La materia è la “roba” che compone l’universo – tutto ciò che occupa spazio e ha massa è materia.
Tutta la materia è fatta di atomi, che a loro volta sono fatti di protoni, neutroni ed elettroni.
Gli atomi si uniscono per formare le molecole, che sono gli elementi costitutivi di tutti i tipi di materia, secondo la Washington State University. Sia gli atomi che le molecole sono tenuti insieme da una forma di energia potenziale chiamata energia chimica. A differenza dell’energia cinetica, che è l’energia di un oggetto in movimento, l’energia potenziale è l’energia immagazzinata in un oggetto.
Le cinque fasi della materia
Ci sono quattro stati naturali della materia: Solidi, liquidi, gas e plasma. Il quinto stato sono i condensati di Bose-Einstein creati dall’uomo.
Solidi
In un solido, le particelle sono impacchettate strettamente insieme in modo da non muoversi molto. Gli elettroni di ogni atomo sono costantemente in movimento, quindi gli atomi hanno una piccola vibrazione, ma sono fissi nella loro posizione. A causa di questo, le particelle in un solido hanno un’energia cinetica molto bassa.
I solidi hanno una forma definita, così come la massa e il volume, e non si conformano alla forma del contenitore in cui sono posti. I solidi hanno anche un’alta densità, il che significa che le particelle sono strettamente imballate insieme.
Liquidi
In un liquido, le particelle sono più libere che in un solido e sono in grado di scorrere l’una intorno all’altra, dando al liquido una forma indefinita. Pertanto, il liquido si conforma alla forma del suo contenitore.
Come i solidi, i liquidi (la maggior parte dei quali ha una densità inferiore a quella dei solidi) sono incredibilmente difficili da comprimere.
Gas
In un gas, le particelle hanno una grande quantità di spazio tra loro e hanno un’alta energia cinetica. Un gas non ha una forma o un volume definito. Se non è confinato, le particelle di un gas si spargono indefinitamente; se è confinato, il gas si espande fino a riempire il suo contenitore. Quando un gas viene messo sotto pressione riducendo il volume del contenitore, lo spazio tra le particelle si riduce e il gas viene compresso.
Plasma
Il plasma non è uno stato comune della materia qui sulla Terra, ma potrebbe essere lo stato più comune della materia nell’universo, secondo il Jefferson Laboratory. Le stelle sono essenzialmente palle di plasma surriscaldato.
Il plasma consiste di particelle altamente cariche con un’energia cinetica estremamente elevata. I gas nobili (elio, neon, argon, krypton, xeno e radon) sono spesso usati per fare insegne luminose usando l’elettricità per ionizzarli allo stato di plasma.
Condensato di Bose-Einstein
Il condensato di Bose-Einstein (BEC) fu creato dagli scienziati nel 1995. Usando una combinazione di laser e magneti, Eric Cornell e Carl Weiman, scienziati del Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) di Boulder, Colorado, hanno raffreddato un campione di rubidio a pochi gradi dallo zero assoluto. A questa temperatura estremamente bassa, il movimento molecolare è molto vicino a fermarsi. Poiché non c’è quasi nessuna energia cinetica trasferita da un atomo all’altro, gli atomi cominciano a raggrupparsi. Non ci sono più migliaia di atomi separati, solo un “super atomo”.
Un BEC è usato per studiare la meccanica quantistica a livello macroscopico. La luce sembra rallentare quando passa attraverso un BEC, permettendo agli scienziati di studiare il paradosso delle particelle/onde. Un BEC ha anche molte delle proprietà di un superfluido, o un fluido che scorre senza attrito. I BEC sono anche usati per simulare le condizioni che potrebbero esistere nei buchi neri.
Passare attraverso una fase
L’aggiunta o la rimozione di energia dalla materia causa un cambiamento fisico quando la materia passa da uno stato all’altro. Per esempio, l’aggiunta di energia termica (calore) all’acqua liquida la trasforma in vapore o in vapore (un gas). E la rimozione di energia dall’acqua liquida la trasforma in ghiaccio (un solido). I cambiamenti fisici possono anche essere causati dal movimento e dalla pressione.
