La materia è una sostanza che ha inerzia e occupa lo spazio fisico. Secondo la fisica moderna, la materia consiste di vari tipi di particelle, ognuna con massa e dimensione.
Gli esempi più familiari di particelle materiali sono l’elettrone, il protone e il neutrone. Le combinazioni di queste particelle formano gli atomi. Ci sono più di 100 tipi diversi di atomi, ognuno dei quali costituisce un unico elemento chimico. Una combinazione di atomi forma una molecola. Gli atomi e/o le molecole possono unirsi per formare un composto.
La materia può esistere in diversi stati, chiamati anche fasi. I tre stati più comuni sono conosciuti come solido, liquido e gas. Un singolo elemento o composto della materia può esistere in più di uno dei tre stati, a seconda della temperatura e della pressione. Gli stati meno familiari della materia includono il plasma, la schiuma e il condensato di Bose-Einstein. Questi stati si verificano in condizioni speciali.
Diversi tipi di materia possono combinarsi per formare sostanze che possono non assomigliare a nessuno degli ingredienti originali. Per esempio, l’idrogeno (un elemento gassoso) e l’ossigeno (un altro elemento gassoso) si combinano per formare acqua (un composto liquido a temperatura ambiente). Il processo di tale combinazione è chiamato reazione chimica. Una reazione chimica comporta interazioni tra gli elettroni degli atomi, ma non influisce sui nuclei degli atomi.
In alcune situazioni, la materia viene convertita in energia da reazioni atomiche, note anche come reazioni nucleari. Questo tipo di reazione è fondamentalmente diverso dalla reazione chimica perché comporta cambiamenti nei nuclei degli atomi. L’esempio più comune di una reazione atomica è la fusione dell’idrogeno che avviene all’interno del sole. L’immensa pressione all’interno del sole, e di altre stelle, costringe gli atomi di idrogeno a formare atomi di elio. In questo processo, parte della massa viene convertita in energia secondo la formula
E = mc 2
dove E è l’energia in joule, m è la massa in chilogrammi e c è la velocità della luce, che è circa 2,99792 x 10 8 metri al secondo nel vuoto.
In anni recenti, gli scienziati hanno confermato l’esistenza di una sostanza chiamata antimateria. L’elettrone ha un’antiparticella gemella chiamata positrone, con massa uguale ma carica elettrica opposta. Allo stesso modo, il protone ha un gemello di antimateria chiamato antiprotone, e il neutrone ha un gemello di antimateria chiamato antineutrone. Se una particella di materia incontra la sua antiparticella, entrambe sono convertite interamente in energia secondo la formula di cui sopra, dove m è la massa combinata della particella e dell’antiparticella. Piccole quantità di antimateria sono state isolate in condizioni di laboratorio, ma nessuno è ancora riuscito a creare una reazione materia/antimateria controllata, o anche una reazione incontrollata di dimensioni significative.