópico. En el mundo de los átomos, las masas generalmente ocupan volúmenes mayores (menor densidad volumétrica) y se ubican a mayores distancias (menor densidad superficial) que las que separan planetas, estrellas, galaxias [3] . El vacío prevalece entre los constituyentes de la materia.

Estructura

El granito no tiene una composición general uniforme.

La materia homogénea tiene una composición y propiedades uniformes . Puede ser una mezcla, como el vidrio , un compuesto químico como el agua, o elemental, como el cobre puro. La materia heterogénea , como el granito , por ejemplo, no tiene una composición definida.

Al determinar las propiedades macroscópicas de la materia, el conocimiento de las estructuras a nivel microscópico (por ejemplo, la configuración exacta de las moléculas y los cristales ), el conocimiento de las interacciones y fuerzas que actúan a un nivel fundamental al unir los constituyentes fundamentales son de fundamental importancia (como las fuerzas de London y los enlaces de van der Waals ) y la determinación del comportamiento de las macroestructuras individuales cuando interactúan entre sí (por ejemplo, las relaciones disolvente-soluto o las que existen entre los diversos microcristales en rocas como granito).

Propiedades fundamentales de la materia

Los fermiones son partículas de espín semi-enteros y constituyen una posible definición de toda la materia de la que estamos hechos. Los fermiones se dividen en quarks y leptones dependiendo de si participan o no en la fuerza nuclear fuerte . Los fermiones interactúan entre sí a través de bosones, partículas mediadoras de fuerza.

Leptonas

Icono de lupa mgx2.svg Mismo tema en detalle: Leptona .

Los leptones son fermiones que no se ven afectados por la fuerza nuclear fuerte , sino que interactúan solo a través de la fuerza de gravedad y la fuerza electrodébil . En el modelo estándar , se predicen tres familias de leptones que incluyen una partícula cargada y una neutra cada una. El electrón , el muón y la tau tienen carga eléctrica negativa (positiva para las respectivas antipartículas), mientras que los neutrinos relativos tienen carga eléctrica cero. Los neutrinos no tienen masa en el modelo estándar, aunque las extensiones de este y los modelos cosmológicos predicen que tienen una masa pequeña distinta de cero.

Propiedades de las leptonas
primer nombre símbolo girar carga eléctrica
( y )
masa
( MeV / c 2 )
masa comparable a antipartículas símbolo de antipartícula
leptones cargados [4]
electrón y - 12 −1 0.5110 1 electrón positrón y +
muon μ− 12 −1 105,7 ~ 200 electrones antimuona μ +
tauone τ− 12 −1 1,777 ~ 2 protones antitauona τ +
neutrinos [5]
neutrino electrónico νe 12 0 <0,000460 < 11000 electrón antineutrino electrónico
neutrino muón νμ 12 0 <0,19 < 12 electrón antineutrino muón
neutrino tau ντ 12 0 <18,2 <40 electrones tau antineutrino

Cuarc

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Quark (partícula) .

Los quarks son partículas de espín semi-enteros y, por lo tanto, son fermiones. Tienen una carga eléctrica igual a menos de un tercio de la del electrón , para los del tipo hacia abajo , e igual a dos tercios para los del tipo hacia arriba . Los quarks también tienen una carga de color , que es el equivalente a la carga eléctrica para interacciones débiles . Los quarks también son partículas masivas y, por lo tanto, están sujetos a la fuerza de la gravedad.

Propiedades de Quark [6]
Nombre de pila Símbolo Girar Carga eléctrica
( y )
Masa
( MeV / c 2 )
Masa comparable a Antipartícula Símbolo
de la antipartícula
Quark de tipo up
Hasta tu 1/2 + 2/3 1,5 hasta 3,3 ~ 5 electrones Antiup
Encanto C 1/2 + 2/3 1160 al 1340 ~ 1 protones Anticharm
Cima t 1/2 + 2/3 169.100 hasta 173.300 ~ 180 protones o
~ 1 átomo de tungsteno
Antitop
Quark tipo abajo
Abajo D 1/2 - 1/3 3,5 hasta 6,0 ~ 10 electrones Antidown
Extraño s 1/2 - 1/3 70 hasta 130 ~ 200 electrones Antiextraño
Fondo B 1/2 - 1/3 4130 al 4370 ~ 5 protones Antibottom

Fases de la materia

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Estado de la materia .
Recipiente de metal sólido que contiene nitrógeno líquido , que se evapora lentamente en nitrógeno gaseoso. La evaporación es la transición de fase del estado líquido al gaseoso.