Fusione e congelamento
Quando il calore viene applicato a un solido, le sue particelle iniziano a vibrare più velocemente e a muoversi più lontano. Quando la sostanza raggiunge una certa combinazione di temperatura e pressione, il suo punto di fusione, il solido comincia a fondere e a trasformarsi in un liquido.
Quando due stati della materia, come il solido e il liquido, si trovano alla temperatura e alla pressione di equilibrio, il calore aggiuntivo aggiunto al sistema non farà aumentare la temperatura complessiva della sostanza finché l’intero campione non raggiunge lo stesso stato fisico. Per esempio, quando si mette del ghiaccio in un bicchiere d’acqua e lo si lascia fuori a temperatura ambiente, il ghiaccio e l’acqua alla fine raggiungeranno la stessa temperatura. Quando il ghiaccio si scioglie a causa del calore proveniente dall’acqua, rimarrà a zero gradi Celsius fino a quando l’intero cubetto di ghiaccio si scioglie prima di continuare a scaldarsi.
Quando il calore viene rimosso da un liquido, le sue particelle rallentano e cominciano a stabilirsi in una posizione all’interno della sostanza. Quando la sostanza raggiunge una temperatura abbastanza fredda a una certa pressione, il punto di congelamento, il liquido diventa un solido.
La maggior parte dei liquidi si contrae quando si congela. L’acqua, tuttavia, si espande quando si congela in ghiaccio, facendo sì che le molecole si spingano più lontano e diminuiscano la densità, motivo per cui il ghiaccio galleggia sopra l’acqua.
L’aggiunta di altre sostanze, come il sale nell’acqua, può alterare sia il punto di fusione che quello di congelamento. Per esempio, l’aggiunta di sale alla neve diminuisce la temperatura di congelamento dell’acqua sulle strade, rendendola più sicura per gli automobilisti.
C’è anche un punto, noto come punto triplo, dove solidi, liquidi e gas esistono tutti contemporaneamente. L’acqua, per esempio, esiste in tutti e tre gli stati a una temperatura di 273,16 Kelvin e una pressione di 611,2 pascal.
Sublimazione
Quando un solido viene convertito direttamente in un gas senza passare attraverso una fase liquida, il processo è noto come sublimazione. Questo può avvenire sia quando la temperatura del campione viene rapidamente aumentata oltre il punto di ebollizione (vaporizzazione flash) o quando una sostanza viene “liofilizzata” raffreddandola sotto vuoto in modo che l’acqua nella sostanza subisca la sublimazione e venga rimossa dal campione. Alcune sostanze volatili subiranno la sublimazione a temperatura e pressione ambiente, come l’anidride carbonica congelata o il ghiaccio secco.
Vaporizzazione
La vaporizzazione è la conversione di un liquido in un gas e può avvenire sia per evaporazione che per ebollizione.
Perché le particelle di un liquido sono in costante movimento, si scontrano spesso tra loro. Ogni collisione causa anche il trasferimento di energia, e quando abbastanza energia viene trasferita alle particelle vicino alla superficie, queste possono essere spinte via completamente dal campione come particelle di gas libero. I liquidi si raffreddano mentre evaporano perché l’energia trasferita alle molecole di superficie, che causa la loro fuga, viene portata via con loro.
Il liquido bolle quando viene aggiunto abbastanza calore a un liquido da causare la formazione di bolle di vapore sotto la superficie. Il punto di ebollizione è la temperatura e la pressione a cui un liquido diventa un gas.
Condensazione e deposizione
La condensazione avviene quando un gas perde energia e si unisce per formare un liquido. Per esempio, il vapore acqueo si condensa in acqua liquida.
La deposizione avviene quando un gas si trasforma direttamente in un solido, senza passare per la fase liquida. Il vapore acqueo diventa ghiaccio o brina quando l’aria che tocca un solido, come un filo d’erba, è più fredda del resto dell’aria.
Risorse aggiuntive:
- Guarda: Creazione di un condensato di Bose-Einstein, dal National Institute of Standards and Technology.
- Impara da dove viene la materia nell’universo, da Ask an Astronomer della Cornell University.
- Leggi di più su materia, elementi e atomi, dalla Khan Academy.
Questo articolo è stato aggiornato il 21 agosto 2019, da Live Science Contributor Rachel Ross.