En respuesta a diferentes condiciones termodinámicas como la temperatura y la presión , la materia se presenta en diferentes " fases ", las más familiares (porque se experimentan a diario) de las cuales son: sólida , líquida y aeriforme . Otras fases incluyen plasma , superfluido y condensado de Bose-Einstein . El proceso por el cual la materia pasa de una fase a otra se llama transición de fase , un fenómeno estudiado principalmente por la termodinámica y la mecánica estadística .

Las fases a veces se denominan estados de la materia, pero este término puede confundir con los estados termodinámicos. Por ejemplo, dos gases mantenidos a diferentes presiones tienen diferentes estados termodinámicos, pero el mismo "estado" de materia.

Sólidos

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Sólidos .

Los sólidos se caracterizan por una tendencia a conservar su integridad estructural y su forma, a diferencia de lo que ocurre con los líquidos y los gases. Muchos sólidos, como las rocas, se caracterizan por una fuerte rigidez y, si las tensiones externas son muy elevadas, tienden a agrietarse y romperse. Otros sólidos, como el caucho y el papel, se caracterizan por una mayor flexibilidad. Los sólidos suelen estar compuestos por estructuras cristalinas o largas cadenas de moléculas (por ejemplo, polímeros ).

Liquidos

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Líquidos .

En un líquido, las moléculas, aunque cercanas entre sí, son libres de moverse, pero a diferencia de los gases, hay fuerzas más débiles que las de los sólidos que crean enlaces de corta duración (por ejemplo, el enlace de hidrógeno ). Por tanto, los líquidos tienen cohesión y viscosidad , pero no son rígidos y tienden a tomar la forma del recipiente que los contiene.

Gaseoso

Icono de lupa mgx2.svg Mismo tema en detalle: Gas .

Un aeriforme es una sustancia compuesta por pequeñas moléculas separadas por grandes espacios y con una interacción mutua muy débil. Por tanto, los gaseosos no ofrecen ninguna resistencia al cambio de forma, aparte de la inercia de las moléculas que lo componen.

Formas de materia

Materia química

La materia química es la parte del universo formada por átomos químicos. Esta parte del universo no incluye materia oscura y energía oscura, agujeros negros, estrellas de neutrones y diversas formas de materia degenerada, que se encuentran por ejemplo en cuerpos celestes como la enana blanca . Datos recientes de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) sugieren que solo el 4% de la masa total de todo el universo visible a nuestros telescopios está compuesta de materia química. Aproximadamente el 22% es materia oscura, el 74% restante es energía oscura.

La materia que observamos está generalmente en forma de compuestos químicos , polímeros , aleaciones o elementos puros.

Antimateria

Foto del primer positrón en una cámara de niebla

En partículas físicas y química cuántica , la antimateria está compuesta por las respectivas antipartículas que componen la materia normal. Si una partícula y su antipartícula se encuentran, las dos se aniquilan; es decir, se convierten en otras partículas o más a menudo en radiación electromagnética de igual energía de acuerdo con la ecuación de Einstein .

La antimateria no se encuentra naturalmente en la Tierra, excepto en cantidades pequeñas y de corta duración (como resultado de desintegraciones radiactivas o rayos cósmicos). Esto se debe a que la antimateria que se crea fuera de los confines de los laboratorios físicos se encuentra inmediatamente con materia ordinaria con la que aniquilar. Las antipartículas y otras formas de antimateria estable (como el antihidrógeno) se pueden crear en pequeñas cantidades, pero no lo suficiente para hacer otra cosa que probar las propiedades teóricas en aceleradores de partículas .

Existe una considerable especulación en la ciencia y el cine sobre por qué el universo entero está aparentemente compuesto de materia ordinaria, aunque es posible que otros lugares estén compuestos completamente de antimateria. Se pueden obtener explicaciones probables de estos hechos considerando asimetrías en el comportamiento de la materia con respecto a la antimateria.

Materia oscura

Mapa 3D de materia oscura.jpg

En cosmología, los efectos a gran escala parecen indicar la presencia de una cantidad increíble de materia oscura que no está asociada con la radiación electromagnética. La teoría del Big Bang requiere que esta materia tenga energía y masa, pero no está compuesta ni por fermiones elementales ni por bosones . En cambio, está compuesto por partículas que nunca se han observado en el laboratorio (quizás partículas supersimétricas).

Materia exótica

La materia exótica es un concepto hipotético de partículas físicas. Se refiere a cualquier materia que viole una o más de las condiciones clásicas y no esté formada por partículas bariónicas conocidas.

Nota

Otros proyectos

enlaces externos

Control de autoridad Tesauro BNCF 4214 · LCCN (EN) sh85082246 · GND (DE) 4037940-1 · NDL (EN, JA) 00,561,096